Почему аэродинамические профили в аэродинамических трубах не создают (или создают бесконечно малую) струю вниз?

Кто сказал, что потоки взаимодействуют только на заднем фронте?

Поток на каждой стороне крыла создает (и создает) поле давления, которое влияет на то, что происходит на противоположной стороне в дозвуковом потоке. Только в сверхзвуковом потоке такое взаимодействие невозможно, потому что небольшие изменения давления движутся только со скоростью звука.

Сначала к теме поворота потока. Половина этого уже произошла в четверти хорды крыла, поэтому она распространяется на все крыло. На задней кромке локальное направление потока параллельно наклону задней кромки, если поток еще не разделен. За задней кромкой поток настраивается на угол нисходящего потока , который обычно является наибольшим за центральным крылом. В случае эллиптического распределения подъемной силы угол струи вниз постоянен по всему размаху , но он почти никогда не бывает самым сильным вблизи законцовок крыла. Эксперты НАСА, безусловно, тоже это знают, но мне интересно, как часто с ними консультируются специалисты по маркетингу, которые пишут эти веб-страницы.

Рядом с концевым вихрем: он не вызывает индуктивного сопротивления и является только побочным эффектом нисходящей струи. Пожалуйста, прочитайте этот ответ и попробуйте перейти по всем ссылкам. От крыла отходит не один вихрь, а вихревая пелена, и чтобы лучше понять, что происходит, лучше обо всем этом забыть.

Теперь к условиям в аэродинамической трубе. Течение здесь практически такое же, как при граунд-эффекте , поэтому полного нисходящего потока, как при свободном течении, не происходит. Чтобы получить реалистичные результаты, аэродинамические трубы используют поправочные коэффициенты , чтобы сделать результаты своих измерений близкими к результатам в свободном потоке. Если между задней кромкой и стенкой аэродинамической трубы есть зазор (а он точно есть), то поток вниз тоже есть, но меньше, чем в свободном потоке. Как объяснено в этом ответе, часть следа, который стекает вниз мимо крыла, меньше размаха крыла, поэтому в аэродинамической трубе также будет образовываться искаженная версия следа за крылом, когда воздух у боковых стенок движется вверх, а воздух в центре движется вниз. Обычно все это выравнивается, когда воздух проходит через следующую решетку, которая устанавливается для устранения турбулентности или помогает туннелю проходить за следующий угол.

приведенные выше объяснения описывают смыв вниз как основную (почти единственную) причину индуцированного сопротивления и концевых вихрей как результат смыва вниз.

Да, концевые вихри действительно являются результатом нисходящего потока. Вы уже ссылаетесь на два хороших объяснения этого, поэтому мне нужно выйти за рамки этих ответов. Два ядра вихря, возникающие в результате скручивания вихревой пелены, отстающей за крылом, на самом деле не являются концевыми вихрями, которые вы можете увидеть во влажном воздухе, как на изображении A340 ниже ( источник изображения ).

Конденсация на законцовке крыла возникает из-за сильного всасывания, вызванного потоком, локально преодолевающим малый радиус законцовки крыла. Это вершинный вихрь . На странице НАСА упоминается гораздо более сильная пара вихрей, формирующаяся за крылом, но это происходит только тогда, когда воздух уже далеко позади крыла. Это вихревой след . В ядрах кильватерной вихревой пары давление наименьшее, поскольку радиус винтового движения наименьший - сила вихря одинакова для каждой точки плоскости, перпендикулярной направлению движения крыла. Поэтому страница НАСА как минимум вводит в заблуждение, если не совсем неверна.

В аэродинамической трубе происходит то же самое (за исключением концевого вихря), но оно ограничено стенками аэродинамической трубы. Они замедляют вихревой след за счет трения о стенки и не дают следу двигаться вниз, как это делает земля при граунд-эффекте. Но рядом с нижней стенкой аэродинамической трубы (или верхней, если секцию крыла установить вверх ногами) еще есть пара вихрей.

Аэродинамический профиль в аэродинамической трубе не может вызвать чистое движение воздуха вниз из-за нижней стенки аэродинамической трубы. Если аэродинамический профиль проходит через туннель только частично, за аэродинамическим профилем может быть нисходящий поток, уравновешиваемый восходящим потоком за его концами, так что общая масса продолжается «прямо» вдоль туннеля с завихрением в нем. Но, если аэродинамический профиль растянут до конца, этого не может произойти. Вместо этого происходит то, что давление воздуха под аэродинамическим профилем становится выше, чем давление воздуха над ним. Более высокое давление воздуха внизу и более низкое давление воздуха наверху компенсируют «попытки» аэродинамического профиля создать поток вниз. Струи вниз нет, но ЕСТЬ перепад давления (при условии подъемной аэродинамической поверхности) и подъемная сила на аэродинамической поверхности.

Поскольку струи вниз нет, индуктивное сопротивление очень низкое. Люди склонны думать, что индуктивное сопротивление как-то связано с вихрями на конце, но есть более полезный способ думать об этом. Когда воздух обтекает крыло в нормальных условиях, он отклоняется вниз под некоторым углом.$a$. Отклонение вниз придает воздуху вертикальную составляющую скорости, равную$v \cdot sin(a)$, и реакция на это изменение импульса создает подъемную силу. Но отклонение также означает, что горизонтальная составляющая скорости воздуха немного уменьшается от$v$к$v \cdot cos(a)$. Это небольшое уменьшение горизонтального импульса создает индуктивное сопротивление — сопротивление, вызванное созданием подъемной силы.

В случае полностью пролетной аэродинамической трубы (или, в значительной степени, с эффектом земли) верхняя и нижняя стенки предотвращают нисходящий поток, вызывая перепад давления, который останавливает его. Без изменения направления потока нет потери горизонтального импульса в воздушном потоке и, следовательно, очень мало индуктивного сопротивления. Есть еще некоторая работа, совершаемая над воздухом при его сжатии под крылом и расширении над крылом, но при адиабатическом предположении (близком к истинному) эффект очень мал.

Любой объект, создающий подъемную силу, всегда производит поток вниз. Для достижения подъема объекта в основном направляет воздушный поток вниз. Так что не может быть подъема без нисходящего потока. Концевые вихри также могут быть направлены вниз и в некотором смысле иметь поток вниз. Это, однако, не означает, что не может быть потока вниз без вихрей на законцовках крыла.

Страница НАСА о вихрях на концах крыльев не пытается объяснить модель «от стены до стены»; у них есть много других страниц, которые делают это. (О модели на других страницах обычно говорят, что это модель с «бесконечным размахом крыла», но эффект тот же: нет никакого способа добраться от нижней части крыла до вершины, обходя законцовку крыла.)

Я думаю о вихрях на кончиках крыльев как о дополнительном эффекте, возникающем, когда вы убираете стену (или когда вы уменьшаете размах крыльев с бесконечного до конечного). Формулировка страницы может натолкнуть вас на мысль, что этот эффект — единственное, что люди имеют в виду, когда говорят «нисходящий поток». Но люди также используют термин нисходящий поток, чтобы описать гораздо больший, чем бесконечно малый эффект, который возникает в модели с бесконечным размахом крыльев. Например, см. рисунки в этом ответе или главу, процитированную в этом ответе , где говорится:

Вблизи крыла связанная циркуляция за счет подъемной силы приводит к восходящему потоку перед крылом и нисходящему потоку за крылом, аналогичному потоку, создаваемому двумерным подъемным крылом бесконечного размаха.

Нисходящий поток, связанный с законцовочными вихрями, упоминается как дополнительная составляющая движения воздуха вблизи крыла (включая воздух как перед крылом, так и за ним), отличный от нисходящего потока, упомянутого в цитированном отрывке выше.

В той степени, в которой страница НАСА может позволить вам иметь представления о слове «нисходящий поток», которые противоречат тому, как этот термин используется в другом месте, тогда да, я полагаю, что страница неверна. Я думаю , что эта страница НАСА , которая, насколько я могу судить, описывает схемы циркуляции и вихри в соответствии с моделью бесконечного размаха крыла, делает ошибку, связывая слово «нисходящий поток» (используемое в этом контексте) со страницей о вихрях законцовок крыла. Мне кажется, что это могло бы создать ложное впечатление, что отклонение потока вызвано только вихрями законцовок крыла.

Одно из первых открытий о вихрях, еще до того, как было понято индуктивное сопротивление, заключалось в том, что вихрь не может заканчиваться в жидкости (например, на кончике крыла), но он может заканчиваться на твердой поверхности (например, на дне кофейной чашки, которую вы держите). перемешивание). В аэродинамической трубе связанный вихрь вдоль аэродинамического профиля, который является неотъемлемой частью лифта, просто заканчивается на стенках аэродинамической трубы. Поскольку связанный вихрь заканчивается стенками аэродинамической трубы, замыкающих вихрей нет. А поскольку нет тянущихся вихрей, нет и нисходящего потока.