Что такое вихревой подъем?

Вихревая подъемная сила - это метод, с помощью которого крылья с большой стреловидностью (например, треугольные крылья) создают подъемную силу при больших углах атаки.

В случае крыльев с острыми, сильно стреловидными передними кромками, такими как треугольные крылья, явление отрывного вихря передней кромки возникает на дозвуковых скоростях. Однако отрыв не разрушает подъемную силу, как в случае с крыльями малой стреловидности; вместо этого он образует два вихря, которые (почти) параллельны краям крыла.

Вихри над треугольным крылом с углом стреловидности 70°, Отрыв в трехмерном стационарном течении , ONERA

В случае Concorde вихри выглядят так:

Вихри над крылом Concorde, Разделение в трехмерном стационарном потоке , ONERA

Сечение вихрей выглядит так:

Поток над крылом «Конкорд», разделение в трехмерном стационарном потоке , ONERA

В отличие от (связанного) вихря обычного крыла, они реальны в том смысле, что представляют реальную массу воздуха, вращающуюся с большей скоростью по сравнению с воздухом перед крылом.

Вихри образуют «вихревые листы» вдоль крыла. Воздух всасывается в вихревые листы и ускоряется вниз. Поскольку скорость воздуха в вихре высока, давление низкое. Это низкое давление на верхнюю поверхность создает подъемную силу.

Из Крылья с малым удлинением при больших углах атаки на adg.stanford.edu:

... вихри передней кромки нелинейно увеличивают подъемную силу крыла. Вихрь можно рассматривать как снижающий давление на верхней поверхности за счет увеличения скорости на верхней поверхности.

Источник : adg.stanford.edu

В основном вихри увеличивают подъемную силу по сравнению с базовыми (потенциальными потоками) значениями, при этом дополнительная сила равна потере подсоса передней кромки, связанной с отрывным потоком при больших углах атаки крыла большой стреловидности. Эта аналогия дает тот же результат, что и раньше.

Концепция вихревой подъемной силы треугольных крыльев с острой кромкой, основанная на аналогии всасывания передней кромки , Эдвард С. Полхэмус, Техническая записка НАСА D-3767.

Основным преимуществом создания вихревой подъемной силы является то, что она эффективна при больших углах атаки, при которых крылья обычно глохнут. Собственно, использование Конкордом такого метода создания подъемной силы и является причиной высокого угла атаки при посадке и его опущенной носовой части.

Источник : http://soliton.ae.gatech.edu

Следует отметить, что генерация вихревой подъемной силы происходит при больших углах атаки или в случае, если крылья предназначены для создания отрывного потока (с острыми краями, как у Конкорда) в нормальных условиях. В противном случае создание подъемной силы осуществляется обычными средствами.

Тот же механизм отвечает за создание подъемной силы в:

• страйки

  

  Фотография ВМС США, сделанная специалистом по массовым коммуникациям 2-го класса Джеймсом Р. Эвансом [общественное достояние], с Wikimedia Commons

• китайцы

  

  Изображение из статьи «Влияние вертикального оперения и геометрии воздухозаборника/хода на устойчивость конфигурации истребителя с ромбовидным крылом », автор Митчелл Э. Фоссум и др., доступ через http://enu.kz/

• Утки

  

  Источник : forum.keypublishing.com

Что это

Вихревой подъем требует двух условий:

• Высокая стреловидность по передней кромке (в идеале 60° и выше)
• Большой угол атаки, чем больше стреловидность, тем меньше угол, при котором становится эффективной вихревая подъемная сила.

Вихревой подъем вызван отрывом потока на передней кромке. Хотя это указывает на сильное срывное движение на крыльях без стреловидности, отрывной поток вдоль сильно стреловидной кромки свернется и создаст конический устойчивый вихрь. Скорости из-за этого винтового движения воздуха вызывают падение давления воздуха над крылом, что обеспечивает всасывание, создающее подъемную силу.

При дальнейшем увеличении угла атаки вихрь становится неустойчивым и лопается. Если это происходит, когда он еще находится над крылом, самолет становится неустойчивым - разрыв вихря представляет собой высокодинамичный процесс, приводящий к ударам и неустойчивому, самоусиливающемуся движению по крену.

Где еще используется вихревой подъемник?

Вихревая подъемная сила полезна, когда необходима подъемная сила при больших углах атаки или боковом скольжении. Помимо треугольных крыльев , он используется в:

• Полосы или удлинения передней кромки перед крылом
• Полосы или скругления перед вертикальным хвостовым оперением
• сильно стреловидные утки или плавники

Красивые картинки

Изображение моделирования CFD на F-18, взято с этой страницы Aerospaceweb .

Серые ленты показывают, как поток закручивается за переднюю кромку ребра и остается вблизи верхней поверхности крыла.

Визуализация потока на треугольном крыле ( источник изображения ). Эта фотография была сделана в водном туннеле, и в переднюю кромку были введены красители, чтобы сделать линии тока видимыми.