Как самолет формирует турбулентность в следе?

Происхождение вихрей

Турбулентность в следе легко понять, если вы знаете, как крыло создает подъемную силу: отклоняя проходящий через него воздух вниз. В этом ответе я использовал упрощение, просто ускоряя вниз весь воздух, проходящий через круг диаметром, равным размаху крыльев, и оставляя весь остальной воздух незатронутым.

Это помогает понять принцип создания подъемной силы, но, конечно, слишком просто, потому что движение воздуха вниз создаст над ним пустоту, а воздух внизу должен занять место для этой движущейся вниз трубы потока. Кроме того, поле давления вокруг крыла будет воздействовать и на воздух в районе трубы тока, вследствие чего воздух снизу будет отталкиваться вбок уже крылом, а воздух сверху начнет течь в сторону области низкого давления над крыло. Это боковое движение станет более выраженным за крылом, так что воздух будет постоянно выталкиваться наружу под следом крыла, двигаться вверх влево и вправо от него и внутрь над следом. Инерция потока вниз заставляет его двигаться вниз в течение нескольких минут, непрерывно вытесняя воздух под собой и всасывая больше воздуха в пространство над ним, и это приведет к тому, что за крылом закрутятся два вихря. Это свертывание следа (см. рисунок ниже, взятый изэтот источник ).

Вихри являются лишь следствием нисходящего движения следа, а это, в свою очередь, является следствием создания подъемной силы. Обратите внимание, ядра вихрей ближе друг к другу, чем размах крыльев! Это само по себе должно прояснить, что они не вызваны воздушным обтеканием законцовок крыльев, что трудно опровергнуть. В таблице ниже приведены расчеты расстояния между этими вихрями.

Таблица также взята из статьи Картена 1971 года ; обратите внимание на включение проекта Boeing 2707!

Сила вихрей

Если мы снова вернемся к упрощенному приближению трубы потока, подъемная сила пропорциональна массе воздуха, протекающего через нее в единицу времени, умноженной на угол отклонения. Если подъемная сила равна массе самолета (как и должно быть), тяжелый самолет должен либо больше разгонять воздух (более широкий размах), либо больше разгонять воздух (больший угол отклонения), чем легкий самолет на той же скорости. Больший угол отклонения создаст более мощные вихри. По этой причине тяжелый самолет на малой скорости и с малым размахом крыльев будет создавать самые сильные вихри.

Поскольку при более высокой скорости полета через трубку потока проходит больше воздуха, для более быстрого полета потребуется меньшее отклонение, что сделает вихревые следы слабее. Если самолет набирает высоту, воздух с высотой становится менее плотным, и поток массы на крыло становится меньше, поэтому вихри становятся сильнее, если скорость полета не меняется. Обычно самолет ускоряется при наборе высоты, и сила вихря остается неизменной, если самолет летит с постоянным динамическим давлением.

Вихрей можно избежать тремя способами:

1. Бесконечный размах крыла (что означает бесконечный массовый поток, поэтому для подъемной силы не требуется отклонение)
2. Бесконечная скорость (опять же, дает бесконечный массовый расход)
3. Нет веса самолета. Полет по параболе с невесомостью действительно почти не вызывает турбулентности в следе.

Конец вихрей

Инерция будет поддерживать движение следа вниз и вращение вихрей, но трение позволит этим движениям воздуха затихнуть в течение нескольких минут. Если самолет летит высоко, след рассеивается задолго до того, как он упадет на землю. Однако след низколетящего самолета ударяется о землю и отклоняется. Вихревая труба теперь действует как колесо и начинает двигаться наружу, и при достаточном боковом ветре наветренный вихрь может быть остановлен, как показано на правом рисунке ниже (также из отчета Картена).

Фотодоказательства

Вокруг вихревых следов слишком много красивых картинок, чтобы не включить некоторые из них, поэтому я добавлю несколько здесь:

Вы можете видеть, что внешние инверсионные следы двигателей этого Боинга 747 обвивают инверсионные следы внутренних двигателей. Это показывает, как воздух выталкивается вниз вслед за крылом и что центры вихрей находятся немного внутри внешних двигателей.

Следы конденсации, возникающие на законцовках крылышек этого А340, движутся внутрь и вверх, снова показывая, что вихрь возникает не из законцовок, а формируется за крылом и с расстоянием между двумя ядрами вихрей, существенно меньшим размаха крыла.

Эти две фотографии показывают, как нисходящий поток прорезает борозду в облаках.

KLM MD-11 во влажный день, закрылки готовы к посадке ( источник © Erwin van Dijck). Во-первых, он показывает, насколько незначителен концевой вихрь по сравнению с завихренностью, сбрасываемой на законцовках закрылков, а во-вторых, он показывает, как концевой вихрь движется внутрь и начинает втягиваться в вихревой след. Обратите также внимание на вихри кончика хвоста!

Это так же просто, как «концевые» вихри, но это неправильное название.

Вихри на крыльях на самом деле не вызваны «кончиками». Им присущ эффект создания подъемной силы при конечном размахе крыла. Чтобы создать подъемную силу (силу на самолете), самолет прикладывает силу к окружающему воздуху (по третьему закону Ньютона). Поскольку воздух может двигаться свободно, эта сила ускоряет его (согласно второму закону Ньютона) вниз. Из-за того, как работают жидкости, сила действует на воздух как над, так и под крылом (на высоту, сравнимую с размахом крыла), но не по бокам.

Таким образом, прямо за плоскостью у нас есть воздух, который движется вниз, а по бокам воздух остается неподвижным. А это крыловые вихри. См. также John S. Denker: How It Flys , раздел 3.14 .

Сразу за законцовками крыла наблюдается небольшой восходящий поток, вызванный поперечным потоком вокруг законцовки крыла, но он вносит лишь небольшую долю (максимум пару процентов) в циркуляцию и связанное с ней сопротивление. Существует также некоторая турбулентность, вызванная простым движением по воздуху с достаточной скоростью, но она также сравнительно незначительна.

Инерция, которую самолет должен передать воздуху в единицу времени, пропорциональна весу самолета. Поэтому турбулентность позади более тяжелых самолетов сильнее.

Если самолет летит быстрее, он воздействует на большее количество воздуха в единицу времени, поэтому достаточно разогнать его до меньшей скорости. Поэтому турбулентность позади медленно летящего самолета (например, во время взлета или посадки) сильнее.

Если самолет летит выше, воздух менее плотный (имеет меньшую массу на единицу объема), поэтому его необходимо разогнать до более высокой скорости. Поэтому турбулентность позади самолетов, летящих выше, сильнее. К счастью, при полете на высоте самолеты тоже летают быстро.

Чтобы понять, как образуются вихри на законцовках крыльев и как они приводят к турбулентности в следе, мы должны сначала понять, как крылья самолета создают подъемную силу.

Подъем из-за перепада давления

Эта форма лифта работает в соответствии с принципом Бернулли ; Основная идея заключается в том, что быстро движущийся воздух создает низкое давление . Здесь важна структура крыла.

Благодаря форме аэродинамического профиля прямо над крылом образуется низкое давление, а под аэродинамическим профилем высокое давление толкает крыло (и, следовательно, весь самолет) вверх. Это можно ясно понять с помощью изображения:

Вихри на законцовках крыла

Подъемная сила крыла в основном создается перепадом давления между нижней и верхней поверхностями крыла. Молекулы воздуха под ними уже находятся под давлением, а те, что находятся ближе к кончикам крыльев, убегают вокруг крыла и пробиваются наружу, вверх и внутрь, создавая вихри на кончиках крыльев.

Крылышки на многих современных авиалайнерах также служат для предотвращения образования вихрей на законцовках крыла, не позволяя молекулам воздуха закручиваться по спирали после выхода из-под крыла.

Кильватерная турбулентность

Турбулентность в следе — это возмущение атмосферы, которое образуется позади самолета, когда он проходит через воздух. Он включает в себя различные компоненты, наиболее важными из которых являются вихри на законцовках крыла и реактивная струя.

Таким образом, турбулентность в следе — это не что иное, как возмущение атмосферы, вызванное вихрями на законцовках крыла и, в меньшей степени, выхлопом реактивного двигателя.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Удален раздел, посвященный Impact Lift, поскольку такой вещи не существует - любезно предоставлено Peter Kämpf .