Приветствую Вас Гость | RSS

FPVwing

Воскресенье, 23.07.2017, 09:33
Главная » Статьи » Аэродинамика летающих крыльев

Профили для ЛК.

Профили для ЛК.  

Martin Hepperle.  Автор серии профилей MH, программы для разработки профилей JavaFoil.

http://www.mh-aerotools.de/airfoils/index.htm

В принципе , модели бесхвосток и ЛК могут иметь любой профиль. Но если качество модели имеет значение, как в случае модели для соревнований, профиль должен быть тщательно подобран.

На ЛК возможно использование профилей для F3B моделей, если момент профиля компенсирован соответствующей комбинацией стреловидности и крутки. Однако излишняя стреловидность и крутка обычно уменьшают эффективность (качество) модели. Потери в эффективности могут быть минимизированы выбором профиля с коэффициентом Cm близким к нулю.

В начале 1980 годов, когда команда LOGO присоединилась ко мне в поиске новых профилей, нами были использованы различные профили на бесхвостых моделях планеров.

При хорошем качестве, модели имели проблемы с затяжкой леером и не очень хорошую управляемость. Это было вызвано малым Clmax и срывным характером профилей. Поскольку высота старта на леере очень важна, бесхвостые модели сильно отставали, из за этих двух характеристик использованных профилей.

Типичный асимметричный срыв (с одной консоли) приводил к полной потере управления с быстрым спиральным вращением модели на леере, которое заканчивалось с «катастрофическими» последствиями для модели.

Основными целями при создании серии профилей MH60 MH40 были:

-          Малое сопротивление по сравнению с F3B профилями;

-          Малый коэффициент момента Cm;

-          Улучшение Clmax, по сравнению с другими профилями имеющими малый Cm.

Эти профили были опубликованы в 1988 году и широко использовались:

MH60  10%

MH61  10,28%

MH62   9,3%

MH64   8,61%

Следующие профили не планировались к публикации, но как то вышли за пределы моей лаборатории. Все они довольно хорошо работают, даже на Re  ниже 200000.

MH44  9,66%

MH45  9.85%

MH46   11,39%

MH49   10,5%

Создание и выбор профиля.

Типы моделей ЛК и коэффициент Cm.

Вместе с коэффициентами подъемной силы и сопротивления, Cl и Cd, коэффициент момента Cm, так же имеет большое значение, особенно для ЛК, так как существенно влияет на продольную устойчивость модели.

ЛА обычной схемы могут компенсировать момент создаваемый крылом при помощи горизонтального оперения. На бесхвостых ЛА, по понятной причине, этого сделать нельзя.

Бесхвостые ЛА можно разделить на три группы в зависимости от способа получения продольной устойчивости.

-          ЛК без стреловидности – прямые крылья. Продольная устойчивость достигается передним расположением ЦТ и балансировочным моментом профиля.

-          Стреловидные ЛК. На стреловидных ЛК возможно использовать любой профиль, т.к. стабильность может быть достигнута соответствующей комбинацией стреловидности и крутки. Но для получения хороших результатов подходят профили с малым Cm.  Такие профили требуют меньшей величины крутки, что увеличивает скоростной диапазон без дополнительных балансировочных потерь.

-          ЛК с низким расположением ЦТ (параплан). Cm менее важен, возможно использование традиционных профилей с отрицательным Cm. Обычно используют профили со средней величиной Cm т.к. они имеют меньшее сопротивление и  более широкий диапазон скоростей.

Коэффициент Cm и форма профиля.

Форму профиля можно представить как комбинацию формы средней линии и распределение толщины вдоль средней линии профиля. Требования для перечисленных трех классов ЛК, можно перевести в соответствующую форму профиля и крутку крыла.

Единственный способ получить  положительный коэффициент момента Cm и требуемую величину подъемной силы – использовать S-образную форму средней линии профиля.

-          ЛК без стреловидности. Требуемый положительный момент  Cm, приводит к необходимости наличия S- образности средней линии у подходящих, для данного класса ЛК, профилей.

-          Стреловидные ЛК. Малый Cm и малая требуемая крутка, могут быть получены при использовании профилей с малой кривизной (вогнутостью) средней линии и нейтральной или слегка S-образной формой.

-          Параплан. Нет строгого ограничения на форму профиля.

 

Профили с большой S-образностью обычно не используются на  ЛА обычной схемы – они «уникальны» в использованиии только на бесхвостках.

С аэродинамической точки зрения S-образные профили сложны в дизайне и модификации, в частности, и потому, что они очень чувствительны по отношению к числам Re.

S- образность   и коэффициент Cm.

Мы уже знаем, что Cm и форма средней линии профиля тесно связаны. Если мы посмотрим на   S- образную среднюю линию более внимательно, мы увидим, что форма задней части средней линии очень сильно влияет на коэффициент Cm.

Фактически - отклоняя заднюю кромку профиля, мы можем получить практически любой желаемый коэффициент Cm.

Рис. Внизу показывает, как можно управлять значением Cm: используя отклонение задней части профиля. Задняя часть профиля отклоняется вверх на 5 и 10 градусов и в результате Cm следует за этим изменением.

С помощью этого трюка, проблема кажется решенной. Мы просто отгибаем заднюю кромку профиля, пока не получим нужный балансировочный момент у нашего ЛК и все…

Но мы обычно предпочитаем ЛА, который не только сбалансирован (настроен на нужную скорость полета), но  так же имеет высокое качество и малое сопротивление, и вот здесь то и начинаются проблемы.

S-образность и коэффициенты подъемной силы и сопротивления Cl и Cd.

Форма и расположение кривой Cl от Cd, это ключ к эффективности (качеству) ЛА.

Рис. Показывает, как Cl Cd кривая изменяется в зависимости от формы средней линии профиля (степени S-образности).


Теперь у нас появляется новая проблема: с добавлением S-образности средней линии профиля для получения положительного коэффициента Cm, мы сдвигаем Cl Cd «поляру» вниз. Это означает, что мы уменьшаем подъемную силу и что еще хуже мы уменьшаем Clmax. А это ведет к увеличению скорости срыва, что нам совершенно не нужно.

Конечно, профессионалы в аэродинамике знают, что делать, в данном случае, при создании профиля. Необходимо увеличение кривизны средней линии. Это увеличит подъемную силу и немного уменьшит коэффициент момента Cm.

 

 

Положение точки максимальной кривизны средней линии и коэффициент Cm.

К счастью, у нас еще есть один параметр профиля для компенсации дестабилизирующего эффекта увеличенной кривизны средней линии – место расположения максимальной кривизны.

Место расположения максимальной кривизны средней линии имеет небольшое влияние на  Cl Cd, но очень сильное влияние на коэффициент Cm.

На Рис. Показано семейство профилей с разным положением максимальной кривизны среденей линии Xc/c  и графики коэффициента Cm.


Как мы видим, сдвиг Xc/c назад. Так же уменьшает Cm (сдвигает график вниз), к отрицательным значениям.

Поэтому разумным будет иметь координаты Xc/c расположенной в первой четверти хорды 0-25%, если мы хотим компенсировать потерю подъемной силы от использования S-образности средней линии.

Сложность проектирования – выбора профиля с малым коэффициентом Cm.

Мы уже узнали, что несколько параметров, профиля связаны вместе, и влияют на дизайн-выбор профиля с малым коэффициентом Cm и большим коэффициентом подъемной силы.

Но мы еще не поговорили о дополнительных проблемах, связанных с поведением пограничного слоя.


Рис. И список показывают связь наиболее важных параметров.

- Смещение максимальной кривизны средней линии назад.

Плюс - более положительный Cm

Минус- большее влияние на пограничный слой у носка профиля – пик давления.

- Увеличение кривизны (вогнутости) средней линии.

Плюс- большее Cl (график Cl Cd сдвигается в сторону положительных значений.

Плюс – Clmax больше.

Минус- более отрицательный коэффициент Cm.

Минус- большее влияние на пограничный слой.

- Увеличение S-образности.

Плюс- более положительный  коэффициент Cm.

Минус- меньше подъемной силы.

Минус- Clmax уменьшается.

Распределение скорости обтекания профиля.

Чтобы «пролить» больше света на проблему влияния S-образности профиля на пограничный слой, посмотрим на распределение скорости потока обтекании профиля.

Рис. Показывает распределение  четырех разных профилей с разными комбинациями S-образности и вогнутости средней линии профиля.


В общем распределение по верхней поверхности профиля имеет максимальную скорость в передней трети профиля, и постепенное уменьшение к задней кромке.

В зависимости от Re, слишком большой наклон линии скорости (которая по уравнению Бернулли показывает подъем давления) и слишком быстрый подъем давления не желателен. Когда подъем давления слишком резок, поток отделяется, формируя «ламинарный пузырь», что резко ухудшает эффективность профиля.

Распределение по нижней поверхности создает меньше проблем, с  отделением потока вблизи задней кромки профиля.

Уникальной особенностью профилей с S-образной средней линией является пересечение графика распределения скорости на второй половине хорды. Увеличение рефлекса – S-образности, увеличивает локальную скорость потока на нижней поверхности и уменьшает скорость на верхней поверхности. Результатом наличия замкнутой области на графике распределения скорости является положительный коэффициент момента Cm.

Увеличение вогнутости в передней части профиля увеличивает локальную скорость на верхней поверхности и уменьшает скорость на нижней поверхности. Слишком большая кривизна средней линии в передней части профиля может приводить к ухудшению эффективности профиля, т.к. должна компенсироваться большим отклонением задней кромки вверх. Все вместе это создает сильный стресс для пограничного слоя и приводит к раннему срыву, что может быть опасно на взлете и посадке.

Выводы

В зависимости от типа басхвостого ЛА, обеспечение устойчивости ведет к различным критериям выбора профиля. Для большинства бесхвостых ЛА, профиль с малым коэффициентом Cm позволяет достичь лучших результатов.

Малый коэффициент Cm и большой коэффициент подъемной силы Cl могут быть получены использованием профиля с S- образностью, но получаемое распределение скорости (давления)на малых Re может в результате вызывать проблемы со срывным характером профиля.

Лучшим компромиссом может быть профиль со средней величиной S-образности, в комбинации с вогнутостью сдвинутой в переднюю часть профиля и тупым носком профиля.

Относительно срывных характеристик, профиль играет важную роль, но только в комплексе с распределением подъемной силы по размаху, формой в плане и распределением крутки.

Стреловидные ЛК с сужением имеют распределение с сдвигом к концам крыла, что создает склонность к концевому срыву, если не используется дополнительная крутка крыла.

Категория: Аэродинамика летающих крыльев | Добавил: GreenGo (06.01.2012)
Просмотров: 5158 | Рейтинг: 4.0/1
Всего комментариев: 0