FPVwing

Анализ модели стреловидного ЛК в XFLR5.

Часть 4. Распределение подъемной силы.

В предидущей части мы анализировали графики характеризующие поведение модели от переменных изменяющихся в полете, в частности скорости. Есть еще один способ анализа модели по результатам расчета XFLR5.

Каждая точка отображаемая на графиках поляр модели содержит не одно числовое значение, а набор данных включающий все рассчитанные программой величины. Этот набор называется Operating point.

Более того, в Operating point хранятся не только скалярные величины отдельных характеристик модели, а набор данных распределенных по всем единичным панелям разбиения VLM метода, по всей площади крыла.
XFLR5 позволяет нам использовать эти данные для интересного и довольно «фундаментального» исследования по аэродинамике.

Например, если мы посмотрим на набор кривых описывающих распределение коэффициента подъемной силы вдоль размаха крыла, мы сможем определить какой участок крыла «нагружен» сильнее и где начнется срыв потока.

Этот вид анализа выполняется в режиме программы Operating Point View. Если у нас только одна модель в программе то нам достаточно выключить Show Current Opp Only и включить все Operating Point режимом Show All Operating Point.

Если отображение графика Cl не включено, выберем его через контекстное меню. По изменению графика с ростом угла атаки видно увеличение и перераспределение коэффициента подъемной силы ближе к концу крыла. В случае отсутствия крутки этот эффект еще заметнее и срыв при этом происходит намного раньше.



На начало срыва потока XFLR5 указывает логе расчета поляры модели, когда на больших углах атаки в появляется сообщение подобное такому:
Span pos = -608.83 mm, Re = 92 552, Cl = 1.00 could not be interpolated
Это означает, что программа не может рассчитать очередную Operating point, косвенно показывая, что приближается срыв потока. Из этой строчки мы можем определить место на крыле где начинается срыв и при каком числе Re это происходит. Это может дать нам подсказку как исправить ситуацию и отодвинуть срыв на большие углы атаки.

Еще один набор графиков которые полезно рассмотреть – это графики распределения локальной подъемной силы, Lift.



Для сравнения, полученного на нашей модели распределения, с «идеальным» эллиптическим распределением включим через контекстное меню его отображение - Show Elliptic Loading. Как видим распределение у нашей модели не идеальное - есть возможность увеличения качества модели за счет получения лучшего распределения.

Часть 5. Анализ устойчивости по тангажу.

Устойчивость по тангажу, можно определить как способность ЛА сохранять свое положение, не отклоняясь от устойчивого положения (не поднимая нос вверх и не опуская его вниз), под воздействием возмущающих внешних сил.

Для получения графика характеризующего устойчивость, вернемся в режим Polar View.
Выберем из контекстного меню Graph -> Variables, переменную GCm для оси Y и Alpha для оси X.



Линия на этом графике должна иметь отрицательный наклон, это означает, что модель устойчива – увеличение угла атаки создает пикирующий момент (модель опускает нос), уменьшение угла атаки создает кабрирующий момент (модель поднимает нос).

Кривая проходит через ось X в точке 2,6 град. угла атаки Alpha, что говорит нам об устойчивом положении модели с этим углом атаки.

Если кривая будет наклонена с возрастанием момента при увеличении угла атаки, модель будет неустойчивой – увеличение Alpha будет приводить к увеличению кабрирующего момента.

Горизонтальная кривая, говорит о нейтральной устойчивости модели.
Кривые на Рис. сделаны при различном положении ЦТ. Когда мы сдвигаем ЦТ назад устойчивость модели уменьшается.





В соответствии с этими графиками, в нашей тестовой модели фокус модели находится в точке расположенной в 232 мм от передней кромки крыла. ЦТ находится в 16мм впереди, что создает величину запаса устойчивости 8% САХ. Оптимальным для стреловидных ЛК, считается запас устойчивости от 1 до 5 процентов средней аэродинамической хорды.

Результаты расчета в WinLaengs4 незначительно отличаются (различие в расчете расположения фокуса , два миллиметра).

Часть 6. Управляющие поверхности.

В XFLR5 мы можем добавить нашей модели управляющие поверхности. Для модели обычной схемы анализ закрылков или флапернов может быть интересен для определения характеристик модели с измененной кривизной профиля, при отклонении флаперонов вниз или вверх.

В нашем случае мы рассмотрим необходимые отклонения элевонов в качестве РВ для балансировки, при настройке на различные полетные режимы и изменение характеристик ЛК с отклоненными элевонами.

Сначала необходимо добавить управляющие поверхности в профиль. Возвращаемся к началу и выбираем из меню Application -> Foil Direct Design.
Из контекстного меню выбираем Set Flap и выбираем: T.E. Flap, -1,5град., 75%.

Выполняем расчет семейства поляр для нового профиля, как мы делали это для основного профиля.

По окончании расчета мы увидим отображение всех поляр. Их можно убрать: View -> Polars -> Hide all polars.

Теперь включим отображение только двух поляр, для сравнения, выбрав нужный профиль и нужное число Re из списка вверху и поставив «чекер» Show Curve в панели справа внизу.
На графиках видна существенная разница по сравнению с профилем без отклонения управляющей поверхности.

Основное изменение в графиках это балансировочный положительный момент Cm, который появляется при отклонении элевона вверх, на графике Cm от Alpha.
Но кроме полезного балансировочного изменения момента произошли и нежелательные изменения в характеристиках профиля. Уменьшился коэффициент подъемной силы Cl и увеличился коэффициент сопротивления Cd, в результате уменьшилось соотношение Cl/Cd – качество модели.

Посмотрим как это отразится на поведении модели, переходим в Application -> Wing Design.
Создадим копию нашей модели: Wing/Plane -> Current Wing/Plane -> Duplicate.
Назовем ее: wing_1800MH64_up, и внесем в нее изменения как на рисунке.





Создадим для новой модели поляру для анализа: Polars -> Define Polar Analisis, с такими же параметрами как и для основной модели.
Запустим расчет поляры кнопкой – Analize.

На полученных графиках GCm от Alpha, видим, что модель теперь настроена стабильный полет при скорости 11 м/сек, приблизительно с углом атаки 6 град.



Но изменения затронули не только балансировку. На графике качества видно, что максимальное качество уменьшилось. Минимальная скорость снижения Vz почти не изменилась. Увеличилось сопротивление модели Drag на малых углах атаки.

Можно сделать вывод, что использовать отклонение элевонов для настройки ЛК на основную «рабочую» скорость нежелательно, такая настройка должна быть сделана при проектировании выбором профиля с положительным моментом и выбором необходимой крутки.


Для примера график с использованием профиля PW75. Без отклонения элевонов модель сбалансирована на скорость 12м/сек.



Часть 7. Винглеты.
Проведем с помощью XFLR5 анализ использования винглетов на стреловидном ЛК, чтобы определить какой вклад они вносят в сопротивление модели.
Размеры винглетов выбираем минимальными для получения максимального качества модели.





После добавления винглетов в Wing/Plane -> Current Wing/Plane -> Edit Fin ->Double Fin, произведем расчет поляры измененной модели.
На графике качества Cl/Cd от Vx видно небольшое увеличение качества на больших углах атаки и уменьшение качества на малых углах атаки.
Действие винглет, аналогично небольшому увеличению размаха и площади крыла. Загрузка небольшим количеством балласта -  увеличение веса модели, в нашем случае на 70 грамм, и модель «летит» так же как и без винглет.

В статье была рассмотрена только небольшая часть из возможностей которые дает программа, при правильном использовании.