Verhalten der Tragflächen: Druckverteilung über einem Clark Y-14-Flügel

Quelle: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire

Eine Tragfläche ist ein zweidimensionaler Flügelabschnitt, der kritische Flügelleistungsmerkmale darstellt. Die Druckverteilung und der Hubkoeffizient sind wichtige Parameter, die das Verhalten von Tragflächen charakterisieren. Die Druckverteilung steht in direktem Zusammenhang mit dem aufzug, der durch Tragflächen erzeugt wird. Ein Clark Y-14 Tragblatt, das in dieser Demonstration verwendet wird, hat eine Dicke von 14% und ist auf der unteren Oberfläche von 30% der Akkordlänge nach hinten flach.

Hier zeigen wir, wie die Druckverteilung um ein Tragflächenboot mit einem Windkanal gemessen wird. Ein Clark Y-14 Tragflächenmodell mit 19 Druckanschlüssen wird verwendet, um Druckdaten zu sammeln, die zur Schätzung des Hubkoeffizienten verwendet werden.

Ein Tragflächenflügel entwickelt einen Hub in verschiedenen Angriffswinkeln durch geringere Drucke auf der Oberseite und höhere Drucke auf der unteren Oberfläche in Bezug auf den Druck der herannahenden Luft (Freistromdruck). Wenn die Scherkräfte parallel zur Oberfläche des Tragflächens vernachlässigt werden (in der Regel sind ihre Zuwendungen zum Heben gering), dann ist die Gesamtdruckkraft der Grund für den durch die Tragfläche erzeugten Hub. Abbildung 1 zeigt einen Schaltplan der Druckverteilung über ein Tragflächenboot.

Abbildung 1. Druckverteilung über ein Tragflächenboot.

Der nichtdimensionale Druckkoeffizient C_pfür einen beliebigen Punkt auf der Tragfläche ist definiert wie folgt:

(1)

wobei P der absolute Druck ist, P_- der ungestörte Freistromdruck, P_gage = P - P_- der Gagedruck ist, und ist der dynamische Druck, der auf der Freistromdichte basiert, _-und Fluggeschwindigkeit, V_.

Der nichtdimensionale Hebekoeffizient C_l ist ähnlich definiert:

(2)

wobei L' der Aufzug pro Spanneinheit und c die Akkordlänge des Tragflächenflügels ist.

Bis auf Punkte entlang der Vorderkante zeigen die Druckkräfte gleichmäßig nach oben, in etwa die gleiche Richtung wie der Aufzug. Daher kann bei kleinen Angriffswinkeln der Hubkoeffizient geschätzt werden durch:

(3)

wobei x die horizontale Koordinatenposition mit Ursprung ab der Vorderkante ist.

Die Airfoil-Performance berücksichtigt die Reynolds-Nummer Re, die wie folgt definiert ist:

(4)

wobei der neue Parameter die Dynamikviskosität der Flüssigkeit ist.

Hierbei wird die Gesamtdruckverteilung entlang der Tragfläche mit 19 im Flügel eingebetteten kleinen Rohren gemessen und an einem Druckwandler befestigt. Eine Clark Y-14 Tragfläche ist in Abbildung 2 dargestellt. Es hat eine Dicke von 14% und ist flach auf der unteren Oberfläche von 30% der Akkordlänge nach hinten.

Abbildung 2. Tragflächenprofil eines Clark Y-14 Flügels mit Standorten von Messgerätendruckanschlüssen.

Die Messdrücke werden mit einem Manometer-Panel mit 24 Säulen gemessen, die mit flüssigem Öl gefüllt sind, das mit Wasserzollgradabstufungen gekennzeichnet ist. Die Messdruckmessung wird anhand der folgenden Gleichung bestimmt:

(5)

wobei der Höhenunterschied des Manometers mit Bezug auf den Freistromdruck beih ist, ist _L die Dichte der Flüssigkeit im Manometer und g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft.

Sobald die Druckverteilung erreicht ist, kann der nichtdimensionale Hebekoeffizient C_lnumerisch bestimmt werden, um Gleichung 3 auszuwerten:

(6)

wobei x_i das Inkrement zwischen zwei benachbarten Ports ist.

1. Entfernen Sie die obere Abdeckung des Testabschnitts, um das Clark Y-14-Modell zu installieren (Akkordlänge, c = 3,5 in). Der Testabschnitt sollte 1 ft x 1 ft betragen und der Windkanal sollte in der Lage sein, eine maximale Fluggeschwindigkeit von 140 mph zu halten.
2. Montieren Sie das Aluminium-Modell Clark Y-14 auf dem Plattenspieler im Testbereich, sodass der Port #1 stromaufwärts ausgerichtet ist. Ersetzen Sie die obere Abdeckung. Beachten Sie, dass das Modell sowohl den Boden als auch die Decke des Windkanal-Testabschnitts berührt, so dass sich kein 3D-Fluss um das Tragblatt entwickelt.
3. Schließen Sie die 19 Druckrohre mit der Bezeichnung 1 - 19 an die entsprechenden Anschlüsse des Manometerpanels an. Die Anschlüsse des Clark Y-14-Modells befinden sich wie folgt: Port 1: x/c = 0 (rechts am Vorderrand), Ports 2 und 11: x/c = 5%, Ports 3 und 12: x/c = 10%, Ports 4 und 13: x/c = 20%, Ports 5 und 14: x/c = 30% Ports 6 und 15 : x/c = 40%, Ports 7 und 16: x/c = 50%, Ports 8 und 17: x/c = 60%, Ports 9 und 18: x/c = 70% und Ports 10 und 19: x/c = 80% (Abbildung 2). Das Manometer-Panel sollte 24 Säulen mit farbigem Öl gefüllt und mit Wasser-Zoll-Graduierungen markiert haben.
4. Drehen Sie den Drehteller so, dass der Angriffswinkel 0° beträgt.
5. Führen Sie den Windkanal mit 90 mph und zeichnen Sie alle 19 Druckmessungen auf, indem Sie das Manometer lesen.
6. Wiederholen Sie die Schritte 4 und 5 für Angriffswinkel von 4 und 8°.

Die Ergebnisse der Übungseinheit sind in Tabelle 1 und Tabelle 2dargestellt. Die Daten werden in Abbildung 3dargestellt, die den Druckkoeffizienten C_p, im Vergleich zur Druckport-Koordinate, x/c, für Angriffswinkel bei 0, 4 und 8° anzeigt. Um optisch intuitiver zu sein, werden die negativen C_p-Werte über der horizontalen Achse dargestellt. Dies soll zeigen, dass die obere Fläche (die obere Linie des Diagramms) meist untere Drücke und die untere Fläche (die untere Linie des Diagramms) meist positive Drücke ist.

Ab Abbildung 3 ändert sich der Druck unmittelbar nach der Vorderkante deutlich: Der Druck erreicht seine minimalen (oder maximalen absoluten) Werte bei ca. 5% - 15% Akkordlänge. Dadurch entsteht im ersten Quartal der Akkordlänge des Tragflächenflügels die Hälfte des Aufzugs. Darüber hinaus trägt die obere Oberfläche mehr Auftrieb bei als die untere Oberfläche: In allen 3 Fällen trug die obere Oberfläche zu etwa 70 - 80% des Gesamtauftriebs bei. Daher ist es wichtig, eine saubere und starre Oberfläche auf der Oberseite des Flügels zu halten.

Tabelle 1. Experimentelle Ergebnisse bei Nullwinkel des Angriffs.

Abbildung 3. Druckkoeffizientenverteilung, C_p, vs Positionskoordinate, x/c.

Tabelle 2. Hubkoeffizient, c_l, geschätzt auf der Grundlage der Druckverteilung (Re = 2,34 x 10⁵).

Tabelle 3. Parameter, die für Berechnungen verwendet werden.

Druckverteilungen auf Tragflächen stehen in direktem Zusammenhang mit der Aufzugserzeugung und wichtigen Informationen zur Charakterisierung der Leistung von Tragflächen. Airfoil-Designer manipulieren Druckverteilungen, um die gewünschten Eigenschaften von Tragflächen zu erhalten. Daher sind Druckverteilungsinformationen die Grundlage der Aerodynamikanalyse während der Flugzeugentwicklung.

In diesem Experiment wurde die Druckverteilung von Clark Y-14 in einem Windkanal untersucht und die 19 Druckmessstellen wurden durchgeführt, um die Druckverteilung entlang der oberen und unteren Oberfläche des Tragflächens zu finden. Der Hubkoeffizient wird auch vernünftig aus Dendruckverteilungsdaten berechnet.