Как самолет формирует турбулентность?

Происхождение вихрей

Турбулентность следа легко понять, как только вы знаете, как крыло создает лифт: отклоняя воздух, текущий через него вниз. В этом ответе я использовал упрощение, просто ускоряя вниз весь воздух, проходящий через круг с диаметром, равным размаху крыльев, и оставляя весь остальной воздух незатронутым.

Это помогает понять принцип создания лифта, но, конечно, слишком просто, потому что нисходящее движение воздуха создаст над ним пустоту, и воздух внизу должен освободить место для этой нисходящей движущейся струи. Кроме того, поле давления вокруг крыла также будет влиять на воздух вблизи трубки потока, и, следовательно, воздух снизу будет выталкиваться в сторону уже крылом, а воздух выше начнет течь к области низкого давления над крылом. Это боковое движение станет более выраженным в кормовой части крыла, так что воздух будет непрерывно выдавливаться наружу ниже следа крыла, двигаться вверх слева и справа от него и внутрь над следом. Инерция нисходящего потока заставляет его двигаться вниз в течение нескольких минут, непрерывно вытесняя воздух под ним и всасывая больше воздуха в пространство выше, и это приведет к двум вихрям, закрученным за крылом. Это свертывание следа (см. эскиз ниже, взятый из этого источника ).

Вихри являются лишь следствием нисходящего движения следа, а это, в свою очередь, является следствием создания подъемной силы. Обратите внимание, что ядра вихрей находятся ближе друг к другу, чем размах крыльев! Это само по себе должно дать понять, что они не вызваны воздухом, текущим вокруг законцовок крыла, трудно погасить заблуждение. В таблице ниже приведены расчеты этого расстояния между вихрями.

Таблица также из бумаги Carten 1971 ; обратите внимание на включение проекта Boeing 2707!

Сила вихрей

Если мы снова вернемся к упрощенному приближению streamtube, подъем пропорционален массе воздуха, проходящего через него в единицу времени, умноженной на угол отклонения. Если подъемная сила равна массе самолета (как и должно быть), тяжелый самолет должен либо ускорять больше воздуха (более широкий пролет), либо ускорять воздух больше (более высокий угол отклонения), чем легкий самолет с той же скоростью. Более высокий угол отклонения создаст более мощные вихри. По этой причине тяжелый самолет на низкой скорости и с небольшим размахом крыльев будет производить самые сильные вихри.

Поскольку больше воздуха проходит через трубу потока с более высокой скоростью полета, полет быстрее потребует меньшего отклонения, что делает вихри следа более слабыми. Если самолет поднимается, воздух становится менее плотным с высотой, и меньше массового потока по крылу доступно, таким образом вихри становятся более сильными, если скорость полета не изменяется. Как правило, самолет ускоряется при подъеме, и сила вихря останется прежней, если самолет летит при постоянном динамическом давлении.

Вихрей можно избежать тремя способами:

1. Бесконечный размах крыла (что означает бесконечный массовый поток, поэтому для любого подъема не требуется отклонение)
2. Бесконечная скорость (опять же, дает бесконечный массовый поток)
3. Нет веса самолета. Полет параболы с нулевой гравитацией действительно почти не вызывает турбулентности.

Конец вихрей

Инерция будет держать след, движущийся вниз, и вихри вращаются, но трение позволит этим движениям воздуха затихнуть в течение нескольких минут. Если самолет летит высоко, след рассеивается задолго до того, как он коснется земли. След низколетящего самолета, однако, действительно ударяется о землю и отклоняется. Вихревая труба теперь действует как колесо и начинает двигаться наружу, и если есть достаточный встречный ветер, наветренный вихрь может быть остановлен, как на правом рисунке ниже (также из отчета Carten).

Фотографическое доказательство

Есть слишком много красивых фотографий вокруг вихрей пробуждения, чтобы не включать некоторые, поэтому я добавлю несколько здесь:

Вы можете видеть, что внешние следы двигателей этого Boeing 747 обернуты вокруг следов внутренних двигателей. Это показывает, как воздух толкается вниз вслед за крылом и что центры вихрей немного внутри внешних двигателей.

Следы конденсации, возникающие на концах крылышек этого A340, движутся внутрь и вверх, снова показывая, что вихрь не возникает из концов, а образуется позади крыла и с расстоянием между двумя вихревыми ядрами существенно меньше размаха крыла.

Эти две фотографии показывают, как ливень следа прорезает борозду в облаках.

MD-11 в сырой день, закрылки установлены для посадки. Во-первых, он показывает, насколько незначителен вихрь наконечника по сравнению с завихренностью, пролитой на концах закрылков, и два он показывает, как вихрь наконечника движется внутрь и начинает всасываться в вихрь следа. Обратите внимание также на кончик вихря из хвоста!

Это так же просто, как» наконечник » вихрей, но это неправильное название.

Вихри крыла на самом деле не вызваны «кончиками». Им присущ эффект создания подъемной силы над конечным размахом крыльев. Чтобы создать подъемную силу (силу на самолете), самолет применяет силу к окружающему воздуху (по третьему закону Ньютона). Поскольку воздух свободен для движения, эта сила ускоряет его (согласно второму закону Ньютона) вниз. Благодаря тому, как работают жидкости, сила воздействует на воздух как выше, так и ниже крыла (на высоту, сравнимую с размахом крыльев), но не в стороны.

Поэтому непосредственно за самолетом находится воздух, который движется вниз, а по бокам-воздух, который остается неподвижным. А это вихри крыльев. См. также John S. Denker: how It Flies, раздел 3.14 .

Есть небольшой восходящий поток только вне законцовок крыла, вызванных поперечным потоком вокруг наконечника крыла, но это только способствует крошечной части (самое большее несколько процентов) циркуляции и связанного сопротивления. Существует также некоторая турбулентность, вызванная простым перемещением по воздуху с достаточной скоростью, но это также сравнительно незначительно.

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

Если самолет летит быстрее, он влияет на большее количество воздуха в единицу времени, поэтому его достаточно, чтобы ускорить его до более низкой скорости. Поэтому турбулентность за медленно летящим самолетом (например, во время взлета или посадки) сильнее.

Если самолет летит выше, воздух менее плотный (имеет меньшую массу на единицу объема), поэтому его нужно ускорить до более высокой скорости. Поэтому турбулентность за самолетом, летящим выше, сильнее. К счастью, при полете высокие самолеты также летают быстро.

Чтобы понять, как образуются вихри на кончиках крыльев и как это приводит к турбулентности, мы должны сначала понять, как крылья самолета создают подъемную силу.

Подъем из-за перепада давления

Эта форма подъема работает согласно принципу Bernoulli; основная идея что быстро двигая воздух создает низкое давление . Это-то, где структура крыла становится важной.

Верхняя поверхность крыла слегка изогнута, чтобы увеличить расстояние перемещения до достижения задней кромки. Чтобы не отставать от молекул воздуха прямо под крылом, они увеличивают скорость. Низкое давление должным образом формируется прямо над крылом, и поэтому относительно высокое давление под крыльями толкает крыло (и поэтому весь самолет) вверх . Это можно четко понять с помощью изображения:

Вихри законцовки крыла

Подъемная сила крыла в основном создается перепадом давления между нижней и верхней поверхностями крыла. Молекулы воздуха под ним уже находятся под давлением, и те, кто находится близко к кончику крыла, выходят вокруг крыла и пробиваются наружу, вверх и внутрь, создавая вихри на кончике крыла.

Крыло позволяет на многих современных авиалайнерах также служить цели некоторого предотвращения образования вихрей кончика крыла, не позволяя молекулам воздуха спираль в, после выхода из-под крыла.

спутный

Турбулентность следа-волнение в атмосфере, которая формируется позади самолета, поскольку это проходит через воздух. Он включает в себя различные компоненты, наиболее важными из которых являются вихри законцовки крыла и струйная промывка.

Таким образом, турбулентность следа-это не что иное, как атмосферное возмущение, вызванное вихрями на кончике крыла и, в меньшей степени, выхлопом реактивного двигателя.

EDIT: удален раздел, разрабатывающий ударный подъем, так как такой вещи не существует-любезно предоставлено Peter Kämpf