Влияние стреловидности крыла на его аэродинамические характеристики

Рассмотрим теперь, как на аэродинамические характеристики самолета влияет стреловидность крыла.

В современной гражданской авиации наибольшее применение находят трапециевидные крылья - прямые и стреловидные.

Если угол стреловидности по передней кромке от 5 до 15 градусов, то трапециевидное крыло считается прямым. А если угол стреловидности которых по передней кромке превышает 15 градусов, то крыло называют стреловидным.

Обтекание стреловидного полукрыла бесконечного размаха можно в первом приближении сравнить с обтеканием крыла воздушным потоком, набегающим под углом скольжения равным углу стреловидности. Наличие такого сложного обтекания стреловидного крыла приводит к тому, аэродинамические нагрузки по разному распределяются по размаху крыла. В результате при одном и том же угле атаки концевые сечения оказываются более нагруженные, чем корневые.

Такое различие в распределении давления по размаху крыла приводит к тому, что срыв потока начинается в различных частях крыла:

-      на прямом крыле в корневых сечениях;

-      а на стреловидном – в концевых сечениях крыла.

Срыв потока на стреловидном крыле начинается на меньших углах атаки, чем на прямом, но с увеличением угла атаки распространяется более медленно, чем на прямом. На рисунке приведены зоны зарождения срыва для крыльев разной конфигурации.

НЕТ

При расчете аэродинамических характеристик сверхзвуковых самолетов необходимо учитывать сжимаемость воздуха и появление скачков уплотнения (поверхность, где наблюдается резкое возрастание давления и плотности воздуха).

При движении тела с малой дозвуковой скоростью воздушный поток плавно обтекает его. Если скорость движения тела превышает скорость звука, то каждая точка его поверхности создает волну возмущений определенного наклона. При наложении этих волн образуется скачок уплотнения.

http://old.as-club.ru/kurs3/aero/html/kurs_559_0.html

 

Скачки уплотнения могут возникать не только при сверхзвуковой скорости полета, но и на дозвуковой. С увеличением скорости набегающего потока увеличивается и местная скорость струек воздуха около профиля. Так как в точках минимального давления местная скорость всегда больше скорости набегающего полета, то в этой точке местная скорость достигнет скорости звука. Скорость набегающего потока воздуха при которой в какой либо точке на профиле воздух достигает скорости звука называется критической скоростью Vкр.

 

Можно выделить три режима обтекания:

1. Дозвуковое обтекание.  Внешне картина обтекания при увеличении скорости до критического значения почти не изменяется.

2.  При критической скорости на верхней поверхности профиля местная скорость достигает скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости набегающего потока приведет к образованию области, в которой скорости будут сверхзвуковыми. Следовательно, появляется местный скачек уплотнения. Это оказывает влияние на аэродинамические характеристики профиля. По мере увеличения скорости область сверхзвукового обтекания расширяется, а скачек смещается к задней кромке профиля. Резкое изменение давления на скачке создает условия для преждевременного срыва потока, что также ухудшает аэродинамические характеристики профиля.

3.  Сверхзвуковое обтекание. Местные скачки уплотнения достигают задней кромки профиля, а спереди образуется головной скачек. В начале головной скачек будет отсоединенным. И скорость за ним будет еще дозвуковой. Поэтому такое обтекание нельзя считать сверхзвуковым. При некоторой скорости скачек “сядет” на переднюю кромку профиля (становиться присоединенным). С этого момента обтекание профиля будет полностью сверхзвуковым.

Образование скачков уплотнения на сверхкритичеких скоростях сопровождается возникновением волнового сопротивления, обусловленного затратой энергии на сжатие воздуха.

При движении со сверхзвуковыми скоростями возникают скачки уплотнения - тонкий слои воздуха с толщиной порядка средней длины свободного пробега молекул, в которых скачкообразно изменяются давление и плотность воздуха. Скачкообразные изменения плотности могут быть настолько значительными, что их можно сфотографировать.

http://m.dezinfo.net/foto/60165-istrebiteli-preodolevayushhie-zvukovoj-barer.html

 

Таким образом, при переходе скорости через критическую, сопротивление значительно увеличивается, по причине развития волнового кризиса.

Для снижения сопротивления необходимо уменьшить толщину профиля и увеличить стреловидность крыла.

Часть 3. Атмосфера Земли и планет Земной группы.

В этой лекции мы узнаем, как аэродинамические силы, действующие на самолет, зависят от высоты полета и состояния атмосферы Земли. Рассчитаем, смогут ли летать земные самолеты в атмосфере Марса и Венеры.

Атмосфера Земли

Атмосферой называется газовая оболочка Земли. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом.

Высота газовой оболочки Земли велика и составляет более 2000 км. Точно определить границу атмосферы трудно, так как переход от земной атмосферы к межпланетному пространству совершается плавно и на больших высотах плотность воздуха очень мала.

http://pic2.me/wallpaper/2081.html

 

Слои атмосферы

Примерно 90% всей массы атмосферы приходится на высоты до 16 км. На высоте свыше 100 км располагается всего 0,0001% атмосферы. В зависимости от характера изменения температуры атмосферу разделяют на 6 слоев:

- тропосфера;

- стратосфера;

- мезосфера;

- ионосфера;

- термосфера;

- эхосфера.

http://phototimes.ru/image/earths-atmosphere-layers-22603834/

Нас больше всего будет интересовать самый нижний слой Земной атмосферы - тропосфера. Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 16800 м над экватором и до 8500 м над полюсами. Такая разница в высоте объясняется разницей температур на экваторе и полюсах, а также приливными силами, возникающими при суточном вращении Земли.

Высота верхней границы может изменяться в зависимости от характера поверхности Земли, атмосферных процессов, теплового состояния воздуха, а также от суточных и годовых изменений. Температура в тропосфере падает в среднем на 6.5° за каждый километр высоты от поверхности Земли, так как нагрев воздуха обусловливается основном отраженными от земной поверхности солнечными лучами. Именно в тропосфере происходят все погодные изменения. Изменение температуры воздуха с высотой приводит к перемещению воздушных масс, холодные верхние слои опускаются, а теплые поднимаются. Вследствие этого образуются облака, выпадают осадки, дуют ветры.

Из-за перемещения воздушных масс состав воздуха тропосферы практически постоянен. В нем содержится примерно 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов.

http://mir-prekrasen.net/referat/2658-vozduha.html

Кроме указанных газов в тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар, находящийся в непрерывном кругообороте. В нижних слоях тропосферы множество различных примесей в виде мельчайших твердых частиц - пыли.

Стратосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушными слоями тропосферы. В ней наблюдается полное отсутствие облаков и наличие сильных ветров, дующих с большой скоростью и в одном направлении. Вертикальные перемещения воздушных масс отсутствуют. В стратосфере до высоты примерно 30 км температура постоянна и составляет -56°С. С высоты 30 км до 55 км температура воздуха повышается до +75°С, из-за повышенного содержания озона, который обладает способностью поглощать ультрафиолетовое излучение.

Сильные ветры в стратосфере называются высотными струйными течениями. Для них характерны, большие скорости, обычно более 30 м/с. Высотные струйные течения связаны с высотными фронтальными зонами. Размеры течений по горизонтали — сотни километров в ширину и тысячи километров в длину, по вертикали — 2—4 км. Струи перемещаются в виде извивающихся «воздушных рек» и в основном направлены к востоку, но могут иметь меридиональное и ультраполярное направление. Высотные струйные течения опасны для авиации в связи с сильной турбулентностью воздушных потоков в них, особенно в слоях интенсивной болтанки вблизи границ.

http://byka.msk.ru/nasha-planeta-zemlya/200-chto-takoe-struynye-techeniya-i-chto-ih-vyzyvaet.html

 

Мезосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушными слоями стратосферы. Этот слой начинается с высоты около 55 км и до 85 км температура воздуха снижается в среднем на 3°С на каждый километр высоты из-за уменьшения процентного содержания озона в воздухе. На верхней границе мезосферы температура опускается примерно до -70 -80 °С.

Летом в средних и высоких широтах на высотах 78-94 км из-за чрезвычайно низкой температуры воздуха в мезосфере иногда возникают серебристые облака.

http://www.astronet.ru/db/msg/1224136

 

Метеоры начинают светиться и, как правило, полностью сгорают в мезосфере.

Для полётов мезосфера представляет собой своего рода «мёртвую зону» — воздух здесь слишком разрежен, чтобы поддерживать самолёты или аэростаты, и в то же время слишком плотен для полётов искусственных спутников Земли. Поэтому в целом мезосфера изучена хуже других слоёв атмосферы. Из-за этого учёные прозвали её «игноросферой».

Термосфера - слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушным слоем мезосферы. Высоты термосферы от 85 до 500 км. Из-за наличия в термосфере огромного количества ионов ее часто называют ионосферой. Воздух ионосферы сильно нагревается, характеризуется высокой проводимостью, преломлением, отражением, поглощением и поляризацией радиоволн. В ионосфере из-за вышеуказанных свойств наблюдаются свечения ночного неба, полярные сияния, магнитные бури.

Экзосфера является последним слоем атмосферы, который постепенно переходит в свободный космос. Она состоит из распыленного водорода и гелия, но водород все же является доминирующим элементом.

Давление воздуха

Давление - это отношение силы к площади поверхности на которую она действует. Согласно закону Паскаля, всякое тело, находящееся в неподвижном воздухе, испытывает со стороны последнего давление, одинаковое со всех сторон. Атмосферное давление объясняется тем, что воздух подобно всем другим веществам обладает массой и притягивается Землей. Масса одного кубического метра воздуха на уровне моря при температуре плюс четыре градуса Цельсия в среднем составляет 1 кг 300 г.

По международной системе единиц СИ давление измеряется в Паскалях, т. е. ньютонах на квадратный метр (Н/м²).

Барометрическое давление - это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Стандартным барометрическим давлением называется давление атмосферы на широте 45° на высоте 0 м над уровнем моря при температуре 4 °C, оно соответствует 101,3 кило Па, или 760 мм ртутного столба, или 1 атмосфере.

С увеличением высоты давление воздуха быстро падает. Вблизи поверхности Земли каждые 12 м подъема снижают давление на 11 мм. рт. столба. В аэродинамике для определения параметров атмосферы используются различные модели атмосферы Земли. Международная стандартная атмосфера (МСА или ISA) — условное вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха в атмосфере Земли.

Мое

При аэродинамических исследованиях часто приходится измерять разность давлений. Для этого используются специальные приборы – дифференциальные манометры. Для определения очень малых разностей давлений применяется чувствительный прибор - микроманометр, в котором используется жидкость более легкая, чем ртуть. Принцип работы дифференциальных манометров следующий: один конец трубки подсоединяется к пространству с атмосферным давлением, второй - к поверхности измеряемого участка (там, где давление больше атмосферного). Уровень ртути в первом колене повысится, так как на поверхность ртути давит меньшее давление. Разность уровней и покажет разность давления.

 

https://ru.wikipedia.org/wiki/Манометр

 

Плотность воздуха

Плотность воздуха - это масса воздуха, содержащегося в одном кубическом метре объема. По МСА при стандартных условиях и на уровне моря плотность воздуха равна 1,225 кг/м³.

Плотность сухого воздуха может быть вычислена с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона для идеального газа при заданных температуре и давлении:

Здесь ρ — плотность воздуха, M — молярная масса (29 г/моль для сухого воздуха), p — абсолютное давление, R = 8,31447 Дж⁄(Мол·K) — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура в Кельвинах.

Для тропосферы температура на высоте h над уровнем моря может быть задана формулой:

Здесь T0 = 288,15 K - стандартная температура на уровне моря; L = 0,0065 K⁄м скорость падения температуры.

Давление в тропосфере на высоте h вычисляется по формуле:

Эти три формулы (зависимость температуры, давления и плотности от высоты) могут использоваться для вычисления параметров атмосферы для заданной высоты и погодных условий. «Нулевые» значения для верных вычислений нужно каждый раз подставлять в соответствии с показаниями соответствующих приборов (термометра и барометра) на данный момент на уровне моря.

Таким образом, чем выше давление и ниже температура, тем больше плотность воздуха. Поэтому наибольшая плотность воздуха зимой в морозную погоду, а наименьшая летом в теплую погоду.

С высотой плотность воздуха падает, так как давление падает быстрее, чем понижается температура воздуха. В стратосфере (примерно с высоты 11 км и до 32 км) температура почти постоянна, и поэтому плотность воздуха падает пропорционально уменьшению давления.

Влажность воздуха.

Более низкие слои атмосферы содержат пары воды. Количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры и, в меньшей степени, от давления воздуха. Можно сказать, что чем выше температура, тем больше водяных паров воздух может удержать. Например, один кубический метр насыщенного влагой воздуха при температуре 20 °C содержит 17.2 граммов водяного пара. Если температура воздуха упадет до 10°C, половина водяного пара будет «вытеснена» из воздуха в виде капель воды, в результате чего образуются облака или атмосферные осадки.

http://geographyofrussia.com/gidrosfera-krugovorot-vody-v-prirode/

 

Термин «влажность» характеризует количество воды, находящегося в воздухе. Термин «относительная влажность» означает отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Относительная влажность измеряется в процентах.

Например, «0% относительной влажности» показывает, что воздух «совершенно сух», т.е. абсолютно не содержит воды. Это совершенно маловероятное условие вне лабораторных условий. Даже в условиях пустыни влажность не бывает ниже 1%

http://shekawkaw.blogspot.ru/2013/02/pictures-of-desert.html

Однако, «100% относительной влажности» (т.е. насыщенный влагой воздух), встречается довольно часто. Это означает, что воздух впитал всю воду, которую был способен впитать. Это все напоминает «абсолютно полную» губку.

http://smalltalks.ru/soderjanie/1407-vlazhnost-vozduha-otnositelnaja-i-absoljutnaja-vlazhnost-kak-vlazhnost-vozduha-vlijaet-na-nashe-samochuvstvie.html

 

Процент влажности в значительной степени влияет на плотность воздуха. Высокая относительная влажность снижет плотность воздушной массы, на которую она влияет, в то время как низкая относительная влажность увеличивает плотность.

Водяной пар считается самым легким компонентом воздуха, таким образом, чем выше концентрация водяного пара, тем менее плотным становится воздух.

При конденсации водяного пара в атмосфере образуются облака. В зависимости от своей температуры облака состоят из капелек воды или кристалликов льда и снега. Эти капли и кристаллы настолько малы, что их удерживают в атмосфере даже слабые восходящие потоки воздуха.

Форма облаков очень разнообразна и зависит от высоты, скорости ветра и влажности. Выделяют группы облаков, сходных по форме и высоте. Наиболее известны кучевые, перистые и слоистые, а также их разновидности: слоисто-кучевые, перисто-слоистые, слоисто-дождевые. Облака, перенасыщенные водяным паром, имеющие темно-фиолетовый или почти черный оттенок, называют тучами.

http://botinok.co.il/node/85002

Степень покрытия неба облаками, выраженную в баллах (от 1 до 10), называют облачностью. Высокая степень облачности предвещает, как правило, выпадение осадков в виде дождя, снега или града.

Дождь образуется тогда, когда мельчайшие капельки влаги, содержащиеся в облаке, сливаются в более крупные и, преодолевая силу восходящих потоков воздуха, под действием силы тяжести выпадают на Землю. Если в облаке оказываются мельчайшие частицы твердых тел, например пыль, то процесс конденсации ускоряется, поскольку пылинки играют роль ядер конденсации. Выпадение дождя наиболее вероятно из высокослоистых, кучево-дождевых и слоисто-дождевых облаков.

В пустынных районах при низкой относительной влажности конденсация водяного пара возможна только на большой высоте, где температура ниже, однако дождинки, не долетая до земли, испаряются в воздухе. Это явление получило название сухих дождей.

Если конденсация водяного пара в облаке происходит при отрицательных температурах, образуются осадки в виде снега. Иногда снежинки из верхних слоев облака опускаются в нижнюю его часть, где температура выше и содержится огромное количество переохлажденных капель воды, удерживаемых в облаке восходящими потоками воздуха. Соединяясь с капельками воды, снежинки теряют форму, вес их увеличивается, и они выпадают на землю в виде снежной пурги – шарообразных снежных комочков диаметром 2–3 мм.

http://i.imgur.com/cTsRpqR.png

 

Необходимое условие образования града – наличие облака вертикального развития, нижний край которого находится в зоне положительных, а верхний – в зоне отрицательных температур (рис. 36). При этих условиях образовавшаяся снежная пурга восходящими потоками поднимается в зону отрицательных температур, где превращается в льдинку шарообразной формы – градину. Процесс поднятия и опускания градины может происходить многократно и сопровождаться увеличением ее массы и размера. Наконец градина, преодолевая сопротивление восходящих потоков воздуха, выпадает на землю. Градины неодинаковы по размеру: они могут быть величиной от горошины до куриного яйца.

http://ria-m.tv/news/7202/ne_zabudte_zavtra_zahvatit_zont_ojidaetsya_groza_i_dojd_s_gradom.html

Такие осадки, как роса, иней, туман, изморозь, гололед, образуются не в верхних слоях атмосферы, а в ее приземном слое. Охлаждаясь от поверхности Земли, воздух уже не может удерживать водяной пар, он конденсируется и оседает на окружающих предметах. Так образуется роса. При температуре предметов, расположенных у поверхности Земли, ниже 0 °C образуется иней.

http://www.mobilmusic.ru/wallpaper.php?id=717756

При наступлении более теплого воздуха и его соприкосновении с холодными предметами (чаще всего проводами, ветками деревьев) выпадает изморозь – налет рыхлых кристалликов льда и снега.

При концентрации водяных паров в приземном слое атмосферы образуется туман. Особенно часты туманы в крупных промышленных центрах, где капельки воды, сливаясь с пылью и газами, образуют ядовитую смесь – смог.

Когда температура поверхности Земли ниже 0 °C, а из более верхних слоев выпадают осадки в виде дождя, начинается гололедица. Смерзаясь в воздухе и на предметах, капельки влаги образуют ледяную корку. Иногда льда так много, что под его тяжестью рвутся провода, ломаются ветки деревьев. Похож на гололедицу гололед. Но он формируется иначе: на землю выпадают жидкие осадки, а при понижении температуры ниже 0 °C вода на земле замерзает, образуя скользкую ледяную пленку.

http://the-day-x.ru/ledyanoj-dozhd-ego-prichiny-i-posledstviya.html