AERODINAMIKA KÁLLAI RUDOLF

Átírás

1 AERODINAMIKA KÁLLAI RUDOLF

2 A LEVEGŐ, MINT ANYAG Gázok elegye Taszító erő: kitölti a teret Összenyomható A Föld gravitációs ereje tartja lekötve Sűrűsége, nyomása a magassággal változik A légkör határa kb km Sűrűsége és nyomása kb. 5,5 km-enként is feleződik

3 LÉGÁLLAPOT HATÁROZÓK Légnyomás: A légnyomás létezését 1654-ben Otto von Guericke, Magdeburg polgármestere látványos kísérlettel igazolta Mérésének jelentősége: A sűrűségkülönbség a levegő mozgató ereje Torricelli ( ) olasz fizikus határozta meg először 1643 Viszonyítási alap: átlagos tengerszinten, 0 C-on Értéke: p 0st = 1033g/cm2, 760 Hgmm, 1013,25 mb Magassággal csökken Minden felületre merőlegesen hat

4 Sűrűség ρ : a test sűrűsége (kg/m 3 ) m : a test teljes tömege (kg) V : a test teljes térfogata (m 3 ) A levegő sűrűsége a hőmérséklet, a nyomás a benne lévő pára súlyának függvénye T ( C) ρ (kg/m³) 10 1, , , , , , , , ,164

5 A nyomás terjedése folyadékokban és gázokban a zárt térben lévő folyadékra, vagy gázra ható külső nyomás minden irányban egyenletesen terjed A légnyomás nemcsak függőleges irányban hat, hanem a térben minden tetszőleges irányú felületre merőlegesen

6 A statikus és dinamikus repülés elve Statikus repülés minden folyadékba vagy gázba merülő testre akkora felhajtóerő hat, mint amekkora a test által kiszorított folyadék vagy gáz súlya

7 Dinamikus repülés Dinamikus felhajtóerő csak a levegőnél nehezebb tárgyakon keletkezik Megfelelően kialakított testet közegben mozgatva a test fölött nyomás csökkenés, a test alatt nyomásnövekedés alakul ki

8 A levegő áramlása, az áramvonal Az áramvonal olyan görbe -vagy egyenes- vonal, amelynek érintője a görbe érintési pontjában megmutatja az áramlás helyi irányát Stacioner - instacioner

9 Folytonosság törvénye Ha a tér valamely pontján áthaladó közeg valamennyi részecskéjének sebessége és iránya azonos az áthaladás pillanatában, vagy a folyadéktér két különböző pontja között a sebességkülönbség állandó, akkor azt mondjuk az áramlás állandósult (stacioner). A1V1=A2V2

10 Dinamikus(torló) nyomás

11 Az energia megmaradásának elve. A Bernoulli-törvény a mozgó test helyzeti és mozgási energiájának összege minden pillanatban változatlan Az egységnyi térfogatú levegő helyzeti energiája nem más, mint a magasságtól függően változó statikus nyomás A levegő mozgási energiájáról az előbbiekben már megállapítottuk hogy az nem más mint a levegő torló nyomása dinamikus és a statikus nyomások összege az áramlás bármely pontján állandó

12

13

14 Lamináris és turbulens áramlás A lamináris : a közegrészecskék rendezetten (rétegekben) haladnak egymás mellett anélkül,hogy a szomszédos rétegek összekeverednének. Az áramvonalak a közegrészecskék valóságos pályáját jelzik. Turbulens : a közegrészecskék rendezetlenül haladnak és az áramlás fő irányára merőlegesen is mozognak. Az áramvonalak a részecskék eredő mozgását mutatják

15 A levegő súrlódása A súrlódási ellenállás elkerülhetetlenül fellép, bármely test mozogjon is a levegőben vagy folyadékban

16 Az örvény fogalma és létrejötte Az örvények keletkezésében a közeg belső súrlódása fontos szerepet játszik Az örvények az áramlástól energiát vonnak el, jelenlétük ezért káros.

17 Reynolds-szám Összenyomhatatlan közeg állandósult áramlásában az áramvonalak alakulását négy erő határozza meg: - a nyomási erők; - a tehetetlenségi erők; (ezek Newton első törvénye értelmében a mozgó közegrészecskék tömegétől függnek) - a belső súrlódási erők; - a súlyerő. az aerodinamikában kettő ismerete mindig elegendő: Ezt az arányt felfedezőjéről (Osborne Reynolds 1883) elnevezett Reynolds szám fejezi ki: l: jellemző hossz v: áramlás sebessége ρ: közeg sűrűsége µ: viszkozitási tényező

18 A levegő ellenállása A levegőben magára hagyott test sebessége a kezdeti gyorsulás után csakhamar állandóvá válik, és ezt a - testenként változó nagyságú határsebességet bármilyen hosszú zuhanási idő után sem lépi túl A testek mozgását akadályozó erőt légellenállásnak nevezzük:

19 Példák cx értékekre Az örvények jelenléte miatt az áramlás nem tud zavartalanul összezáródni a test mögött, a statikus nyomás lecsökken Az örvények mindig párosával keletkeznek a test mögött: Kármán féle örvénysornak nevezzük. A kiugró sarkokról, peremekről az áramlás leválik Az örvényképződés az ellenállást növeli.

20

21 A határréteg Az áramlásba helyezett testek körül kialakult vékony réteget, amelyben a közeg részecskéinek a mozgását a belső súrlódási erők befolyásolják, határrétegnek nevezzük. a test közvetlen közelében a viszkozitás hatása alatt lévő határrétegre, a határrétegen kívüli zavartalan áramlásra. a Bernoulli tétel nem érvényes benne a sebességkülönbség következtében létrejövő belső súrlódó erőknek a test felületére kifejtett hatását súrlódási ellenállásnak nevezzük

22 Határréteg síklap körül Átváltási pont: minél hátrább, annál jobb Vékony lam. rész mindig marad Turb.rész nagy viszkozitás Re nő-> átv. pont előre vándorol Ѵ : kinematikai viszkozitás

23 Határréteg ívelt felület körül Az alacsony nyomású területen feltorlódott részecskék leválnak Test előtt: P nagy Test mögött: P kicsi -> alaki ellenállás

24 Asszimetrikus áramlás Az áramlás irányára merőleges összetevő a felhajtóerő, amit Y-al jelölünk. Az áramlás irányával párhuzamos összetevő pedig a már jól ismert ellenállás erő, aminek a jelölése az X

25 A SZÁRNY AERODINAMIKÁJA A repülőgépszárny szimmetriasíkjával párhuzamos metszeteit szárnyszelvénynek nevezzük CAGI NACA GÖTTINGEN (Gö ) EPPLER WORTMANN szimmetrikus aszimmetrikus - /f/ a szelvény íveltsége, vagyis a középvonalnak a húrtól vett legnagyobb távolsága, - /x f / az íveltség f méretének a szelvény orrpontjától mért távolsága, - /d/ a szelvény legnagyobb vastagsága, - /x d / a legnagyobb vastagság helye az orrponttól mérve - /R/ a szelvény orrgörbületi sugara.

26 Állásszög, alaprajz A szárnyszelvénynek az áramlás irányához viszonyított elhelyezkedése az állásszög A repülőgép szárnyak alaprajzi alakja igen sokféle lehet. Nagymértékben meghatározza a szárny légerőtani tulajdonságait, amely vitorlázó repülőgépeknél fontos meghatározója a teljesítménynek. A szárny alaprajzi alakja lehet: téglalap, trapéz, kettős trapéz, ellipszis,stb. Ellenállás szempontjából legkedvezőbb az ellipszis.

27 A szárny jellemzői b : fesztávolság, h : a szárny húrhossza vagy szárnymélysége. A : a szárnyfelület. σ : nyilazás Ψ: a V-beállítás szöge karcsússág: oldalviszony

28 Szárny- kialakítások

29 A repülőgép szárnya körül kialakuló áramkép. végtelen terjedtségű véges terjedtségű Felhajtóerő:Y szárny alatti nyomás p a = p + p1. szárny feletti nyomás p f = p - p2.

30 Nyomás eloszlása a szárnyszelvény körül A felhajtóerő 2/3-át a szárny feletti nyomáscsökkenés 1/3-át pedig a szárny alatti nyomásnövekedés eredményezi Cp = cy felhajtóerő

31 Nyomás eloszlása a szárnyszelvény körül

32 Az eredő légerő A nyomáseloszlásból, a levegő súrlódásából, és az örvények miatt, egyetlen eredő R légerő keletkezik. Ezt az áramlás irányára merőleges Y felhajtóerőre, és az áramlással párhuzamos X ellenállásra bonthatjuk fel. Az R, Y és X függ: test kialakításától jellemző légerő tényező nagyságától, és a test felületének nagyságától eredő légerő: felhajtóerő: Ellenálláserő: q: a dinamikus nyomás, c r : az eredő légerő tényező, c y : a felhajtóerő tényező, c x : az ellenállás tényező

33 A szárnyon keletkező légerők alakulása különböző állásszögek esetén Azt az állásszöget, ahol a felhajtóerő teljesen megszűnik, tehát cy = 0 További állásszög növekedésnél ez az örvényes zóna egyre inkább a belépőél felé húzódik Ha az örvényes tér kiterjed a szárny teljes felső felületére,az áramlás leválik róla. kritikus állásszög - átesés

34 Légerőtényezők ábrázolása polárdiagramban Lilienthal-féle polárdiagramnak.

35 Fontos pontok a polárdiagramban c y max : a legnagyobb felhajtóerő, c y min : a legkisebb negatív irányú felhajtóerő c x min : a legkisebb ellenállás, α kr : a legnagyobb felhajtóerő-tényezőhöz tartozó (kritikus)állás szög, α 0 : a nulla felhajtóerőhöz tartozó állásszög, γ : siklószög adott állásszöggel γ min : a legkisebb siklószög, ε : siklószám adott állásszöggel, e opt : a legjobb (optimális) siklószám.

36

37 A felhajtóerő és az ellenállás viszonya A Lilienthal-féle polárdiagramot is felbonthatjuk a Py felhajtóerő változását, és a Px ellenálláserő változását ábrázoló diagramra A cy görbe hosszú szakaszon egyenes, azaz a felhajtóerő és az állásszög között lineáris összefüggés van. Minél meredekebben emelkedik annál nagyobb az állásszög-változásra jutó felhajtóerő változás. A görbe teteje a szárny átesési tulajdonságaira enged következtetni

38 Geometriai kialakítás hatása a szárnyszelvények légerőtani tulajdonságaira szimmetrikus szelvények (vezérsíkok), asszimetrikus azaz ívelt középvonalú szelvények, lamináris szelvények

39 Különböző vastagságú profilok polárisa

40 Különböző íveltségű profilok polárisa

41 Lamináris szelvények és tulajdonságaik Lamináris szelvényeknek azokat a szimmetrikus vagy ívelt középvonalú profilokat nevezzük, amelyek körül a határréteg jellege a húrhossz irányában hosszú szakaszon lamináris marad A cél az, hogy a profil mentén az áramlás minél hosszabb szakaszon gyorsuló jelleget mutasson. Ezt úgy tudjuk elérni, hogy a profil legnagyobb vastagságát a hátrébb toljuk, így addig az áramlás sebessége folyamatosan növekszik.

42 Kis lekerekítésű belépőél -> kis tartományban repülőképes -> hirtelen átesés Lamináris szelvények és tulajdonságaik

43 Különböző íveltségű lamináris profilok

44 A felület érdességének hatása a szárnypolárisra

45 Véges terjedségű szárny Nyomáskülönbségek kiegyenlítődése a szárnyvég körül Indukált örvények -> indukált ellenállás.

46 Magnus hatás A repülőgép szárnyán is csak akkor keletkezhet felhajtóerő, ha az áramló levegőt saját esésének megakadályozására lefele irányítja.

47 A szárny örvényrendszere Cirkulációs örvény; az áramlás iránya a szárny felett megegyezik az áramlás fő irányával, alatta azzal ellentétes.

48 A szárny örvényrendszere

49 Aerodinamikai elcsavarás Geometriai az állásszög változik Aerodinamikai a szárnyszelvény változik

50

51 Köszönöm a figyelmet!