جداسازی لایه مرزی و کشیدن فشار

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1875

سپاس: 3351

جنسیت:

تماس:

جداسازی لایه مرزی و کشیدن فشار

پست توسط rohamjpl »

- اساساً همان طراحی جعبه بال نیمه مونوکوکی که امروزه استفاده می شود. محبوب‌ترین طراحی تا آن زمان، پیکربندی هواپیمای دوباله بود که توسط سیم‌ها و پایه‌ها در کنار هم قرار می‌گرفتند، که مقادیر قابل‌توجهی کشش انگلی را معرفی می‌کرد و در نتیجه حداکثر سرعت هواپیما را محدود می‌کرد. حذف این پایه‌ها و سیم‌ها به این معنی بود که بارهای پروازی باید با وسایل دیگری حمل شوند. یونکرها برای مقاومت در برابر بارهای خمشی بالا و پایین تولید شده توسط بالابر، یک پرتو از دو طرف بدنه، اسپار اصلی، در حدود 25 درصد از وتر بال را به نمایش گذاشتند. سپس اسپار دوم کوچکتری را که به نام اسپار لبه دنباله‌ای شناخته می‌شود، در 75 درصد وتر نصب کرد تا به اسپار اصلی در مقاومت در برابر خمش جلو و عقب ناشی از کشش روی بال کمک کند. این دو اسپار توسط پوسته بال خارجی به هم متصل شدند تا یک جعبه بسته بسته به نام جعبه بال ایجاد شود. در نهایت، یک قطعه فلزی منحنی در جلوی بال نصب شد تا لبه جلویی شکل "D" را تشکیل دهد و دو قطعه فلز برای تشکیل لبه دنباله بیرون کشیده شد. این سری از سه بخش بسته، استحکام پیچشی کافی برای تحمل بارهای پیچشی ایجاد می‌کند، زیرا مرکز فشار (نقطه‌ای که می‌توان نیروی بالابر را برای عمل در نظر گرفت) از مرکز برشی (نقطه‌ای که در آن یک عمودی است) منحرف می‌شود. بار فقط باعث خم شدن و بدون پیچش می شود).
سازه + آیرودینامیک = هواپیمای برتر
ساختار Junkers به ​​طور طبیعی منجر به بال بسیار ضخیم تر به دلیل اتاق مورد نیاز برای مهاربندی داخلی شد و این طرح انگیزه ای برای تحقیقات جدید در زمینه آیرودینامیک فراهم کرد. ایده های یونکر توسط لودویگ پراندتل که کار معروف آیرودینامیک خود را در دانشگاه گوتینگن انجام داد، پشتیبانی شد. همانطور که در پست ماه گذشته بحث شد، پراندتل قبلاً مفهوم لایه مرزی را معرفی کرده بود. یعنی وجود یک پروفیل سرعت U شکل با شرایط بدون جریان در سطح و یک میدان سرعت فزاینده به سمت جریان اصلی در فاصله ای دورتر از سطح. پراندتل استدلال کرد که وجود یک لایه مرزی این فرض ساده‌کننده را پشتیبانی می‌کند که جریان سیال را می‌توان به دو بخش غیر متقابل تقسیم کرد. یک لایه نازک نزدیک به سطح که توسط ویسکوزیته (چسبندگی سیال) و یک جریان اصلی غیر چسبنده کنترل می شود. بخش ایروفویل ضخیم و کم‌تر یونکر ویژگی‌های بالابری بسیار مطلوب‌تری نسبت به
مقاطع نازک تر کلاسیک که توسط دشمنان آلمان استفاده می شود. دوم، ایروفویل ضخیم را می‌توان در زاویه حمله بسیار بالاتری بدون توقف پرواز کرد
اصطکاک پوست در مقابل کشش فشار
جریان در یک لایه مرزی می تواند آرام یا متلاطم باشد. جریان آرام بدون تعویض ذرات سیال بین لایه های جداگانه منظم و طبقه بندی شده است، در حالی که در جریان آشفته تبادل قابل توجهی سیال عمود بر جهت جریان وجود دارد. نوع جریان تأثیر زیادی بر فیزیک لایه مرزی دارد. به عنوان مثال، به دلیل گستردگی بیشتر تبادل جرم، یک لایه مرزی متلاطم ضخیم‌تر از لایه آرام است و همچنین دارای شیب سرعت تندتر نزدیک به سطح است، یعنی با دور شدن از دیوار، سرعت جریان سریع‌تر افزایش می‌یابد.
مشخصات سرعت لایه مرزی آرام در مقابل آشفته
مشخصات سرعت لایه مرزی آرام در مقابل آشفته توجه داشته باشید که چگونه جریان متلاطم سرعت را با سرعت بیشتری دور از دیوار افزایش می دهد.
درست مانند دست شما هنگام لغزش روی سطح، اصطکاک را تجربه می کند، لایه های سیال در لایه مرزی نیز اصطکاک را تجربه می کند، یعنی مناطق کندتر جریان، نواحی سریعتر را مهار می کنند. این بدان معنی است که گرادیان سرعت در سراسر لایه مرزی باعث ایجاد تنش های برشی داخلی می شود که شبیه اصطکاک اعمال شده بر روی یک سطح است. این نوع اصطکاک به درستی کشش اصطکاک پوست نامیده می‌شود و در جریان‌های روان که اکثر سطح بدن با جریان هم‌تراز است، غالب است. از آنجایی که گرادیان سرعت در سطح برای جریان آشفته بیشتر از جریان آرام است، یک جسم روان وقتی که جریان لایه مرزی بر روی سطوحش آشفته است، کشش بیشتری را تجربه می کند. یک مثال معمولی از یک بدنه ساده، بال هواپیما در سفر است، و از این رو جای تعجب نیست که حفظ جریان آرام روی بال‌های هواپیما یک موضوع تحقیقاتی مداوم است.
در سطوح مسطح می‌توانیم هر گونه تغییر فشار در جهت جریان را نادیده بگیریم. در این شرایط، لایه مرزی پایدار می ماند اما ضخامت آن در جهت جریان رشد می کند. البته این یک سناریوی ایده‌آل است و در کاربردهای دنیای واقعی، مانند بال‌های منحنی، جریان به احتمال زیاد یک گرادیان فشار نامطلوب را تجربه می‌کند، یعنی فشار در جهت جریان افزایش می‌یابد. در این شرایط لایه مرزی می تواند ناپایدار شده و از سطح جدا شود. جداسازی لایه مرزی نوع دومی از پسا را ​​ایجاد می کند که به عنوان کشش فشار شناخته می شود. این نوع درگ برای بدنه های غیر جریانی غالب است، به عنوان مثال. یک توپ گلف که در هوا پرواز می کند یا یک بال هواپیما با زاویه حمله بالا.
پس چرا در وهله اول جریان از هم جدا می شود؟
برای پاسخ به این سوال، جریان سیال را روی یک سیلندر در نظر بگیرید. درست در قسمت جلویی ذرات سیال سیلندر باید در حالت استراحت قرار گیرند. این نقطه به درستی نقطه سکون نامیده می شود و نقطه حداکثر فشار است (برای حفظ انرژی، فشار باید با افزایش سرعت سیال کاهش یابد و بالعکس). در پایین دست، انحنای سیلندر باعث انحنای خطوط جریان می شود و برای متعادل کردن نیروهای مرکزگرا، جریان شتاب می گیرد و فشار سیال کاهش می یابد. از این رو، ناحیه ای از جریان شتاب دهنده و فشار نزولی بین نقطه ایستایی و قطب های سیلندر رخ می دهد. هنگامی که جریان از قطب ها عبور می کند، انحنای استوانه به دلیل وجود فضای باز در پایین دست استوانه، در جهت دهی جریان در خطوط جریان منحنی کمتر مؤثر است. از این رو، انحنای جریان کاهش می یابد و جریان کاهش می یابد و گرادیان فشار مطلوب قبلی را به یک گرادیان فشار نامطلوب افزایش فشار تبدیل می کند.
جداسازی لایه مرزی از روی سیلندر
جداسازی لایه مرزی روی یک استوانه (محور خارج از صفحه).
برای درک جداسازی لایه مرزی باید بدانیم که چگونه این گرادیان های فشار مطلوب و نامطلوب بر شکل لایه مرزی تأثیر می گذارند. از بحث ما در مورد لایه‌های مرزی، می‌دانیم که سیال هر چه به سطح نزدیک‌تر باشیم کندتر حرکت می‌کند، زیرا به دلیل عمل کندکننده شرایط بدون لغزش در دیواره است. در یک گرادیان فشار مطلوب، افت فشار در امتداد خطوط جریان کمک می‌کند تا سیال به سمت جلو حرکت کند و در نتیجه بر برخی از اثرات کاهش‌دهنده ویسکوزیته سیال غلبه کند. در نتیجه، سیال به اندازه نزدیک به دیواره که منجر به پروفیل سرعت U شکل کامل‌تر می‌شود، کند نمی‌شود و لایه مرزی کندتر رشد می‌کند.
بر اساس قیاس، برعکس برای یک گرادیان فشار نامطلوب اتفاق می‌افتد، یعنی فشار جریان اصلی در جهت جریان افزایش می‌یابد و جریان در لایه مرزی را به تاخیر می‌اندازد. بنابراین در مورد یک گرادیان فشار نامطلوب، نیروهای فشار، نیروهای اصطکاک چسبناک بازدارنده نزدیک به سطح را تقویت می‌کنند. در نتیجه، تفاوت بین سرعت جریان نزدیک به دیوار و جریان اصلی بارزتر است و لایه مرزی سریعتر رشد می کند. اگر گرادیان فشار نامطلوب روی یک دی به اندازه کافی گسترده عمل کنددر موضع، کاهش سرعت جریان برای معکوس کردن جهت جریان در لایه مرزی کافی خواهد بود. از این رو لایه مرزی یک نقطه عطف ایجاد می کند که به عنوان نقطه جدایی لایه مرزی شناخته می شود، که فراتر از آن یک الگوی جریان دایره ای ایجاد می شود.
برای بال‌های هواپیما، جداسازی لایه‌های مرزی می‌تواند منجر به عواقب بسیار مهمی شود که از افزایش فشار فشار گرفته تا کاهش چشمگیر بالابر، معروف به استال آیرودینامیکی، متغیر است. شکل یک بال هواپیما اساساً یک نسخه دراز و شاید نامتقارن از سیلندر است که در بالا نشان داده شده است. بنابراین جریان هوا بر روی سطح محدب بالایی یک بال از همان اصول اساسی که در بالا ذکر شد پیروی می کند:
نقطه ای از رکود در لبه اصلی وجود دارد.
ناحیه ای از شتاب جریان اصلی (شیب فشار مطلوب) تا نقطه حداکثر ضخامت.
منطقه ای با کاهش سرعت جریان اصلی (شیب فشار نامطلوب) فراتر از نقطه حداکثر ضخامت.
جداسازی لایه مرزی موضوع مهمی برای بال‌های هواپیما است زیرا باعث ایجاد یک موج بزرگ می‌شود که جریان پایین دست نقطه جداسازی را کاملاً تغییر می‌دهد. کشش اصطکاک پوست به دلیل ویسکوزیته ذاتی سیال ایجاد می شود، یعنی سیال به سطح بال می چسبد و تنش برشی اصطکاکی مربوطه نیروی پسا اعمال می کند. هنگامی که یک لایه مرزی جدا می شود، نیروی پسا در نتیجه اختلاف فشار در بالادست و پایین دست بال ایجاد می شود. ابعاد کلی پی، و در نتیجه بزرگی کشش فشار، به نقطه جدایی در امتداد بال بستگی دارد. پروفیل‌های سرعت لایه‌های مرزی آشفته و آرام (تصویر بالا را ببینید) نشان می‌دهد که سرعت سیال برای یک لایه مرزی آرام بسیار کندتر از دیوار افزایش می‌یابد. در نتیجه، جریان در یک لایه مرزی آرام در حضور یک گرادیان فشار نامطلوب بسیار زودتر از جریان در یک لایه مرزی آشفته جهت معکوس خواهد کرد.
به طور خلاصه، اکنون می دانیم که ویسکوزیته ذاتی یک سیال منجر به وجود یک لایه مرزی می شود که دارای دو منبع احتمالی درگ است. کشش اصطکاک پوست به دلیل تنش برشی اصطکاکی بین سیال و سطح، و کشش فشار به دلیل جدا شدن جریان و وجود موج پایین دست. از آنجایی که کشش کل مجموع این دو اثر است، آیرودینامیک با یک سازش غیر پیش پا افتاده مواجه می شود:
کشش اصطکاک پوست با جریان آرام به دلیل تنش برشی کمتر در دیوار کاهش می‌یابد، اما وقتی جداسازی لایه مرزی رخ می‌دهد، کشش فشار را افزایش می‌دهد.
کشش فشار توسط جریان متلاطم با به تاخیر انداختن جداسازی لایه مرزی کاهش می‌یابد، اما این امر به دلیل تنش‌های برشی بالاتر در دیوار، کشش اصطکاک پوست را افزایش می‌دهد.
در نتیجه، نه جریان آرام و نه جریان آشفته را نمی توان به طور کلی ترجیح داد و باید در مورد کاربرد خاص قضاوت کرد. برای بدنه‌ای مانند سیلندر، کشش فشار غالب است و بنابراین یک لایه مرزی آشفته ترجیح داده می‌شود. برای بدنه های ساده تر، مانند بال هواپیما در کروز، کشش کلی تحت سلطه کشش اصطکاک پوست است و از این رو یک لایه مرزی آرام ترجیح داده می شود. به عنوان مثال، دلفین ها بدن بسیار ساده ای برای حفظ جریان آرام دارند. از سوی دیگر، گلف بازان اولیه متوجه شدند که توپ های گلف لاستیکی فرسوده بیشتر از توپ های بکر پرواز می کنند و این منجر به نوآوری گودی روی توپ های گلف شد. جریان سیال روی توپ‌های گلف به دلیل سرعت پرواز نسبتاً پایین، عمدتاً آرام است. بنابراین، فرورفتگی‌ها چیزی بیش از عیوب کوچکی نیستند که جریان عمدتاً آرام را به جریانی متلاطم تبدیل می‌کنند که شروع جدایی لایه‌های مرزی را به تأخیر می‌اندازد و بنابراین کشش فشار را کاهش می‌دهد.
دومین و تاثیر چشمگیرتر جداسازی لایه مرزی در بال هواپیما، توقف آیرودینامیکی است. در زوایای حمله نسبتاً کم، به عنوان مثال در حین کروز، گرادیان فشار نامطلوب بر روی سطح بالایی بال خوش خیم است و لایه مرزی در کل سطح چسبیده باقی می ماند. با افزایش زاویه حمله، گرادیان فشار نیز افزایش می یابد. در برخی از نقاط، لایه مرزی شروع به جدا شدن در نزدیکی لبه انتهایی بال می کند، و این نقطه جدایی با افزایش زاویه حمله بیشتر به سمت بالا حرکت می کند. اگر یک ایروفویل در یک زاویه حمله به اندازه کافی بزرگ قرار گیرد، جداسازی بسیار نزدیک به نقطه حداکثر ضخامت هوا رخ می دهد و یک موج بزرگ در پشت نقطه جداسازی ایجاد می شود. این موج باعث توزیع مجدد جریان بر روی بقیه ایروفویل می شود و در نتیجه به طور قابل توجهی بالابر تولید شده توسط بال را مختل می کند. در نتیجه، بالابر تولید شده در شرایطی که به عنوان استال آیرودینامیک شناخته می شود، به طور جدی کاهش می یابد. به دلیل کشش فشار زیاد ناشی از پی، هواپیما می تواند سرعت هوا را بیشتر از دست بدهد و جداسازی را فشار دهد.به سمت بالا حرکت کنید و یک حلقه بازخورد مضر ایجاد کنید که در آن هواپیما به معنای واقعی کلمه شروع به سقوط از آسمان در یک مارپیچ کنترل نشده می کند. برای جلوگیری از از دست دادن کامل کنترل، خلبان باید مرز را در سریع ترین زمان ممکن وصل کند که با کاهش زاویه حمله و نشان دادن دماغه هواپیما به سمت پایین برای افزایش سرعت به دست می آید.
بالابر تولید شده توسط یک بال توسط داده می شود
$L = \frac{1}{2}C_L \rho V^2 S$
که در آن $\rho $چگالی هوای اطراف، V سرعت پرواز، S ناحیه بال و C_L ضریب برآمدگی شکل آئروفویل است. ضریب بالابر یک شکل خاص با زاویه حمله تا حداکثر نقطه $C_{Lmax}$ به صورت خطی افزایش می یابد. حداکثر ضریب لیفت یک آئروفویل معمولی در حدود 1.4 در زاویه حمله حدود $16^\circ$ است که با زاویه بحرانی حمله در جایی که شرایط استال رخ می دهد محدود می شود.
در طول کروز، زاویه حمله نسبتاً کوچک است (حدود $2^\circ)$ زیرا بالابر کافی توسط سرعت پرواز بالا V تضمین می‌شود. جداسازی لایه ها با این حال، در هنگام برخاستن و فرود، سرعت پرواز بسیار کمتر است، به این معنی که ضریب بالابر را باید با قرار دادن بال‌ها در زاویه حمله تهاجمی‌تر افزایش داد (تقریباً $15^\circ)$. مسئله این است که حتی با ضریب بالابر تقریباً حداکثر 1.4، جامبو جت های بزرگ برای رسیدن به نیروی بالابر لازم در سرعت های مطمئن برای فرود مشکل دارند. در حالی که افزایش مساحت بال نیز امکان پذیر است، چنین راه حلی بر وزن هواپیما و در نتیجه راندمان سوخت تأثیر منفی خواهد گذاشت.
دستگاه های بالابر
یک راه حل بسیار زیباتر، نوارهای لبه جلو و لبه های انتهایی هستند. اسلت یک آئروفویل نازک و منحنی است که در قسمت جلوی بال نصب می شود و در نظر گرفته شده است تا جریان هوای ثانویه را از طریق شکاف بین نوار و لبه جلویی ایجاد کند. هوا از طریق این شکاف شتاب می گیرد و در نتیجه سیال با تکانه بالا را به مرز در سطح بالایی تزریق می کند و شروع برگشت جریان در لایه مرزی را به تاخیر می اندازد. به طور مشابه، یک یا دو آئروفویل خمیده ممکن است در عقب بال قرار داده شود تا جریان را در نزدیکی لبه عقب تقویت کند. در این حالت سیال با تکانه بالا جریانی را که توسط گرادیان فشار نامطلوب کند شده است دوباره تقویت می کند. حداکثر ضریب بالابر معمولاً توسط این دستگاه‌ها دو برابر می‌شود و بنابراین به جت‌های جامبوی بزرگ اجازه می‌دهد تا با سرعت‌های نسبتاً پایین باند فرود و برخاستند.
نوارهای لبه جلویی و لبه های انتهایی روی بال هواپیما
دفعه بعد که نزدیک بال ها نشستید، مشاهده کنید که چگونه این وسایل پس از برخاستن از زمین جمع شده و قبل از فرود فعال می شوند. در واقع، پرندگان دستگاه مشابهی بر روی بال های خود دارند. بال‌های خفاش‌ها از غشاهای نازک و انعطاف‌پذیری تشکیل شده‌اند که توسط استخوان‌های کوچک تقویت شده‌اند که سطح غشاء را زبر می‌کند و به انتقال جریان از آرام به متلاطم کمک می‌کند و از جدا شدن لایه‌های مرزی جلوگیری می‌کند. همانطور که اغلب در طراحی مهندسی اتفاق می افتد، می توان از طبیعت الهام گرفت!hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
smile260 smile016 :?:
تصویر

ارسال پست