Forskning undersøger vingeformer for at reducere hvirvel og vågenhed

Det er almindeligt at se stregformede skyer på himlen, kendt som kontrailer, slæbende bag motorerne i et jetfly.

Hvad der ikke altid er synligt, er en hvirvel, der kommer ud af spidsen af ​​hver vinge - som to små vandrette tornadoer - og efterlader et turbulent kølvandet bag køretøjet. Kølvandet udgør en destabiliserende flyvefare, især for mindre fly, der deler samme flyvevej.

Nyere forskning ved University of Illinois viste, at selvom de fleste vingeformer, der bruges i dag, skaber disse turbulente vågnehvirvler, vingegeometri kan designes til at reducere eller eliminere vingespidshvirvler næsten fuldstændigt. I undersøgelsen, hvirvel- og vågekarakteristika blev beregnet for tre klassiske vingedesign:den elliptiske vinge, og vingedesign udviklet i klassiske studier af R.T. Jones og Ludwig Prandt.

"Den elliptiske vingekonfiguration er blevet brugt som den gyldne standard for aerodynamisk effektivitet i mere end et århundrede. Vi lærer vores elever, at den har de optimale belastningsegenskaber, og at den ofte bruges, når man ser på vingeeffektivitet f.eks. minimere træk, " sagde Philip Ansell, adjunkt ved Institut for Luftfartsteknik ved U of I.

I en tidligere eksperimentel undersøgelse om optimering af vingekonfigurationer, Ansell lærte, at du kan opnå effektivitet af vingesystemet med en ikke-elliptisk vingeprofil. "Tidligere akademiske undersøgelser har vist, at teoretisk set, der er andre designs, der faktisk giver lavere modstand af en plan vinge for en fast mængde løftegenerering. Men det, der har manglet, er et egentligt æble-til-æble-eksperiment for at bevise det."

I denne nye forskning, Ansell, og hans kandidatstuderende, Prateek Ranjan, brugte de rigtige data fra den tidligere undersøgelse til at analysere de tre vingekonfigurationer.

"Vi jagtede dette ned, fordi vi så noget mærkeligt i vores målinger i det tidligere eksperiment. Følgelig, i denne nye undersøgelse, vi simulerede strømmen omkring disse tre vinger og så betydelige forskelle i, hvordan hvirvlerne og kølvandene udviklede sig fra hver af de tre vingetyper. Jones- og Prandtl-vingekonfigurationerne havde ikke vingespidshvirvler som den elliptiske vinge. De havde en meget mere gradvis bulkdeformation af hele kølvandsstrukturen, frem for en umiddelbar sammenhængende oprulning. Vi ved nu, at vi kan forsinke dannelsen af ​​vågehvirvelstrukturer, og øge den afstand, det tager en efterfølgende vågenhvirvel at rulle op med omkring 12 gange, gør det svagere og mindre til fare for flyet, der kommer ind i dets kølvand."

Ansell sagde, at denne information kan bruges til at skræddersy, hvordan formationsflyvning ses mellem fly, eller at udvikle en ny ideel konfiguration til liftbelastningen til starter og landinger, og efterfølgende reducere længden af ​​adskillelse mellem fly i samme flyvevej.

"Tilsluttede vingespidshvirvler har en tendens til at tage lang tid om at forsvinde, når de først dannes i atmosfæren. Så den tid, det tager for hvirvelen at forsvinde, skal regnes ind i starttidspunktet for det næste fly, der går i samme vej. Bevægelsen af luften produceret af disse hvirvler kan skabe en fare for efterslæbende fly, da det kan være uforudsigeligt og skabe farlige flyveregimer. Så brug af Jones- eller Prandtl-vingerne ville resultere i meget mindre turbulent luft bag et fly, " sagde Ansell.

Man skulle tro, at Ansells konklusion er kun at bruge Jones- eller Prandtl-fløjkonfigurationerne, men det er det ikke.

"En af de ting, der først tiltrak mig til emnet aerodynamik, er, at det rigtige svar altid afhænger af, hvad dine begrænsninger er. Hvis du bygger et lille ubemandet køretøj, der vil flyve med lav hastighed, du får en anden løsning til designbehov, end hvis du bygger et fly, der kan transportere mennesker i store højder og høje hastigheder. Så teknisk set, man kan argumentere for, at alle tre vingetyper er den bedste løsning. Spørgsmålet er, hvad er dine kørselsbegrænsninger, såsom vingespænd og vægt, bag at vælge en af ​​dem?"

Ansell tilføjede, at dette er en grundforskningsundersøgelse og ikke beregnet til at rådgive en bestemt flydesigner eller virksomhed.

"Vi kigger på, hvordan vingestrømmen opfører sig, og informationen kan bruges til at forstå, hvordan oprulningsprocessen af ​​hvirvler produceres. Denne undersøgelse giver os mulighed for at være opmærksomme på, hvordan vingekonfigurationen påvirker den bagende hvirveldannelse og -vågning ved at studere de ekstreme grænser for øjeblikkelige og forsinkede vortex roll-up processer, " sagde Ansell.

"Interessant nok har vi identificeret, at en af ​​de værste forbrydere af at skabe hvirvler faktisk er den elliptiske løft-fordeling, som også er blandt de mest konventionelle vingedesign. Det har helt sikkert ændret den måde, jeg taler om emnet på i mine klasser. I stedet for blot at henvise til de strømningsmønstre, der produceres bag vingen som et par 'vingespidshvirvler', ' Jeg har taget for at beskrive det fulde kølvand, der produceres som det efterfølgende hvirvelsystem."

Papiret, "Computational Analyse af Vortex Wakes uden Near-Field Rollup Karakteristika, " var medforfatter af Prateek Ranjan og Phillip J. Ansell. Det vises i Journal of Aircraft .