Forstå dynamisk stall ved høje hastigheder

Når en fugl i flugt lander, den udfører en hurtig pitch-up-manøvre under siddeprocessen for at undgå at overskride grenen eller telefonledningen. Inden for aerodynamik, denne handling frembringer et komplekst fænomen kendt som dynamisk stall. Selvom mange fastvingede fly kan modstå lignende hurtige pitch-up manøvrer, et køretøj, der er underlagt denne dynamiske stallproces, kan ikke pålideligt kontrolleres. Motiveret af manglen på detaljeret forståelse, Forskere fra University of Illinois tog et dybt dyk ned i fysikken i dynamisk stall, så den kan bruges fordelagtigt og pålideligt af fly.

"Der er komplekse turbulensstrømningsstrukturer i spil. Vi ved, at der dannes en stor hvirvel ved forkanten af ​​vingen og fører til meget store stigninger i løft såvel som stigninger i modstand. Efter den dynamiske stallhvirvel forlader vingens nærhed , der er et meget kraftigt fald i løft såvel som stigninger i modstand, og vi står tilbage med et meget svært at kontrollere flowfelt, " sagde Philip Ansell, adjunkt i Institut for Luft- og rumfartsteknik i College of Engineering ved U of I.

Ansell sagde, at problemet er blevet undersøgt ved lave hastigheder, også kendt som lave Reynolds-tal. Reynolds tal henviser til forholdet mellem, hvor hurtigt vingen går, vingestørrelsen, og viskositeten af ​​luftstrømmen omkring den. I dette studie, han og hans kandidatstuderende Rohit Gupta så på højere hastigheder, stadig subsonisk, men en størrelsesorden højere end hastigheden på fugle- eller insektflyvning. Ved højere hastigheder bliver processen væsentligt uorganiseret og vanskelig at forstå.

En komponent i undersøgelsen involverede vindtunnelforsøg ved hjælp af et flyveblad, som er et tværsnit af vinge. Bladformen blev strakt væg-til-væg hen over vindtunnelen.

"Motoren bruges i vindtunneltestning til at producere en meget hurtig pitch-up-bevægelse af bærefladen. Vi målte trykket med højfrekvente transducere på tværs af overfladen. Ud fra det karakteriserede vi nogle af de meget fine detaljer i tryksvingningerne, som ske under denne meget ustabile proces, "Ansell sagde." Vi brugte også et højhastigheds-laser- og kamerasystem til at måle strømningshastigheden for at få hele målekortet over hele overfladen, og hvordan strømningen udvikler sig over tid. "

Ansell sagde, at et af fokuspunkterne i denne undersøgelse var at forstå de turbulente udsving i luftstrømmen, hyppigheden af ​​denne udsving, og den rumlige skala og størrelse af disse udsving.

"Vi observerede, at de dynamiske stallvirvelstrukturer, vi ser ved lave hastigheder, vi ser ikke på samme måde ved høje hastigheder. I hvirvelen ved højere hastigheder er der i stedet små strømningsstrukturer. Hvirvelen er krydret med mindre træk i strømmen. Så denne klassiske hvirvel opfører sig ikke som én kæmpe struktur. Det er faktisk sammensat af små øjeblikkelige små hvirvler, der kollektivt virker sammen for at opføre sig som en større skala. Det er en del af den fysik, vi stadig forsøger at pakke vores hjerner om."

Ifølge Ansell, Målet er at teste Reynolds tal op til en million for at finde ud af, hvornår de store hvirvelfunktioner begynder at opføre sig i de bittesmå multiple hvirvler. Til sammenligning, en 737 kører med op omkring 20 mio.

I forståelsen af ​​fysikken i, hvad der sker i strømmen, Ansell sagde, at de kan se på måder at interagere med og kontrollere det på for at få ønskværdige egenskaber ud i en større skala og bruge det med fordel.

En ansøgning kan være at lande et fly på en kortere landingsbane.

"Jeg har brug for at vide, hvornår den hvirvel vil dannes og få det øgede løft, og så har det på en eller anden måde fortsætter over overfladen for at give mig en højere løfteevne til, sige, lande på et hangarskib. I andre tilfælde vil jeg måske forhindre, at hvirvelen overhovedet dannes, og der er måder, hvorpå jeg kan bruge aktivering til at interagere med flowet og forhindre hvirvelfremkomsten og den dynamiske stallproces i at ske, " sagde Ansell.

Studiet, "Ustabil Flow Physics of Airfoil Dynamic Stall, " blev skrevet af Rohit Gupta og Phillip Ansell. Det fremgår af AIAA Journal .