För luft som flyter över en vinge innebär både flödesavskiljning och turbulent flöde stört flöde bredvid ytan och jämnt flöde längre bort. Vid vilken tidpunkt säger man ” oh, detta flöde har förändrats från turbulens till separation ” (eller vice versa) och varför?
Jag undrar om separering endast involverar ett stört gränsskikt, medan turbulens kan innebära en större störning som i en stall?
Är det till exempel korrekt att säga att i stallet, ett redan turbulent flöde (ibland upplevt som burbling) lossnar?
Eller att virvelgeneratorer, utformade för att återuppliva ett stagnerande gränsskikt, gör det genom att skapa turbulens för att förhindra separation?
Kommentarer
- Nej till den sista frågan. Gränsskikt kan vara turbulenta.
- En bredare turbulens skulle självklart inkludera gränsskiktet. Men hur är det relaterat till flödesseparation?
- Turbulenta gränsskikt fördröjer separationen. scientificamerican.com/article/how-do-dimples-in-golf-ba
- @GuyInchbald det ’ är själva gränsskiktet som är turbulent.
- Dessa kommentarer och några svar har fått mig att utvidga frågan med ett par föreslagna exempel.
Svar
Flödesseparation och turbulent övergång är helt olika fenomen.
Flödesseparation drivs av en ogynnsam tryckgradient i flödet riktning. På den övre ytan av en lyftyta måste flödet sakta ner och återgå till fjärrtrycket när det närmar sig ytans bakkant. Så det finns en ogynnsam tryckgradient nära baksidan av foliens ovansidor. Problemet är att denna tryckgradient tränger igenom gränsskiktet ända ner till foliens hud och gränsskiktet har minskat på grund av hudfriktion. Resultatet är att om luften utanför gränsskiktet saktas ner till freestream-hastighet kan det leda till att gränsskiktet flyter på fel väg framåt över vingen. Flödet måste gå någonstans, så en bubbla bildas och strömlinjeformarna lyfter sig bort från huden. Laminära flödesgränsskikt är benägna att detta sker på grund av hastighetsprofilen för laminära gränsskikt.
Ett område med en stark ogynnsam tryckgradient kan också utvecklas precis bakom framkantens sugtopp. Detta kan bilda en bubbla och flöde återfäster ofta bakom den. En vanlig förekomst är att en laminär separationsbubbla bildas och att turbulent flöde återfäster sig bakom den. Dessa kan vara envisa och tenderar att producera hysteres i lyft mot AoA-kurvan.
Separation är mindre sannolikt att hända i turbulent flöde, eftersom det behöver en större ogynnsam tryckgradient för att hända.
Turbulens är starkt en funktion av freestream-hastighet, och bara svagt en funktion av tryckgradienter. I själva verket använder många turbulensmodeller bara plattor-turbulensdata (noll tryckgradient) och ignorerar tryckgradienterna helt.
Så skillnaden är att de orsakas av olika förhållanden. Separation kräver en ogynnsam tryckgradient som är tillräckligt stark för att säkerhetskopiera gränsskiktet och turbulens bryr sig inte så mycket om tryckgradienten.
Kommentarer
- Att skapa turbulent flöde på en slät vinge behöver en ogynnsam tryckgradient. Glöm inte ’ att nämna att
- @Abdullah I ’ jag gissar att du hänvisar till den här biten – ” Alla gränsskikt börjar som laminär. Många influenser kan verka för att destabilisera ett laminärt gränsskikt, vilket får det att övergå till turbulent. Bättre tryckgradienter, ytjämnhet, värme och akustisk energi, alla exempel på destabiliserande påverkan. När gränsskiktet övergår, går hudfriktionen upp. Detta är det primära resultatet av ett turbulent gränslager. Den gamla myten om lyftförlust är just det – en myt. ” Den negativa tryckgradienten har en svag effekt på turbulent t ransition, men det krävs inte.
- @Abdullah här är ett exempel där standardväggfunktionen för turbulent gränsskikt, som inte tar hänsyn till tryckgradienter, uppgraderas till en som gör det. – afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node100.htm
- Killar – varför don ’ ställer du en ny fråga? Det ’ är faktiskt ganska enkelt: En ogynnsam tryckgradient sänker hastigheten endast i huvudflödesriktningen och lämnar tvärflödeshastigheter orörda. Så dessa blir högre relativt till huvudflödeshastigheten som hjälper övergången längs.Och angående ” myten ” om ingen lyftförlust från tidig turbulent övergång: Fråga bara alla ägare av ett segelflygplan med Wortmann 67-170 och de kan säga att det är allt annat än en myt. Att förklara allt detta med tillräckligt djup vann dock ’, därför skulle en ny fråga hjälpa.
- På svepade vingar finns det inget behov av den negativa lutningen . Den förändrade flödesriktningen i gränsskiktet är helt tillräcklig för att utlösa övergången. Du bör antagligen lägga till att ditt svar bara gäller för raka vingar.
Svar
Vid vilken tidpunkt säger man ” åh, detta flöde har förändrats från turbulens till separation ”
Vid den punkt där flödet vänder om riktning.
Flödesseparation. Den djärva kurvan är ytan / vingen.
Ja, det kan hända.
Både turbulent och laminärt flöde kan separera. Turbulent flöde är faktiskt mindre troligtvis separerat än laminärt flöde. Det är därför flygplanets vingar ofta har enheter som medvetet skapar turbulens på vingen.
(Ja, separerat flöde ger negativ hudfriktion, men till priset av enormt tryckmotstånd)
Här ”ett (dåligt handritat) diagram som visar skillnaden mellan laminära, turbulenta och separerade flöden.
Bara ett förtydligande om stall. stall är när lyftreduceringen orsakad av flödesavskiljning överväger lyftökningen orsakad av flygning i ökad attackvinkel. Flödesavskiljning kan ske utan stall, och det kommer att minska nyttan från en högre attackvinkel i proportion till den utsträckning som flödet separeras, men stall kan inte ske utan flödesavskiljning.
Faktum är att många vingar har separerat flödet vid bakkanten någon gång före
stall ” nås. När man närmar sig ” stall ” expanderar området med separerat flöde framåt. Turbulensen som skapas av kölvattnet av detta separerade flöde träffar svansen och orsakar ” buffering ”, vilket ger piloten en varning om att han är närmar sig bås. Flygblad som saknar denna funktion, som superkritiska flygblad eller skarpa överljud, tenderar att vara farliga att flyga i långsam hastighet med sina inneboende höga angreppsvinklar.
Och som du kan se från diagrammet, flödesseparationen vid en given attackvinkel är mycket sämre för laminärt flöde än för turbulent flöde. Så det laminära separerade fallet är mer sannolikt att vara ett stall än det turbulenta separerade fallet.
Lyft mot attackvinkel för tunna, skarpa vingar kontra tjocka. för laminärt flöde faller i den tunna kategorin. Och som ovan kan det bara göra att ha eller inte ha laminärt flöde på en vinge.
Och ja, virvelgeneratorer förhindrar separation genom att skapa turbulens, vilket orsakar hög hastighet freestream luft för att blanda sig med låghastighetsgränsskikt, påskynda gränsskiktet. Det är en avvägning mellan dragningen av ett turbulent gränsskikt och det jämna större drag- och lyftförlust från flödesseparation.
Kommentarer
- Men vad är den tekniska skillnaden mellan separation och turbulens? Vilket är ditt diagram som visar och hur skulle ett diagram som visar det andra se ut?
- @GuyInchbald Tyvärr, det visar separation. Den djärva linjen är vingen. De normala linjerna med pilarader visar hastigheten på gränsskiktet.
- Tack. Det är vettigt nu.
- Skulle det sista, fristående turbulenta flödet vara det som kallas stallförhållandet?
- @GuyInchbald: Vingen är lätt instabil i tonhöjd (mer med mer camber ) och endast ving-svans-kombinationen med en installerad svans är perfekt stabil i stigning när vingen stannar. Den plötsliga, skarpa stallen orsakas av plötslig flödesavskiljning precis förbi snörets näsa (orsakar separerat flöde över mycket av skoveln) medan den godartade stallen orsakas av långsamt ökande separation som kommer från bakkanten och kryper framåt med ökande attack.
Svar
Tänk på gränslagret som en motorväg med flera banor med gummibilar som kan stöta in i varandra. Denna motorväg har en klibbig trottoarkant på ena sidan och bilarna är själva lite klibbiga, så bilar nära trottoarkanten blir ju långsammare ju närmare de är.
I ett fall stannar bilarna i sina körfält och längst till höger, precis intill trottoarkanten, (förlåt, ni australier, japaner eller indianer: För er som skulle vara den längst till vänster) upptas av långsammaste fordon. Hastigheten ökar med varje fil som är mer avlägsen från denna långsamma fil eftersom bilar gnuggar fint. Det här är som laminärt flöde.
Nu förändras trafiken och förarna byter körfält ofta. Resultatet är att bilar i de långsammaste filerna måste få fart. Nya banor ansluter sig till det snabbaste banan då och då så att hastigheten i den snabbaste banan inte saktar ner. Hastigheten är nu mycket jämnare över körfält men hela motorvägen blir bredare för att rymma alla de nya filerna med snabba fordon. Det här är som ett turbulent flöde.
Medan det i laminärt flöde strömmar luftsträngarna alla i den dominerande flödesriktningen, i turbulent flöde är det mycket tvärflöde, så dessa paket stöter på om de blir friktion med väggen (motorvägens klibbiga trottoarkant för att hålla sig på bilden) saktar ner dem för mycket. Detta kräver en konstant tillsats av nya högenergipaket så att hela gränsskiktet är tjockare och har en större hastighetsprofil.
Men om hastighetsgradienten längs den dominerande flödesriktningen är negativ (säg i kompressionsområdet i den bakre övre halvan av en flygplatta), blir bilarna i anslutningsfilerna långsammare och de långsammare filerna saktar också ner. Det är som om de följer en sekvens av hastighetsbegränsningar som säger till alla att minska sin hastighet med något MPH. Och sedan lite mer. Om hastigheten nära trottoarkanten (i den långsamma körfältet) sjunker till noll och sedan vänder, flödesavskiljning har inträffat. Nu fylls det långsammaste körfältet med fordon från båda riktningarna som skjuter bilarna i de angränsande filerna längre ut. Motorvägsbredden exploderar. p> Detta kan båda hända med ingen eller mycket körfältbyte; resultatet är detsamma. När det händer utan att någon fil ändras och förare ändrar sig om denna detalj längre nedströms , de nya bilarna som går med kommer nu att stöta på alla andra och få trafiken i rörelse igen. Detta beskriver en laminär separationsbubbla med återfästning nedströms.
Jag är undrar om separering endast innebär ett stört gränsskikt, medan turbulens kan innebära en större störning som i en stall?
Varje flöde separeras vid bakkanten. Med för mycket angreppsvinkel kryper denna separering framåt på ovansidan på tjocka vingar eller en ny separation börjar förbi sugtoppen nära näsan på tunna vingar. Denna separering, när den är tillräckligt omfattande, orsakar förlust av hiss och definierar stallet. Både laminärt och gränsskikt kan uppleva detta.
Ett speciellt fall är en laminär separationsbubbla som inträffar förbi sugtoppen men den efterföljande övergången till turbulent flöde orsakar återfästning. Detta kan fortfarande följas av en separering av det turbulenta gränsskiktet senare.
Är det till exempel korrekt att säga att i stallet är en redan -turbulent flöde (ibland upplevt som burbling) lossnar?
Ja, men också ett laminärt gränsskikt kan separera och orsaka stall (oftast vid modellflygvågar och mindre). ” burbling ” du nämner orsakas inte av detta utan av större virvlar som slår i svansen. Detta indikerar en större separering nära bakkanten på den inre vingen men med ingen eller liten lyftförlust. Denna typ av turbulens skiljer sig från den i ett gränsskikt och i mycket större skala.
Eller att virvelgeneratorer, utformade för att återuppliva en stagnerande gränslager, gör det genom att skapa turbulens för att förhindra separation?
Ja. Vortexgeneratorer lägger till fler höghastighetsfält till trafiken i gränsskiktet. De hjälper också till att fixa platsen för chocker i transsonisk flygning.
Kommentarer
- Bra. Nästa gång jag stiger på ett plan ska jag ’ titta på vingen och se den full av små gummistötfångare som gränsar överallt. 🙂
- Vad har Storbritannien gjort dig att det inte förtjänar något omnämnande? 🙂
- Jag skulle verkligen undvika att nämna molekyler alls . Turbulenta och laminära flöden handlar om kontinuum. Molekylerna är helt kaotiska i båda. Enskilda molekyler börjar betyda i helt olika skalor, den genomsnittliga fria vägen i luft är cirka 70 nm. Det finns en bra anledning till att flytande paket eller partiklar uppfanns sv.wikipedia.org/wiki/Fluid_parcel
- @VladimirF: Ja, det är vettigt. Jag ersatte dem med ” luftpaket ”.
- @TooTea: De smittade för många länder med sjukdomen att köra på fel sida av vägen.Men kanske skulle jag ge södra Afrika ett hedersnamn.