Controlul stratului limită

Comportamentul stratului limită de pe spatele unui profil.

1) Stratul limită laminar	4) Punctul de separare
2) Tranziție	5) Strat separat
3) Substrat vâscos	6) Stratul turbulent

În dinamica fluidelor , cu controlul stratului limită (sau BLC , din English Boundary Layer Control ), sunt indicate o serie de metodologii pentru a preveni sau a întârzia detașarea stratului limită al unui fluid care curge de-a lungul unui perete.

Este deosebit de interesant pentru ingineria aeronautică , deoarece permite reducerea rezistenței unui aerofil în timp ce crește ridicarea acestuia, obținând caracteristici STOL fără a penaliza comportamentul la viteza de croazieră. ^{[1] [2]}

Istorie

Bazele pentru studiul stratului limită au fost puse în Germania la Aerodynamische Versuchsanstalt din Göttingen sub conducerea fructuoasă a lui Ludwig Prandtl începând din 1907 când Heinrich Blasius a derivat ecuațiile pentru a descrie stratul limitar laminar pe o placă plană. În 1926, Jacob Ackeret a publicat rezultatele testelor sale de aspirație la nivel limită. ^[3]

Primele experimente cu profile suflate, pe de altă parte, au fost efectuate întâmplător de către Galen Brandt Schubauer în 1933 ca parte a cercetării metodelor pentru creșterea impulsului în propulsia cu jet de către NACA , dar creșterile limitate ale eficienței propulsive obținute ( obiectivul principal al studiilor) nu a justificat, în viitorul imediat, investigații suplimentare în această privință. ^{[4] [5]} Primele experimente practice legate de clapeta suflată au fost efectuate de Hagedorn și Ruden în 1938, odată cu introducerea unei duze de evacuare care se desfășura de-a lungul marginii de ieșire a unui profil generând un jet laminar subțire cu dublu beneficiu de componenta verticală a impulsului jetului pe de o parte și creșterea circulației pe de altă parte. ^[6]

Mai târziu, Schubauer și-a continuat studiile privind stabilitatea stratului limită, dedicându-se în special îmbunătățirii tehnologiilor necesare obținerii rezultatelor experimentale pentru validarea teoriilor privind tranziția fluxurilor laminare în turbulente propuse de fizicienii germani W. Tollmien și H. Schlichting în anii treizeci . După război, după ce s-a mutat la șefa secției de studii aerodinamice a Biroului Național de Standarde , a contribuit considerabil cu departamentul său la înțelegerea fenomenelor fizice care reglementează tranziția stratului limită și în metodele de control pentru a realiza suprafețe portante mai eficiente, fluxuri în conducte și vehicule submarine. ^[7]

Aceste studii au condus Centrul de Cercetare Ames al NASA , între 1954 și 1957, să experimenteze diferite sisteme de control al stratului limită pe un Saber F-86F, incluzând aspirația marginii anterioare a aripilor și clapete și clapete suflate. ^[8] Primul a văzut lumina aplicațiilor practice, în 1954, la vânătoarea îmbarcată Grumman F9F-4 și Lockheed F-104 Starfighter cu introducerea clapetei suflate pentru a reduce viteza standului în apropierea de aterizare.

Avioanele de transport cu caracteristici pronunțate de decolare și aterizare ( STOL ) au fost studiate în Franța și Regatul Unit , cu Breguet Br 941 ^[8] și respectiv Hunting H.126 ^[9], dar au rămas în stadiul prototipurilor experimentale . Și în Japonia , la sfârșitul anilor 1960, au fost dezvoltate sisteme de control al stratului limită cu hidroavionul ShinMaywa PS-1 . ^[8]

Din 2005, pe baza specificațiilor emise de Laboratorul de Cercetare a Forțelor Aeriene pentru un avion STOL / de transport strategic destinat înlocuirii modelului C-130 , au fost propuși demonstranți (de către Boeing și Lockheed Martin ) care vor folosi pe scară largă sistemele pentru circulație sporită pe aripă și profiluri suflate pentru a putea combina viteza redusă de blocare a unui avion STOL cu eficiența ridicată a vitezei de croazieră a unui avion strategic de transport. ^{[10] [11]}

Descrierea fenomenului

Simulare numerică a unui strat limită: în prima parte există un strat limitar laminar, care, pe măsură ce avansează, se transformă într-un strat limită turbulent

Într-un fluid vâscos (cum ar fi aerul) care curge tangențial către un perete, viteza de curgere va scădea în apropierea corpului ^[12] până când dispare pe suprafața sa (condiție de aderență). Această încetinire face ca pe măsură ce curge fluxul pe corp să se formeze o regiune din ce în ce mai groasă în care viteza de curgere este încetinită și un gradient de presiune advers ^[13] care se opune mișcării fluxului.

Stratul limită poate fi de două tipuri: laminar (în care fluidul curge în straturi ordonate și care nu se intersectează) și turbulent (în care particulele de fluid se amestecă într-un mod haotic). Starea de laminaritate a debitului este o caracteristică direct dependentă de viteza și distanța marginii anterioare și apare pentru numere reduse de Reynolds . ^[14] În absența altor factori perturbatori, creșterea vitezei sau a distanței parcurse de fluid pe corp va trece de la fluxul laminar la cel turbulent. Deoarece rezistența la frecare generată între fluid și corp este mult mai mare într-un strat turbulent datorită pierderii de impuls a moleculelor de aer datorită amestecării și încălzirii consecvente, pare clar că posibilitatea de a menține condițiile de laminare a fluxului pe avioanele de transport pot duce la avantaje semnificative în ceea ce privește autonomia și / sau economia de combustibil. ^[15]

Pentru distanțe mai mari parcurse de fluid pe corp, se poate întâmpla ca gradientul de presiune advers să crească într-o asemenea măsură încât să provoace separarea fluxului de corp, generând vârtejuri, curenți de recirculare și, în profiluri aerodinamice cu un unghi ridicat. de atac, o creștere a rezistenței considerabile a formei .

Pentru a întârzia tranziția și, în consecință, punctul de separare, au fost studiate diferite sisteme de control ale stratului limită care asigură scăderea celui mai puțin energetic strat sau energizarea acestuia.

Aspirarea stratului limită

Acest NASA F-16XL a instalat un sistem de aspirare a stratului limită pe aripa stângă.

Tehnica de aspirație a stratului limită implică aspirația, de-a lungul direcției de avansare a fluxului, a fluidului cel mai în contact cu corpul, pentru a îndepărta cel mai puțin energic strat din flux și a muta punctul de separare înainte. Acest lucru se realizează în mod continuu utilizând pereți microporoși sau, într-un mod discret, cu fante dispuse transversal față de mișcarea fluidului, puse în comunicație cu o pompă care generează vidul necesar pentru a permite aspirarea particulelor mai lente de stratul limită. ^[15]

Pentru a vă asigura că un sistem de aspirație a stratului limită funcționează așa cum a fost proiectat, trebuie evitate imperfecțiunile profilului care perturbă stratul limitar laminar care declanșează tranziția acestuia la turbulent. Acestea pot fi atât constructive (cuplaje și îmbinări ale panourilor aripilor), cât și de mediu, cum ar fi impacturile cu insectele și creșterile asociate datorate reziduurilor de material organic, sau atmosferice (ploaie, gheață, praf) care pot ocluzi micro-găurile, modificând câmp de aspirație. Soluția nu simplă a acestor probleme a dus la încetinirea (în timpul celui de-al doilea război mondial și în anii următori imediat) a diferitelor programe de testare a zborului pentru controlul stratului limită prin aspirație în favoarea altor sisteme mai puțin „delicate” (studiu a profilelor profilelor laminare și suflate). ^[15]

Un nou impuls pentru cercetare a venit, în a doua jumătate a anilor 1950, din programul referitor la dezvoltarea bombardierului B-70 . Inginerul elvețian Werner Pfenninger de la Northrop Corporation s-a dedicat analizei influenței dăunătoare a unghiului de deviere a aripilor asupra stabilității stratului limitar laminar. ^[16]

Prima aeronavă (experimentală) care a zburat cu o aripă cu un sistem de aspirare a stratului limită complet a fost Northrop X-21 , care a decolat pentru prima dată în aprilie 1963. Aripa sa a prezentat o serie de fisuri subțiri (aproximativ 800.000) care s-au extins pe tot parcursul anvergura aripilor din care a fost aspirat stratul limită. Deși a demonstrat posibilitatea obținerii unui strat limitar laminar pe aproximativ 75% din suprafața aripii, programul a fost ulterior întrerupt din cauza întreținerii excesive necesare pentru a menține fisurile curate și libere de corpuri străine. ^[17]

Lucrarea a fost apoi continuată în anii nouăzeci de NASA, ca parte a proiectului de cercetare pentru un avion de transport civil supersonic HSCT ( High Speed ​​Civil Transport ). O instalație de testare a fost instalată pe aripa stângă a unui F-16XL constând dintr-o foaie de titan modelată pe profilul aripii perforate a 12 milioane de micro-găuri gravate cu laser conectate printr-un sistem de tuburi și supape de reglare la o turbocompresor deplasat de aerul atins de compresorul motorului. ^[18]

Cu acest sistem este posibil să se obțină coeficienți de ridicare maximi de ordinul 5 comparativ cu 1,5 ai unui profil convențional, dar până în prezent nu este utilizat pe aeronavele de producție datorită complexității sale operaționale.

Suflarea stratului limită

O modalitate alternativă de a întârzia separarea stratului limită este de a injecta un flux de aer cu viteză mare tangențial la suprafața profilului. Această creștere a impulsului accelerează din nou particulele mai lente ale stratului limită care au fost încetinite de efectele de perete vâscos, permițând astfel o creștere a unghiului de atac la care se oprește profilul.

Aripă suflată

Breguet Br 941 a fost primul avion care a introdus conceptul de aripă suflată în hiper-ostentație.

O clapetă de tip convențional mărește coeficientul de ridicare al unui aerofil, mărind curbura acestuia și (în funcție de model) coarda . Deoarece clapeta este plasată într-o zonă supusă în mod natural separării stratului limită, se utilizează sisteme pasive (fante, ca și în clapa fantei în care o fanta conectează burta profilului cu partea din spate a clapetei, energizând limita strat) și activ ca clapeta suflată, în care fluxul de eșapament al motoarelor lovește clapele, crescând viteza fluxului de aer pe profil și efectul relativ Coandă . ^[6]

Una dintre primele aplicații cu aripi suflate a fost aeronava de transport franceză Breguet Br 941 . Cele patru motoare cu turbopropulsor au fost aranjate în așa fel încât fluxul generat de elicele supradimensionate să investească complet aripile. La aterizare, clapetele sale (care aveau forma care amintește de lamelele jaluzelelor ) extinse la un unghi de 97 ° deviau fluxul de aer produs de elici în jos, permițând viteze de apropiere deosebit de mici. ^[19]

Ulterior, pe unele aeronave cu motoare turbofan, inclusiv Boeing YC-14 și Antonov An-72 , au fost testate configurații USB ( suflare la suprafață superioară ) cu motoare plasate deasupra aripii și cu evacuare directă pe spatele clapelor. Multe avioane de transport moderne, de la McDonnell Douglas C-17 la Airbus A380 , exploatează fluxul de gaze de eșapament de la motoarele lor cu reacție (instalate sub aripă) care lovesc clapele doar când sunt extinse.

Clapeta cu jet

Secțiunea unei clapete F-104 . A indică duzele din care iese fluxul de aer comprimat (în roșu în desen) atins de compresorul motorului General Electric J79 și transportat în aripă prin conducta C.

Pentru a controla stratul limită, aerul comprimat, atins de motoarele aeronavei, poate fi, de asemenea, transportat în mod adecvat cu țevi și duze, astfel încât să-l distribuie într-un strat subțire pe spate sau pe marginea din spate a profilelor (ca în experiment avioane de transport English Hunting H.126 ).

Prin clapeta cu jet se înțelege ejecția unui jet plat de aer comprimat extins pe întreaga margine de ieșire a aripii capabilă să inducă un flux asimetric și o circulație suplimentară pe aripă însăși, care produce un efect egal cu cel al unei clapete mari. Pentru a facilita variația unghiului cu care jetul părăsește marginea din spate față de direcția fluxului netulburat, aerul este în general expulzat din fantele situate în amonte de marginea din spate a aripii, pe spatele unei mici clapete care poate să fie înclinat la un unghi adecvat. Această schemă, utilizată de exemplu pe F-104 , necesită conducte care traversează aripa și, prin urmare, este cunoscută și ca sistem de flux intern. ^[20]

Alte metode de control

O tehnică mai recentă prevede introducerea unui jet cu o direcție opusă celei a fluxului de aer la marginea de conducere în apropierea punctului de stagnare. Acest jet are două efecte principale. Primul constă în anticiparea tranziției la regimul turbulent al stratului limită de pe spatele profilului pentru a favoriza transportul energiei prin amestecarea moleculelor de aer din straturile exterioare cu cele apropiate de perete. Al doilea este îngroșarea aerodinamică a profilului la unghiuri mari de atac care ajută la întârzierea (sau eliminarea) separării fluxului. ^[21]

O altă metodă experimentală utilizată pentru a controla tranziția către un strat limită turbulent utilizează dispozitive MEMS (sistem micro-electromecanic) care, vibrând la o frecvență adecvată, favorizează o tranziție rapidă prin reducerea dimensiunii bulei de separare laminară, întârzierea separării și anticiparea reatașării fluxului. ^[22]

Notă

Bibliografie

• ( EN ) BW McCormick, Aerodinamica zborului de decolare și aterizare verticale / scurte , Dover Publications Inc., 1999, ISBN 0-486-40460-9 .
• Hermann Schlichting, Klaus Gersten, E. Krause, H. Jr. Oertel, C. Mayes, Boundary-Layer Theory - ediția a VIII-a , Springer, 2004, ISBN 3-540-66270-7 .
• ( EN ) Brandon T. Buerge, The vortex clap ( PDF ), WASHINGTON UNIVERSITY IN ST. LOUIS, 2008, număr UMI: 3332070 (arhivat din original la 16 septembrie 2011) .
• Jonathan Kweder, Chad C. Panther și James E. Smith, Aplicații de control al circulației, ieri și astăzi ( PDF ) ^{[ link broken ]} , International Journal of Engineering (IJE), 2010, ISSN 1985-2312.

Elemente conexe

• strat limită
• hiperflapper
• STOL

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Boundary Layer Control

Portalul aviației

Portal de inginerie