2. Материалы и методы
2.1 Создание установки для измерения аэродинамических характеристик модели крыла самолета
Для измерения основных аэродинамических характеристик была создана установка (см. Приложение 4), которая включает в себя следующие части: аэродинамическую трубу и аэродинамические весы.
2.2 Изготовление моделей крыльев самолета
Для испытаний были изготовлены модели крыла самолета разной формы. Модели крыльев изготовлены из бальзы.
2.3 Измерение подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла
Измерение подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла производилось следующим образом: Сначала приводят весы в равновесие. Включают аэродинамическую трубу. Измеряют скорость воздушного потока. Исследуемую модель крыла закрепляют на штативе аэродинамических весов, которые располагаются на расстоянии 40 см от аэродинамической трубы. Поток воздуха из трубы направляют на модель и измеряют значения подъемной силы и лобового сопротивления на электронных весах при разных углах атаки. Далее берут модель крыла другой формы и также измеряют показания подъемной силы и лобового сопротивления.
2.4 Снятие спектров обтекания модели крыла формы «полумесяца» в компьютерной программе «Виртуальная аэродинамическая труба»
В компьютерной программе «Виртуальная аэродинамическая труба» была создана модель крыла формы «полумесяца». Размеры компьютерной модели соответствуют размерам модели изготовленной из бальзы для аэродинамических испытаний в аэродинамической трубе.
Включив программу в режим «Продувка модели» (скорость продувки равна скорости потока воздуха в изготовленной аэродинамической трубе), были сняты спектры обтекания модели крыла формы «полумесяца».
2.5 Подбор формы законцовок крыла для модели крыла формы «полумесяца» в компьютерной программе «Электронная аэродинамическая труба»
индуктивный сопротивление самолет крыло
Конструирование различных форм законцовок крыла проводилось, ориентируясь на спектры обтекания следующим образом: рисовалась законцовка, снимался спектр обтекания, рассматривался воздушный поток, если возмущение потока увеличивалось или не изменялось (вихревые жгуты оставались той же формы и размера), то переходили к созданию законцовки новой формы. Также были применены аэродинамические гребни для препятствия перетекания воздушного потока вдоль крыла. В результате была подобрана форма законцовки крыла дающая наименьшее возмущение воздушного потока (вихревые жгуты значительно уменьшились).
2.6 Изготовление модели крыла самолета формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями
Для испытаний была изготовлена модель крыла самолета формы «полумесяца» с выбранными законцовками и аэродинамическими гребнями. Модель крыла изготовлена из бальзы.
2.7 Измерение подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями весовым методом в аэродинамической трубе
Измерение показаний подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями проводят на установке для измерения аэродинамических характеристик.
3. Результаты
3.1 Расчет коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества для моделей крыла разной формы
По результатам опытов следует рассчитать коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления и аэродинамическое качество разных по форме моделей крыла по формулам для расчетов коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества.
По результатам строят графики зависимости коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки, и графики зависимости аэродинамического качества от угла атаки для разных по форме моделей крыла.
3.2 Расчет коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества для модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями
По результатам опытов следует рассчитать коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления и аэродинамическое качество модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями по формулам для расчетов коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества.
По результатам строят графики зависимости коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки, и графики зависимости аэродинамического качества от угла атаки для модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями.
4. Анализ полученных результатов
Проанализировав результаты работы, можно увидеть, как изменяются аэродинамические характеристики моделей разной формы от угла атаки. При малых углах атаки у всех моделей крыльев наблюдается быстрый рост подъемной силы и небольшое увеличение лобового сопротивления. Увеличив угол атаки можно заметить, что значения подъемной силы увеличиваются, но медленнее, а вот лобовое сопротивление начинает расти быстрее. Плавное обтекание поверхности крыла воздушным потоком прекращается. Наступает угол атаки, при превышении этого угла, подъемная сила падает, а лобовое сопротивление увеличивается. Этот угол называют критическим. После этого происходит срыв воздушного потока. Крыло не летит, оно падает. Для крыльев прямоугольной, трапециевидной, стреловидной, обратной стреловидности, элипсовидной формы и формы «полумесяца» критический угол атаки равен б = 300, для крыла треугольной формы б= 400, а для модели формы «крыло птицы чайки» б = 200.
Также можно заметить, изменение коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от геометрической формы крыла. Наибольший коэффициент подъемной силы у крыльев треугольной формы (Сy= 1,1) и обратной стреловидности (Сy = 1,0). У крыла формы «полумесяц» также достаточно высокий коэффициент подъемной силы (Сy = 0,98). Наименьшими коэффициентами лобового сопротивления на критических углах атаки обладают: модель крыла элипсовидной формы (Сx= 0,36) и модель крыла формы «крыло птицы чайки» (Сx =0,26).
Исходя из того, что у лучшего, совершенного крыла аэродинамическое качество выше, получилось, что наилучшими крыльями оказались крыло элипсовидной формы и крыло треугольной формы. Для элипсовидного крыла аэродинамическое качество К=14,0, а для крыла треугольной формы аэродинамическое качество К=11,0. Что совпадает с результатами ранее проводимых исследований [6, 7]. Также высокое аэродинамическое качество и у модели формы «крыло птицы чайки» К= 10,0.
Исследовав спектры обтекания модели крыла формы «полумесяца» была выбрана форма законцовок, использование которых приводит к уменьшению возмущения воздушного потока, о чем можно судить по уменьшению вихревых жгутов. Были использованы аэродинамические гребни для препятствия перетекания воздушного потока вдоль крыла. Проведя исследования в аэродинамической трубе, наблюдалось увеличение подъемной силы вследствие увеличения площади модели крыла за счет законцовок. Однако было выявлено уменьшение коэффициента лобового сопротивления и увеличение аэродинамического качества у модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями, что связано с уменьшением интенсивности вихревых жгутов, т.е. с уменьшением индуктивного сопротивления.
В работе была изучена зависимость аэродинамических характеристик только от геометрической формы крыла и угла атаки, но они также еще зависят от площади и профиля крыла, скорости потока воздуха и еще от ряда других факторов.
Для точности эксперимента надо соблюдать следующие условия: поток воздуха из аэродинамической трубы должен быть постоянным; ось аэродинамической трубы должна быть совмещена с осью модели крыла; расстояние от конца трубы до места крепления крыла должно быть одинаковым во всех экспериментах.
Вывод
индуктивный сопротивление самолет крыло
В ходе исследования, были изучены аэродинамические характеристики моделей крыльев самолета разной формы, а также зависимость этих характеристик от угла атаки.
После анализа полученных данных, сделан вывод о том, что модель крыла эллипсовидной формы обладает лучшими аэродинамическими характеристиками. Несмотря на сложность конструкции этого типа крыла, оно обладает самым высоким аэродинамическим качеством, минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе. Предложенные в качестве эксперимента модели крыльев формы «полумесяца» и формы «крыло птицы чайки» обладают также неплохими аэродинамическими характеристиками.
Применение законцовок и аэродинамических гребней у модели крыла формы «полумесяца» привело к уменьшению коэффициента лобового сопротивления с ростом угла атаки за счет уменьшения его составляющей индуктивного сопротивления и к увеличению аэродинамического качества этой модели крыла (К=9,8), что составляет примерно 11% от предыдущего. Модель с такой формой крыла будет иметь достаточно большую скорость и меньший расход топлива.
В ходе работы была подтверждена гипотеза: аэродинамические характеристики модели крыла зависят от геометрической формы крыла.
Цели и задачи, поставленные в данной работе, выполнены.
В результате исследовательской работы я узнал, какие бывают аэродинамические характеристики и как они зависят от геометрической формы модели крыла. Также я выяснил, как проводят испытания моделей крыльев самолетов в аэродинамических трубах. Было довольно сложно сделать аэродинамическую трубу, с необходимыми для испытаний параметрами. Также не просто было изготовить и модели крыльев самолета разной формы. Меня удивило, что, несмотря на малый размер моделей крыла, полученные результаты, совпадают с теоретическими результатами, описанными в научной литературе. Использовав компьютерную программу «Виртуальная аэродинамическая труба» и изучив, как влияет изменение законцовок и аэродинамических гребней на поток обтекания крыла я подобрал форму законцовок крыла, что привело к улучшению аэродинамических характеристик сконструированной мной модели крыла. Мне захотелось продолжить изучение аэродинамических характеристик и выявить их зависимость от других факторов.
Список литературы
1. Ефимов В.В. Ефимова М.Г. Основы авиации. Часть I Основы аэродинамики полета летательных аппаратов: Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2012 - 64 с.
2. Коврижных Е.Н. Мирошин А.Н. Стариков Ю.Н. Ушаков Н.У. Аэродинамика: методические указания по выполнению лабораторных работ. - Ульяновск: УВАУГА, 2005 - 55 с.
3. Стариков Ю.Н. Коврижных Е.Н. Основы аэродинамики летательных аппаратов. Учебное пособие. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2004. - 151 с.