Гидродинамические характеристики крыльев

Схематизируя обтекание крыла набегающим параллельно-струйным потоком, ограниченным недеформируемыми плоскостями А и В (рис. 2.3), нетрудно сделать вывод о том, что в районе крыла скорости струйных линий тока, вследствие их искривления и стеснения, неравномерны и отличаются от скорости набегающего потока в сечении далеко перед крылом.

Вода, натекающая на крыло со скоростью , под некоторым положительным углом атаки, разделяется на верхнюю и нижнюю половины. При этом в потоке, обтекающем крыло, появляются вертикальные вызванные скорости, которые изменяют давление на верхней и нижней поверхности крыла. Экспериментально установлено, что на нижней стороне давление увеличивается, а на верхней, наоборот, уменьшается по сравнению с давлением р₀ в потоке далеко перед крылом на уровне его погружения. Распределение давления по профилю относительно осей x и y определяет подъемную силу крыла Р_у и его сопротивление Р_х.

Рис. 2.3 Схема обтекания крыла

Если рассматривать некоторую ось, параллельную оси Z, и проходящую через хорду крыла, то в общем случае равнодействующая R гидродинамических сил, действующих на крыло, создает относительно этой оси реактивный момент М=R_n* в₀, который стремится повернуть профиль крыла в положение нулевой подъемной силы. Значение этого момента характеризует удаление точки О приложения главного гидродинамического вектора R от передней кромки крыла.

Экспериментально-теоретическим путем установлено, что Р_у, Р_х и М могут быть определены по формулам:

где , , — безразмерные коэффициенты соответственно подъемной силы, сопротивления и момента.

Безразмерные коэффициенты , , и являются основными гидродинамическими характеристиками крыла. Они не зависят от среды, в которой движется крыло (воздух или вода) и соответственно равны для всех геометрически и гидродинамически подобных крыльев.

Гидродинамические коэффициенты , , и зависят от формы крыла, угла атаки , относительного размаха крыла , относительной глубины погружения и безразмерных критериев режима движения крыла Re и Fr. Кратко рассмотрены влияние основных геометрических и эксплуатационных параметров крыла на изменение его гидродинамических характеристик.

Влияние угла атаки на С_у, С_х и С_т. На рис. 2.4 приведены кривые качественного изменения С_у, С_х и С_m в зависимости от угла атаки . Из этого графика видно, что С_у с возрастанием сначала увеличивается практически по линейной зависимости, но затем, достигнув своего максимума, начинает падать. Это объясняется тем, что при достаточно больших углах атаки нарушается плавность обтекания крыла; на верхней стороне его сначала возникают местные срывы потока, а затем, по мере увеличения , область срыва струй все расширяется, давление в зоне возмущенного потока над крылом повышается, подъемная сила крыла падает, а сопротивление его резко возрастает.

Рис. 2.4 Качественная зависимость гидродинамических коэффициентов от угла атаки крыла

Как видно из зависимости C_y=f (), нулевое значение С_у располагается в зоне отрицательных углов атаки . Это объясняется тем, что истинный угол атаки больше геометрического на угол нулевой подъемной силы. Максимальное значение С_у для крыльев, используемых на современных СПК, соответствует углам атаки ≈ 10 ÷ 12°, которые, однако, не являются оптимальными. На этом же рисунке приведена кривая, представляющая гидродинамическое качество крыла . Эта величина характеризуется отношением подъемной силы крыла к силе сопротивления.

Коэффициент гидродинамического качества является главным критерием общей характеристики крыла, по которому оценивается целесообразность его практического использования. Как видно из графика, максимальное значение К располагается в зоне малых углов атаки (в пределах a = 1÷3°), которые, очевидно, и должны считаться оптимальными углами. Однако на СПК с малопогруженными крыльями установочные углы атаки принимаются часто не больше 1 градуса или даже отрицательными, что необходимо для обеспечения стабильного движения крыла вблизи поверхности, т. е. для предотвращения возможного «провала» или, «наоборот, «выскакивания» крыла на поверхность. При этом гидродинамическое качество снижается, но остается достаточно высоким.

Влияние удлинения λ на С_у, С_х и К. Влияние удлинения, или относительного размаха крыла на С_у, С_х и К показано на рис. 2.6.

С увеличением размаха крыла коэффициент подъемной силы возрастает, а коэффициент сопротивления, наоборот, падает. В результате гидродинамическое качество увеличивается. При значении λ > 10 все три коэффициента практически остаются неизменными. Эта зависимость С_у и С_х от λ объясняется влиянием так называемого скоса потока.

По концам движущегося крыла возникают концевые вихри, обусловленные перетеканием воды из зоны повышенного давления в зону пониженного давления, (Рис. 2.5). При этом, форма эпюры давлений, действующих на крыло, отличается от прямоугольной, характерной для крыла бесконечного размаха. В результате, подъемная сила крыла уменьшается.

Рис. 2.5 Распределение давлений по длине крыла конечного размаха

Очевидно, что относительное падение подъемной силы крыла будет тем больше, чем короче и шире крыло. Заметное снижение С_y наблюдается для крыльев с размахом λ < 5, а особенно резко — с размахом λ < 2. По относительному размаху различают крылья бесконечного размаха (λ —> ∞), крылья конечного размаха (∞ > λ > 2) и крылья малого удлинения (λ < 2). Для СПК применяют крылья конечного размаха при λ = 5÷l0.

Рис. 2.6 Влияние удлинения на гидродинамические коэффициенты

На выходной кромке крыла встречаются потоки с разными скоростями, что приводит к образованию вихревого следа за крылом и появлению вертикальной составляющей скорости потока w. Вследствие этого результирующая скорость потока отклоняется на угол . На этот же угол отклоняется результирующая сила R, проекция которой на направление движения представляет индуктивное сопротивление Хi.

Рис. 2.7. Схема образования индуктивного сопротивления.

Влияние глубины погружения на С_у и С (рис. 2.8). Изменение подъемной силы и сопротивления крыла в зоне малых относительных погружений объясняется влиянием свободной поверхности воды. Сущность влияния свободной поверхности воды

Рис. 2.8 Качественная зависимость С_у и С_х от глубины погружения крыла.

на подъемную силу крыла состоит в подтормаживании обтекающего спинку, крыла потока.

Рис. 2.9 влияние свободной поверхности воды на подъемную силу крыла

. Когда крыло движется на малой глубине, свободная поверхность под воздействием атмосферного давления образует над ним впадину, стремясь «заполнить» разреженную зону. Толщина слоя воды (гидравлическое сечение) над крылом при этом уменьшается, что вызывает торможение обтекающего потока и образование бугра (подъем уровня воды) над крылом в передней его части, который затем распространяется на всю ширину и, скатываясь, образует за, крылом волну (рис. 2.9). В результате степень разрежения над крылом уменьшается, следовательно, уменьшается и подъемная сила крыла. Образующаяся за крылом волна увеличивает сопротивление движению. Однако общее сопротивление при этом снижается вследствие уменьшения скорости потока, обтекающего крыло, а также уменьшению индуктивного сопротивления, связанного с подъемной силой крыла.

Влияние формы крыла на С_у и К.