XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Аэродинамика
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Крыло самолёта, как наиболее значимая часть самолёта, оказывает решающее влияние на характер взаимодействия самолёта с воздушной средой, т.е. аэродинамическое сопротивление, которое мешает двигаться самолёту вперед, резко увеличивается с ростом скорости движения. В настоящее время возникла необходимость создания крыльев самолёта с более низким аэродинамическим сопротивлением.
Цель:
Узнать, что такое аэродинамика и понять, как аэродинамика влияет на полёт самолёта.
Задачи:
-
Изучить различные источники информации по аэродинамике самолёта
-
Изучить материалы по испытаниям аэродинамики самолёта
-
Обобщить, проанализировать изученный материал
1. Материалы исследования
Аэродинамика
Аэродинамика - это изучение движения воздуха, особенно при воздействии твердого объекта, такого как крыло самолета. Она включает в себя темы, охватываемые в области гидродинамики и ее газовой динамики.
Общие сведения об аэродинамических исследованиях самолёта.
Крыло в авиационной технике — несущая поверхность, имеющая в сечении по направлению потока профилированную форму и предназначенная для создания аэродинамической подъёмной силы. Крыло самолёта может иметь различную форму в плане, а по размаху — различную форму сечений в плоскостях, параллельных плоскости симметрии самолёта, а также различные углы крутки сечений в указанных плоскостях.
Аэродинамическая сила
При обтекании потокам воздуха пластины, расположенной параллельно линиям тока из-за разности давлений и сил трения, возникает аэродинамическая сила.
Несимметричным оно станет в том случае, если пластину наклонить, возникающая аэродинамическая сила будет направлена под углом к потоку. Угол наклона пластины называют углом атаки.
Аэродинамические силы. Обтекание тел воздушным потоком
При обтекании твердого тела воздушный поток подвергается деформации, что приводит к изменению скорости, давления, температуры и плотности в струйках потока. Таким образом, около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений воздуха. Наличие различных по величине давлений у поверхности твердого тела приводит к возникновению аэродинамических сил и моментов. Распределение этих сил зависит от характера обтекания тела, его положения в потоке, конфигурации тела. Для изучения физической картины обтекания твердых тел применяются различные способы показа видимой картины обтекания тела. Видимую картину обтекания тел воздушным потоком принято называть аэродинамическим спектром.
В дымканале (см. приложение 1) аэродинамический спектр создается струйками дыма, выпускаемыми из специального дымаря в поток воздуха, обтекающий тело. Сущность способа с использованием шелковинок состоит в том, что в интересующих местах на поверхность обтекаемого тела наклеиваются специальные шелковинки, которые при обдуве тела располагаются вдоль обтекающих тело струек. По положению шелковинок судят о характере движения потока вблизи поверхности тела.
Геометрические характеристики крыла
Геометрические характеристики крыла сводятся в основном к характеристикам формы крыла в плане и к характеристикам профиля крыла. Крылья современных самолетов по форме в плане могут быть эллипсовидные, прямоугольные, трапециевидные, стреловидные и треугольные. Наилучшей в аэродинамическом отношении является эллипсовидная форма, но такое крыло сложно в производстве, поэтому редко применяется. Прямоугольное крыло менее выгодно с точки зрения аэродинамики, но значительно проще в изготовлении. Трапециевидное крыло по аэродинамическим характеристикам лучше прямоугольного, но несколько сложнее в изготовлении. Стреловидные и треугольные крылья в аэродинамическом отношении на дозвуковых скоростях уступают трапециевидным и прямоугольным, но на околозвуковых и сверхзвуковых имеют значительные преимущества. Поэтому такие крылья применяются только на самолетах, летающих на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях (см. приложение 2).
2. Главные задачи для создания аэродинамического крыла
1.Уменьшение сопротивления воздуха и, как следствие, увеличение максимальной скорости и снижение расхода топлива.
2.Выбрать наилучшую форму крыла при создании определённого самолёта.
3. 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. Результаты расчетов записывают в таблицы:
Таблица 1. Прямоугольное крыло
|
Угол атаки, α 0 |
00 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
|
Коэффициент подъемной силы, Сy |
0,17 |
0,46 |
0,70 |
0,80 |
0,78 |
0,72 |
|
Коэффициент лобового сопротивления, Сх |
0,10 |
0,11 |
0,23 |
0,37 |
0,57 |
0,78 |
|
Аэродинамическое качество, К |
1,70 |
4,18 |
3,04 |
2, 16 |
1,37 |
0,92 |
Таблица 2. Трапециевидное крыло
|
Угол атаки, α 0 |
00 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
|
Коэффициент подъемной силы, Сy |
0,19 |
0,46 |
0,79 |
0,81 |
0,77 |
0,70 |
|
Коэффициент лобового сопротивления, Сх |
0,05 |
0,10 |
0,28 |
0,54 |
0,68 |
0,80 |
|
Аэродинамическое качество, К |
3,80 |
4,60 |
2,82 |
1,50 |
1,13 |
0,88 |
Таблица 3. Элипсовидное крыло
|
Угол атаки, α 0 |
-50 |
00 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
|
Коэффициент подъемной силы, Сy |
0.06 |
0,28 |
0,66 |
0,70 |
0,75 |
1,72 |
0,67 |
|
Коэффициент лобового сопротивления, Сх |
0,02 |
0,02 |
0,10 |
0,26 |
0,36 |
0,49 |
0,63 |
|
Аэродинамическое качество, К |
3,00 |
14,00 |
6,60 |
2,69 |
2,08 |
1,50 |
1,06 |
Таблица 4. Треугольное крыло
|
Угол атаки, α 0 |
-50 |
00 |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
|
Коэффициент подъемной силы, Сy |
-0.01 |
0,11 |
0,54 |
0,85 |
0,98 |
1,10 |
0,69 |
|
Коэффициент лобового сопротивления, Сх |
0,01 |
0,01 |
0,07 |
0,25 |
0,47 |
0,66 |
0,69 |
|
Аэродинамическое качество, К |
- 1,00 |
11,00 |
7,71 |
3,40 |
2,09 |
1,67 |
1,00 |
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 α = 300, для крыла треугольной формы α= 400 , а для модели формы «крыло птицы чайки» α = 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). Наименьшим коэффициентом лобового сопротивления на больших углах атаки обладает крыло элипсовидной формы (Сx= 0,36).
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. Также высокое аэродинамическое качество и у модели формы «крыло птицы чайки» К= 10,0.
5. Вывод
Таким образом, аэродинамика – раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в воздухе. От формы и угла атаки крыла зависит коэффициент подъемной силы, коэффициент лобового сопротивления, аэродинамическое качество, т.е аэродинамика целого самолёта. 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 имеет лучшее аэродинамическое качество, а значит, авиамодель будет иметь хорошие скоростные характеристики, легкость подъема и большую обтекаемость.
Библиография
Аржаников Н.С., Мальцев В.Н. – «Аэродинамика»;
Аронин Г.С. – «Практическая аэродинамика»;
Голубев А.Г., Калугин В.Т., Луценко А.Ю., Москаленко В.О., Столярова Е.Г., Хлупнов А.И., Чернуха П.А. – «Аэродинамика (2010)»;
Карафоли Е. – «Аэродинамика крыла самолета»;
Журнал «Аэродинамика крыльев с деформацией серединной поверхности при сверхзвуковых скоростях 1969. Выпуск 293».
Интернет-источники
«Основы аэродинамики и динамики полёта летательных аппаратов» (05.02.2023) https://bgaa.by/sites/default/files/inline-files/aerodinamika_i_dinamika.pdf
«Аэродинамика самолёта» (29.01.2023) https://vzletim.ru/upload/iblock/e28/aerodynamics02.pdf
Приложения
Приложение 1
1 - источник дыма; 2 - струйки дыма; 3 - обтекаемое тело; 4 – вентилятор
Приложение 2
Элипсовидная форма крыла. прямоугольная форма крыла.
трапециевидная форма крыла. стреловидная форма крыла.
треугольная форма крыла. крыло обратной стреловидности.