RC Modely

Mezní vrstva a třecí odpor

Profilový odpor tělesa je způsoben vazkostí prostředí. V ideální tekutině profilový odpor neexistuje. U plyule obtékaných těles má vazkost vliv na obtékání jen v těsné blízkosti povrchu tělesa. Jednotlivé částice tekutiny tam ztrácejí rychlost vlivem tření a vytvářejí tenkou oblast proudění, ve které je průběh rychlosti zcela jiný, než by vyplývalo z teorie ideální tekutiny. Této oblasti říkáme mezní vrstva. Typický průběh mezní vrstvy na profilu při malých úhlech náběhu je na obrázku 14.

Ztráta rychlosti částic znamená ztrátu jejich hybnosti, kterou předávají profilu - tak vzniká třecí odpor profilu; mezní vrstva přechází na odtokové hraně v úplav - oblast snížené rychlosti za křídlem.
Mezní vrstva na křídlech běžných letounů je velmi tenká (desetiny milimetrů až několik milimetrů). Její tvar závisí značně na tvaru profilu a na úhlu náběhu. Pro jednoduchost bude další vysvětlení pro rovnou desku.
Mezní vrstva tloustne neustále od náběžné hrany desky. Rychlost vzrůstá se vzdáleností od povrchu desky, kde je nulová, spojitě až po okraj vrstvy, kde dosáhne hodnoty rychlosti nerušeného proudu. do určité vzdálenosti od náběžné hrany jsou vektory rychlosti v mezní vrstvě rovnoběžné (proudnice jsou rovnoběžné). Této části mezní vrstvy říkáme laminární mezní vrstva. V určité vzdálenosti od náběžné hrany se proudnice laminární mezní vrstvy zvlní, rychlosti přestanou být rovnoběžné a objeví se drobné rozvíření (turbulence). Mezní vrstva ztloustne a profil rychlostí změní svůj tvar. Této části mezní vrstvy říkáme turbulentní mezní vrstva. Místo, kde laminární mezní vrstva přechází v turbulentní, se nazývá oblast přechodu.



Vliv vazkosti na obtékání vyjadřuje bezrozměrné číslo R (Reynoldsovo číslo). Toto číslo můžeme zjednodušeně charakterizovat jako poměr setrvačných a třecích sil působících na určitou část tekutiny. Je-li velké, mají třecí síly malý vliv a naopak. Typickým případem proudění, kdy třecí síly mají velký vliv (nízké R) je proudění hustého oleje při přelévání nebo proudění vzduchu kolem malých předmětů velmi malými rychlostmi. Typickým případem proudění, kdy třecí síly mají malý vliv (vysoké R) je spojité obtékání aerodynamicky jemných letadel, kde se proudění blíží ideálním podmínkám a kde se vlivy vazkosti omezují jen na tenkou mezní vrstvu.
Má-li deska jako celek hodnotu čísla R menší než Rkrit (hloubka desky je menší než lkrit) , vytvoří se na ní pouze laminární mezní vrstva. Je-li její číslo R o mnoho větší než kritické, vytvoří se na větší části desky turbulentní mezní vrstva (obr.16)



Bod přechodu laminární vrstvy do vrstvy turbulentní závisí na těchto okolnostech:

Bod se posunuje dozadu (oblast laminární mezní vrstvy se zvětšuje)

• klesá-li v jeho okolí tlak ve směru rychlosti proudu
• zvyšuje se hladkost povrchu

Bod se posunuje dopředu (oblast laminární mezní vrstvy se změnšuje)

• roste-li v jeho okolí tlak ve směru rychlosti proudu
• objeví-li se v produ před deskou turbulence
• zvyšuje-li se drsnost povrchu
• roste-li R

Laminární profily

Odpor tření tvoří u dobře aerodynamicky řešených letounů při velkých (podzvukových) rychlostech letu značnou část celkového odporu (až 90%). Třecí odpor nelze odstranit, jeho hodotu však můžeme snížit, bude-li na většině povrchu letounu laminární mezní vrstva. Protože největší část povrchu letounu tvoří povrch křídla, je vhodné snížit odpor křídla. Výsledkem této snahy jsou tzv.laminární profily. Jsou navrhované tak, že se po největší části křídla zachovala laminární mezní vrstva. Abychom si ujasnily funkci laminárních profilů, musíme si nejdříve vysvětlit vliv rozložení tlaků po hloubce profilu na mezní vrstvu. Na profilech konečné tloušťky existujei při malých úhlech náběhu určité rozložení tlaků, a znamená to, že se tlak na profilu místo od místa mění. Mezní vrstva je velmi citlivá na tlakový spád. Snižuje-li se tlak ve směru proudu (je-li kladný tlakový spád) mezní vrstva je tenší a má snahu si zachovat laminární charakter. Tlakový spád v tomto případě zvyšuje rychlost proudění v mezní vrstvě. Zvyšuje-li se tlak na frofilu ve směru proudu (je-li záporný tlakový spád), mezní vrstva tloustne a přechází k turbulenci. Tlakový spád v tomto případě zpomaluje proudění mezní vrstvy (obr.17).


Vhodné rozložení tlaků dosáhneme u laminárních profilů jen při určitých úhlech náběhu. Při jiných úhlech náběhu se podtlaková špička a s ní i bod přechodu posunuje opět dopředu (obr.18)


Laminární profily mají i své nevýhody. Vyžadují přesnost tvaru profilu a hladkost povrchu, již nalepený hmyz či kapky vody mohou laminární vrstvu ohrozit. Laminární profily mají menší maximální součinitel vztlaku než profily klasické (vyšší přistávací rychlost) a zpravidla velký součinitel klopivěho momentu při nulovém vztlaku.

Odtržení proudu

Dalším následkem vazkosti prostředí je odtrhávání proudu od povrchu obtékaných těles. Tento jev nastává u křídla po překročení určitého součinitele vztlaku. Odtržení proudu je doprovázeno snížením podtlaku na sací straně, tedy snížením vztlaku a zvýšením odporu profilu. Za profilem se utvoří rozsáhlá oblast prudce rozvířeného vzduchu, tzv.rozvířený úplav. U velmi tlustých profilů postupuje odtržení zpravidla od odtokové hrany a vrchol poláry je plochý. U profilů středních tlouštěk, které dosahují maximálních součinitelů vztlaku, má odtržení většinou nepříznivý průběh - nastává náhle na velké části profilu. U velmi tenkých profilů nastává odtržení již při poměrně nízkých součinitelích vztlaku hned za náběžnou hranou a šíří se poměrně pomalu (obr.19).


Odtržení proudu je způsobeno zvláštními vlastnostmi mezní vrstvy. Jednotlivé částice v mezní vrstvě nemají již dostatečnou kinetickou energii, aby překonalý silný tlakový spád po tak značné délce, zastaví se a proudí směrem k náběžné hraně. V bodě kde se částice při povrchu úplně zastaví, nastane odtržení proudu.

>

Zařízení zvyšující vztlak křídla

Odtržení proudu způsobuje, že součinitel vztlaku daného profilu nebo křídla nemůže libovolně zvětšovat tím, že zvýšíme úhel náběhu. Maximální součinitel vztlaku Cymax je pro křídlo konečnou hodnotou.
Maximálního součinitele vztlaku je možno zvýšit těmito způsoby:

• změnou tvaru profilů (hlavně zvětšením zakřivení)
• ovlivněním mezní vrstvy na sací straně

Zařízení zvyšující maximální vztlak křídel má zajistit:

• co největší přírůstek maximálního součinitele vztlaku při plné výchylce
• co nejmenší přírůstek součinitele odporu v zatažené poloze
• co nejmenší změnou vyvážení letounu (při vysunutí nemá vzniknout velký klopivý moment)
• co nejmenší změnu úhlu náběhu, při kterém se dosáhne maximálního součinitele vztlaku

Křídlo při odtržení proudu

Odtržení proudu na křídle nastává ve vodorovném přímočarém letu při malých rychlostech letu, může se však objevit i při velkých rychlostech po náhlé změně úhlu náběhu, v ostrých zatáčkách a při akrobacii. Pro celkové chování přetaženého letounu je velmi důležité místo na rozpětí, kde se proud odtrhne nejdříve - současné odtržení proudu podél celého rozpětí se prakticky nevyskytuje.
Odtrhne-li se proud nejdříve u konců křídla, tj. v oblasti křidélek, ztrácejí křidélka účinnost. Letoun je dále nesen jen střední částí křídla, kde se proud ještě neodtrhl, ztrácí však stranovou stabilitu a ovladatelnost kolem podélné osy. Je to velmi nebezpečné v malé výšce.
Odtrhne-li se proud nejdříve u trupu, zachová si letoun i při přetažení ovladatelnost kolem podélné osy. Úplav, který odtržením vznikl, ovlivňuje obtékání vodorovných ocasních ploch. Dojde-li k odtržení proudu, mají ocasní plochy menší účinnost. Protože letoun je v přetažení držen vychýlením výškovky a protože její působení se vlivem úplavu oslabí, má letoun tendenci vyjít z přetažení poměrně pozvolným přepadnutím "na hlavu". To je nejpříznivější případ chování letounu při přetažení. Nejvýhodnější případ je ten, kdy dochází k odtržení proudu nejdříve mezi trupem a křidélky



Vlastnosti křídla při přetažení je možno ovlivnit i jinými prostředky, např:

• geometrickým zkroucením křídla
• volba různých profilů podél rozpětí křídla
• zvýšením maximálního součinitele vztlaku na koncích křídla
• snížením maximálního součinitele vztlaku uprostřed křídla
• použití plůtků na sací straně křídla (aerodynamické hřebeny)