z mechaniki Profil płata Charakterystyka skrzydła Siły aerodynamiczne Urządzenia aerodynamiczne Biegunowa szybowca Doskonałość i zasięg szybowca Siły działające na szybowiec ID: 816318
Download The PPT/PDF document "Przypomnienie wiadomości" is the property of its rightful owner. Permission is granted to download and print the materials on this web site for personal, non-commercial use only, and to display it on your personal computer provided you do not modify the materials and that you retain all copyright notices contained in the materials. By downloading content from our website, you accept the terms of this agreement.
Slide1
Przypomnienie wiadomości
z
mechaniki
Profil
płata
Charakterystyka
skrzydła
Siły
aerodynamiczne
Urządzenia
aerodynamiczne
Biegunowa
szybowca
Doskonałość i zasięg szybowca
Siły działające na szybowiec
Przeciągnięcie
Korkociąg
Stateczność i sterowność szybowca
Zjawiska
aeroelastyczne
Obciążenia
szybowca
Slide2Przypomnienie niezbędnych wiadomości z
mechaniki
wektor, skalar
siła, cechy, dodawanie i odejmowanie, znajdowanie wektora wypadkowego
zasady Newtona
ruch prostoliniowy jednostajny i jednostajnie przyspieszony
ruch po okręgu – działanie sił i przyspieszeń
para sił: pojęcie, działanie, momenty sił względem osi
praca, moc, energia (jednostki)
przyciąganie
ziemskie
Slide3WEKTOR I SKALAR
Slide4WEKTOR - DZIAŁANIA
Slide5DYNAMIKA – ZASADY NEWTONA
I - Jeśli na ciało nie działa żadna siła lub gdy siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.
II - Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się, to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.
III - Oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia
Slide6CIAŁO SZTYWNE
Ciało sztywne w przestrzeni posiada
6-stopni swobody
Slide7KINEMATYKA
Dział fizyki zajmujący się ruchem
Ruch – zmienność położenia w funkcji czasu
Prędkość – pierwsza pochodna drogi po czasie
Przyśpieszenie – pierwsza pochodna prędkości po czasie
(lub druga pochodna drogi po czasie)
Dla ruchu jednostajnie przyśpieszonego
Slide8KINEMATYKA
Ruch obrotowy
Slide9DYNAMIKA
Moment siły
r
M
o
F
Slide10PRACA, MOC, ENERGIA
W=F*s
[
Nm=J
]
1N
1m
1N
1m
1N
1m
1s -> 1W
5s -> 0,2W
Energia potencjalna
E
p
=
mgh
Energia kinetyczna
E
k
=
mv
2
/2
Równoważnik energii i pracy
Rozpędzając ciało nadajemy mu energię kinetyczną
Wznosząc (oddalając) ciało nadajemy mu energię potencjalną
Slide11PRZYCIĄGANIE GRAWITACYJNE
Dwa ciała przyciągają siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi
Slide12grubość profilu
cięciwa profilu
szkieletowa profilu
promień zaokrąglenia noska profilu
strzałka profilu kąt natarcia kąt zaklinowania płata
PROFIL PŁATA
Slide13c – długość cięciwy profilu
g – grubość maksymalna (% c)
f – strzałka (%c)
Slide14x
g
– odległość maksymalnej grubości od noska profilu
x
f
– odległość maksymalnej strzałki od noska profilu
r
a
– promień noska profilu
Slide15α
– kąt natarcia skrzydła
Slide16Slide17i
w
-
kąt
zaklinowania płata
nośnego względem
osi kadłuba
Slide18Charakterystyka
skrzydła
wydłużenie
cięciwa nasady
cięciwa końcówki
skrzydło trapezowe
zbieżność płata
różne obrysy skrzydeł (wpływ na wielkość oporu indukowanego) średnia cięciwa aerodynamiczna
Slide19WYDŁUŻENIE
Dla skrzydła prostokątnego
b
l
Slide20WYDŁUŻENIE
Trapez :
b
l
p
l
k
- średnia cięciwa
geometryczna
WYDŁUŻENIE
Dowolny obrys:
S – powierzchnia skrzydła
b
S
SKRZYDŁO TRAPEZOWE
b/2
l
p
l
k
Najczęściej wykorzystywany obrys płata
Zbieżność:
ŚREDNIA CIĘCIWA
Średnia cięciwa geometryczna
WIELKOŚC W ZASADZIE NIE UŻYWANA W ANALIZACH AERODYNAMICZNYCH
ORAZ PRZY PROJEKTOWANIU PŁATOWCA
OKREŚLA CIĘCIWĘ RÓWNOWAŻNEGO PŁATA PROSTOKĄTNEGO 0 TYM SAMYM WYDŁUŻENIU I POWIERZCHNI
Slide24ŚREDNIA CIĘCIWA
Średnia cięciwa aerodynamiczna SCA
l
k
l
p
SCA
ŚREDNIA CIĘCIWA
ŚREDNIA CIĘCIWA AERODYNAMICZNA OKREŚLA CIĘCIWĘ ZASTĘPCZEGO SKRZYDŁA PROSTOKĄTNEGO, KTÓREGO WYPADKOWA SIŁ AERODYNAMICZNYCH
ZNAJDUJE SIĘ W TYM SAMYM MIEJSCU CO SKRZYDŁA ZASTĘPOWANEGO
~53%b/2
~83%l
p
SCA
Ogólnie:
Slide26Siły
aerodynamiczne
prawo ciągłości strugi
równanie
Bernouliego
mechanizm powstawania siły nośnej, wzór
oderwanie strug
mechanizm powstawania siły oporu, wzór opór tarcia, opór kształtu, opór indukowany, opór interferencyjny współczynnik siły oporu i siły nośnej, ich zależność od kąta natarcia.
Slide27PRAWO CIĄGŁOŚCI STRUGI
W zakresie prędkości poddźwiękowych powietrze
możemy uważać za ośrodek nieściśliwy => p
1
=p
2
S2
S1
=const
=>
PRAWO BERNOULLIEGO
Energia kinetyczna
Energia potencjalna
PRAWO BERNOULLIEGO
Siła
Praca
bo
przyrost energii potencjalnej i kinetycznej
odpowiednio:
PRAWO BERNOULLIEGO
Praca=Energii więc:
to:
PRAWO BERNOULLIEGO
To równanie jest prawdziwe dla dowolnego odcinka strugi zatem:
Dzielimy przez
, a skoro gęstość:
otrzymamy wreszcie
:
PRAWO BERNOULLIEGO
Na ogół zmiana wysokości jest pomijalnie mała
wzór upraszcza nam się do postaci:
Co można wyrazić twierdzeniem, że :
SUMA CIŚNIENIA DYNAMICZNEGO I STATYCZNEGO
WZDŁUŻ PRZEPŁYWAJĄCEJ STRUGI JEST STAŁA
Slide33PRAWO BERNOULLIEGO
Slide34POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ
Slide35POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ
Slide36POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ
Pz
Px
P
POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ
C
z
Zależność współczynnika siły nośnej
Cz
od kąta natarcia
Slide38Wpływ parametrów
geometrycznych profilu
na przebieg
Cz
=f(
)
GRUBOŚĆ
STRZAŁKA
POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ
Slide39ODERWANIE STRUG
Opływ ostrych krawędzi
Cząsteczki wchodzące w skład powietrza mają
masę niezerową
Niech
r=1 mm
czyli
0,01 m
i
v=100 m/s
to:
102 000
g !!!
Co wywoła ogromne siły odśrodkowe działające na przepływające
cząsteczki
F=m*a
Slide40ODERWANIE STRUG
Lokalny spadek prędkości strugi
Slide41OPÓR AERODYNAMICZNY
Opór kształtu
Opór tarcia
Opór indukowany
Opór interferencyjny
Opór szczelinowy
Slide42OPÓR KSZTAŁTU
ZWIĄZANY Z WCZEŚNIEJ OMAWIANYMI ZJAWISKAMI
ODERWANIA STRUG
Przy małych prędkościach następuje oderwanie laminarne
Duża prędkość
(energia kinetyczna)
pozwala na przejście z opływu laminarnego w turbulencyjny i oderwanie następuje później.
Slide43OPÓR TARCIA
Lepkość powietrza
Warstwa przyścienna
Opływ laminarny
Opływ turbulencyjny
Stan powierzchni skrzydła
Slide44OPÓR TARCIA
Profil laminarny
Duża odległość
g
max
od noska >35%
Mniejszy (ale nie ostry) promień noska
Mniejsze opory, ale i mniejsze C
z
Profil turbulencyjny
Odległość
g
max
w granicach 25-35 %
Większe współczynniki
C
z
i CxPromień noska wyraźnie większy
Slide45OPÓR INDUKOWANY
Różnica ciśnień na dolnej i górnej powierzchni skrzydła
Wir brzegowy
Wpływ geometrii skrzydła na wielkość oporu indukowanego
Sposoby zmniejszania oporu indukowanego
Slide46OPÓR INDUKOWANY
Slide47OPÓR INDUKOWANY
Skos opływu rośnie z rozpiętością osiągając największą wartość na końcach skrzydeł powstaje wir brzegowy.
Slide48OPÓR INDUKOWANY
Opór indukowany rośnie wraz z siła nośną:
Znaczenie ma oczywiście rozkład siły nośnej wzdłuż rozpiętości, a ten determinowany jest obrysem skrzydła, wydłużeniem oraz jego zwichrzeniem
=0,15
=0,07
=0
OPÓR INTERFERENCYJNY
Interferencja – wzajemne oddziaływanie
Opór płatowca
>
Opór(
kadłub+skrzydła+usterzenia
)
Zawirowania od przecinających się strug
Lokalne przyrosty prędkości
Przyrost dodatni – zwiększenie sił oporu
Przyrost ujemny – oderwania
Obszar przyrostu prędkości
Obszar możliwych oderwań
Slide50OPÓR INTERFERENCYJNY
największy
duży
mały
najmniejszy
Slide51OPÓR SZCZELINOWY
Wyrównywanie ciśnień
Zawirowania podczas opływu szczelin
Slide52Pz
Px
P
OPÓR WZÓR OGÓLNY
WSPÓŁCZYNNIK OPORU
Podobnie jak dla
C
z
współczynnik oporu zależy od kąta natarcia
, a przebieg funkcji
C
x
=f() także od cech geometrycznych profilu
Profil g=6%, f=0%
Profil 12,5% f=4%
Profil 13%, f=0%
Slide54BIEGUNOWA LILIENTHALA
Wykresy
C
z
i
C
x
od można nanieść na jeden wykres transponując C
x
na oś poziomą otrzymujemy
tzw. Biegunową Lilienthala
Slide55Współczynnik oporu
indukowanego
BIEGUNOWA LILIENTHALA
Współczynnik oporu
szkodliwego
Współczynnik oporu
Profilowego+interferen-cyjnego+szczelinowego
Slide56Urządzenia aerodynamiczne
stery: powstawanie sił aerodynamicznych, ich wpływ na tor lotu
moment oporowy i różnicowość lotek
urządzenia odciążające układ sterowania
wyważenie aerodynamiczne i masowe sterów
zmiana skuteczności sterów i sił na drążku
urządzenia powiększające maksymalny współczynnik siły nośnej.
Slide57STERY
Szybowiec porusza się w przestrzeni trójwymiarowej, dzięki obrotom wokół trzech osi
Slide58STERY
Wychylanie sterów powoduje zmianę wysklepienia profilu,
Co skutkuje zmianą sił aerodynamicznych
Slide59STERY
Siły wywołują moment względem środka ciężkości:
1.
Ster wysokości
powoduje pochylanie działając momentem:
L
h
M=
P
h
*
L
h
-
M
+
M
+
P
h
-
P
h
Slide60STERY
Siły wywołują moment względem środka ciężkości:
2.
Ster kierunku
powoduje odchylanie działając momentem:
L
v
N=
P
v
*
Lv
P
h
Slide61STERY
Siły wywołują moment względem środka ciężkości:
2.
Lotki
powodują przechylanie działając momentem:
b
l
L=(
P
zp
+
P
zl
)*
b
l
+
P
zl
-
P
zp
Gdzie znajduje się środek obrotu?
Slide62LOTKI
opór znacznie wzrasta przy zwiększaniu
strzałki profilu (wychylenie steru w dół),
co powoduje powstanie
niekorzystnego
momentu
d
g
Z tego względu lotki mają różne wychylenia w górę i w dół
g
>
d
Slide63LOTKI
W celu zapewnienia skuteczności lotek (zapobieganie oderwaniu strugi) stosuje się zwichrzenie geometryczne, bądź aerodynamiczne skrzydła
Slide64STERY
Wychylenia sterów powodują występowanie sił na sterownicach
(od momentu zawiasowego)
w
prost proporcjonalnych do v
2
i wielkości wychyleń
Slide65STERY
Odciążenie poprzez serwomechanizmy
Wyważenie aerodynamiczne
Klapka odciążająca
flettner
Wyważenie masowe
n
iwelacja drgań od sił bezwładności
Slide66URZĄDZENIA ZWIĘKSZAJĄCE SIŁĘ NOŚNĄ
Slot lub skrzela - niestosowane w szybownictwie
wzrost
C
x
dużo większy od przyrostu
C
z
Slide67URZĄDZENIA ZWIĘKSZAJĄCE SIŁĘ NOŚNĄ
Klapa – stosowana w szybowcach klasy otwartej i 15 metrowej. Przy wychyleniu w dół zwiększa
C
z
, ale i
C
x
– opłacalne w krążeniu. W szybowcach także wychylana do góry – lepsza charakterystyka profilu
Dla większych prędkości.Obecnie raczej tylko bezszczelinowa.
Slide68URZĄDZENIA ZWIĘKSZAJĄCE SIŁĘ NOŚNĄ
Klapa Fowlera –
poszerzacz
. Wychylana i jednocześnie wysuwana zwiększa powierzchnię skrzydła. Idealne aerodynamicznie rozwiązanie .
Duża komplikacja, obecnie nie stosowane w szybownictwie.
Istniały konstrukcje szybowców z klapą Fowlera (np.
SZD-19x Zefir 1
)
Slide69Biegunowa szybowca
biegunowa profilu, skrzydła i całego szybowca (w układzie Cz.
Cx
)
biegunowa prędkości szybowca (w układzie V, W)
- w konfiguracji gładkiej
- z otwartymi hamulcami aerodynamicznymi
- z urządzeniami zwiększającymi współczynnik siły nośnej biegunowa krążenia
Slide70BIEGUNOWA PRĘDKOŚCI SZYBOWCA
Slide71BIEGUNOWA PRĘDKOŚCI SZYBOWCA
Wpływ obciążenia powierzchni nośnej
Slide72BIEGUNOWA PRĘDKOŚCI SZYBOWCA
Wpływ wysokości lotu
Wraz z h zmienia
się
więc:
h[km]
0,5
1
1,5
2
3
4
5
6
8
10
12
15
1,024
1,050
1,067
1,103
1,161
1,223
1,290
1,363
1,528
1,778
1,986
2,516
h[km]
0,5
1
1,5
2
3
4
5
6
8
10
12
15
1,024
1,050
1,067
1,103
1,161
1,223
1,290
1,363
1,528
1,778
1,986
2,516
Slide73BIEGUNOWA KRĄŻENIA
Rozkład sił w zakręcie
P
z
r
BIEGUNOWA KRĄŻENIA
Inne zależności:
BIEGUNOWA KRĄŻENIA
Slide76OPTYMALNY PROMIEŃ KRĄŻENIA
Slide77Doskonałość i zasięg szybowca
doskonałość aerodynamiczna szybowca
związek między doskonałością a zasięgiem lotu ślizgowego
wpływ wiatru na zasięg szybowca
wpływ pionowych prądów powietrza na zasięg szybowca
Slide78DOSKONAŁOŚĆ AERODYNAMICZNA SZYBOWCA
Pz
Px
P
Qcos
Q
Qsin
v
w
v
poz
v
poz
=v*cos
d
la małych
v
poz
v
L
h
Slide79ZASIĘG
v
w
v
poz
h
Wpływ prądów pionowych:
ZASIĘG
v
w
v
poz
h
Wpływ wiatru:
u
u
Slide81Siły działające na szybowiec
w locie ślizgowym
w zakręcie prawidłowym i nieprawidłowym (z wyślizgiem / z ześlizgiem)
podczas startu za samolotem / za wyciągarką
podczas lotu nurkowego
podczas ruchu szybowca na ziemi
Slide82LOT ŚLIZGOWY
Pz
Px
P
Qcos
Q
Qsin
Dla małych
cos
1 więc:
ZAKRĘT
Rozkład sił w zakręcie
P
z
r
Slide84ZAKRĘT Z ZEŚLIZGIEM
Rozkład sił w zakręcie
P
z
c
Za duże przechylenie
P
z
*cos
φ
<Q
Slide85c
ZAKRĘT Z WYŚLIZGIEM
Rozkład sił w zakręcie
P
z
r
Za małe przechylenie:
c
Slide86START ZA SAMOLOTEM
Rozbieg
Lot na holu
Slide87START ZA WYCIĄGARKĄ
Przedni zaczep:
Pz
Px
Q
P
h
L
h
M
S
1
S
2
Slide88START ZA WYCIĄGARKĄ
Dolny zaczep
Pz
Px
Q
P
h
L
h
S
2
S
1
b
Slide89LOT NURKOWY
Px
Q
P
h
L
h
Na skrzydło działają bardzo duże
momenty skręcające
Slide90Przeciągnięcie
lot w zakresie krytycznych kątów natarcia
przeciągnięcie statyczne
przeciągnięcie dynamiczne
Slide91LOT W ZAKRESIE KRYTYCZNYCH KĄTÓW NATARCIA
Charakter przeciągnięcia zależy od przebiegu biegunowej w okolicy krytycznych kątów
natarcia
Slide92LOT W ZAKRESIE KRYTYCZNYCH KĄTÓW NATARCIA
Przeciągnięcie dynamiczne następuje przy gwałtownym ściągnięciu steru wysokości
Przyrost kąta natarcia jest zbyt gwałtowny,
Moment od steru wysokości szybko pochyla szybowiec w górę, jednak siły bezwładności przeciwdziałają zakrzywieniu toru lotu i…
Slide93Korkociąg
unikanie, zapobieganie, wyprowadzanie
korkociąg stromy
korkociąg płaski
czynniki wpływające na charakter korkociągu
rozkład sił w korkociągu
Slide94KORKOCIĄG -UNIKANIE, ZAPOBIEGANIE, WYPROWADZANIE
Przeciągnięcie połączone z asymetrią opływu najczęściej prowadzi do korkociągu
Slide95KORKOCIĄG -UNIKANIE, ZAPOBIEGANIE, WYPROWADZANIE
Przeciągnięcie połączone z asymetrią opływu najczęściej prowadzi do korkociągu
Slide96KORKOCIĄG -UNIKANIE, ZAPOBIEGANIE, WYPROWADZANIE
Unikać:
Lotu w pobliżu
C
zmax
, mała prędkość
Zakrętów z
wyślizgiem
Ślizgu na dużych kątach natarcia
Obszernych i dynamicznych ruchów sterem wysokości
Zapobiegać:
Zwiększyć prędkość przy „miękkich” sterach
Zwiększyć prędkość przy wchodzeniu w zakręt
Zachować zwiększoną prędkość w atmosferze burzliwej
Wyprowadzać:
Najpierw ster kierunku w przeciwną stronę
„Oddać” drążek
Po ustaniu obrotów stery w neutrum
Wyprowadzić z nurkowania
Slide97KORKOCIĄG PŁASKI, STROMY
Slide98KORKOCIĄG PŁASKI, STROMY
Stromy :
Profile cienkie - o ostrej charakterystyce przy
α
kr
Większa rozpiętość
Rozłożenie mas - przednie na większym ramieniu
Płaski:
Profile grube – trudno wchodzi, ale za to płaski
Mniejsza rozpiętość
Rozłożenie mas przednie – bliżej ŚC, tylne oddalone od ŚC
Slide99KORKOCIĄG PŁASKI, STROMY
Z
m2
m1
m2
m1
Slide100ROZKŁAD SIŁ W KORKOCIĄGU
Slide101stateczność
statyczna i dynamiczna
stateczność statyczna (i parametry konstrukcyjne mające na nią wpływ)
- podłużna
- poprzeczna
- kierunkowa
stateczność dynamiczna (i parametry konstrukcyjne mające na nią wpływ)
- podłużna- boczna sterowność
STATECZNOŚĆ I STEROWNOŚĆ SZYBOWCA
Slide102STATECZNOŚĆ STATYCZNA I DYNAMICZNA
Stateczność statyczna określa zachowanie szybowca bezpośrednio po wytrąceniu go z równowagi.
Szybowiec jest stateczny statycznie jeżeli po wytrąceniu wystąpią momenty przywracające poprzedni stan lotu.
Stateczność dynamiczna określa zachowanie się szybowca w dłuższym czasie po wytrąceniu z równowagi. Uwzględnia wpływ sił i momentów bezwładności. W przypadku stateczności dynamicznej analizujemy także interakcję poszczególnych rodzajów stateczności.
Slide103STATECZNOŚĆ STATYCZNA PODŁUŻNA
P
z
P
x
P
zh
Stateczny
Stateczność obojętna
N
iestateczny
STATECZNOŚĆ STATYCZNA PODŁUŻNA
Położenie
ś
rodka ciężkości
Powierzchnia statecznika
Ramię statecznika poziomego
Układ płata – efekt „wagi”
Slide105STATECZNOŚĆ STATYCZNA POPRZECZNA
Wpływ wzniosu
Slide106STATECZNOŚĆ STATYCZNA POPRZECZNA
Wpływ skosu
Slide107STATECZNOŚĆ STATYCZNA KIERUNKOWA
Slide108STATECZNOŚĆ STATYCZNA KIERUNKOWA
Wpływ skosu
Slide109STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA PODŁUŻNA
Slide110STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA PODŁUŻNA
Stateczność dynamiczna podłużna zależy głównie od
o
d momentu bezwładności względem osi Y. Charakterystyczną wielkością jest współczynnik tłumienia wahań – zależny od parametru:
Gdzie
i
y
– promień bezwładności wzg.
o
si Y
STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA BOCZNA
Wzajemny wpływ stateczności kierunkowej i poprzecznej uniemożliwia traktowanie ich osobno w rozważaniach o stateczności dynamicznej.
Slide112STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA BOCZNA
Slide113STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA BOCZNA
Zbyt duża stateczność kierunkowa powoduje niestateczność spiralną
Zbyt duża stateczność poprzeczna powoduje niestateczność holendrowania
Slide114STEROWNOŚĆ
Sterowność i stateczność stanowią pewną przeciwstawność.
Sterowność dzielimy na:
Podłużną
Poprzeczną
Kierunkową
Ogólnie określa siły niezbędne do zmiany położenia oraz prędkości kątowe wokół odpowiednich osi w zależności od prędkości lotu i przyrostów kata wychyleń sterów
Slide115Zjawiska aeroelastyczne związane z przekroczeniem dopuszczalnej prędkości
rewers lotek (i sterów)
ukręcanie się skrzydła
flatter
trzepotanie usterzeń
Slide116REWERS LOTEK
Slide117UKRĘCENIE SIĘ SKRZYDŁA
Slide118FLATTER
Slide119FLATTER
Slide120BUFFETING
Slide121Obciążenia szybowca
współczynnik obciążenia dopuszczalnego
obciążenia od wyrwania
obciążenia podczas lotu w burzliwej atmosferze
obciążenia od brutalnego sterowania
obciążenia podczas ruchu szybowca na ziemi