Comportamento del profilo alare: distribuzione della pressione su un'ala Clark Y-14

Un profilo alare è una sezione alare bidimensionale che genera portanza in un aereo. I profili alari sono disponibili in molte geometrie, ma sono tutti descritti dalle stesse caratteristiche. Il bordo d'attacco è il punto nella parte anteriore del profilo alare con la massima curvatura. E allo stesso modo, il bordo d'uscita è il punto di massima curvatura nella parte posteriore del profilo alare.

La linea di corda è una linea retta che collega i bordi iniziale e finale. La lunghezza della corda, c, è la lunghezza di questa linea di corda e viene utilizzata per descrivere le dimensioni in altre direzioni come percentuali della lunghezza della corda.

Qui, ci concentreremo sul profilo alare Clark Y-14, che ha uno spessore del 14% della lunghezza della corda ed è piatto sulla superficie inferiore dal 30% della corda fino al bordo d'uscita. A vari angoli di incidenza, il profilo alare genera pressioni più basse sulla superficie superiore e pressioni più elevate sulla superficie inferiore rispetto alla pressione dell'aria in avvicinamento.

Secondo il principio di Bernoulli, questa differenza di pressione è il risultato delle differenze di velocità tra le regioni superiore e inferiore del profilo alare, che sono causate dalle molecole d'aria che interagiscono con le superfici curve. La regione di pressione inferiore sulla superficie superiore ha una velocità maggiore rispetto alla regione di pressione più alta sulla superficie inferiore.

Se le forze di taglio parallele alla superficie del profilo alare vengono trascurate, allora la forza di pressione complessiva è ciò che genera la portanza. Possiamo definire il coefficiente di pressione, Cp, per un punto arbitrario sul profilo alare usando questa relazione. Il coefficiente di pressione è un numero adimensionale, che descrive le pressioni relative in un campo di flusso. P è la pressione assoluta, P infinito è la pressione del flusso libero e rho infinito e V infinito sono rispettivamente la densità e la velocità del flusso libero.

Fatta eccezione per le posizioni del bordo d'attacco, le direzioni della forza di pressione determinate da Cp, puntano approssimativamente verso l'alto nella stessa direzione della portanza a bassi angoli di incidenza. Pertanto, possiamo calcolare un coefficiente di portanza non dimensionale, CL, che mette in relazione la portanza generata con il flusso del fluido attorno all'oggetto utilizzando questa relazione. Qui, c è la lunghezza della corda e x è la posizione delle coordinate orizzontali con zero come bordo d'attacco.

In questo esperimento, analizzeremo la distribuzione della pressione sulla superficie di un profilo alare, che ha 19 prese di pressione sulla sua superficie. Ciascuna delle letture della pressione viene misurata utilizzando un manometro per liquidi. Misurerai la distribuzione della pressione e la portanza sottoponendo il profilo alare al flusso d'aria in una galleria del vento a vari angoli di incidenza.

Per questo esperimento, utilizzerai una galleria del vento aerodinamica con una sezione di prova di 1 piede per 1 piede e una velocità massima dell'aria operativa di 140 mph. Il modello di profilo alare è un profilo alare Clark Y-14 in alluminio con 19 porte integrate per tubi a pressione. Di seguito sono riportate le posizioni delle porte di pressione. La coordinata della porta viene determinata dividendo la posizione della porta per la lunghezza della corda. Le porte di pressione sono collegate a un pannello del manometro riempito di olio colorato ma contrassegnato come graduazioni in pollici d'acqua.

Per iniziare, rimuovere il coperchio superiore della sezione di prova e installare il profilo alare verticalmente sul giradischi, assicurandosi che la porta numero uno sia rivolta a monte. Riposizionare il coperchio superiore della sezione di prova. Si noti che il modello del profilo alare tocca sia il pavimento che il soffitto della sezione di prova della galleria del vento per assicurarsi che non si sviluppi alcun flusso 3D attorno al profilo alare.

Collegare i 19 tubi di pressione etichettati alle porte corrispondenti del manometro. Ora ruota la piattaforma girevole per rendere l'angolo di attacco pari a zero. Quindi, accendi la galleria del vento e imposta la velocità del vento a 90 mph. Registra tutte le 19 letture dell'altezza del manometro sul tuo notebook.

Ora spegni la galleria del vento e regola l'angolo di attacco a 4?. Quindi, riaccendi la galleria del vento con la velocità del vento a 90 mph e registra le letture del manometro per ciascuna delle 19 porte di pressione. Infine, ripetere la misurazione a 90 mph per un angolo di attacco di 8?. Come prima, registrare tutte le letture del manometro.

Ora diamo un'occhiata a come analizzare i dati. Innanzitutto, determinare la pressione del manometro per ciascuna delle letture dell'altezza del manometro utilizzando questa relazione, dove delta h è la lettura dell'altezza registrata nel notebook, rho L è la densità dell'olio e g è l'accelerazione gravitazionale. Quindi, calcolare il coefficiente di pressione adimensionale, Cp, per ciascuna porta sul profilo alare.

Il coefficiente di pressione viene calcolato come mostrato utilizzando la densità del flusso libero, la velocità del flusso libero e la pressione del calibro. Tracciamo il coefficiente di pressione negativo rispetto alla coordinata della porta. Innanzitutto, per un angolo di attacco uguale a zero, tracciamo Cp negativo invece di Cp positivo sull'asse y in modo che il grafico sia visivamente più intuitivo. Pertanto, la traccia superiore trasmette le pressioni negative sulla superficie superiore del profilo alare e la traccia inferiore trasmette le pressioni positive sulla superficie inferiore.

Dal grafico, possiamo vedere che la pressione cambia drasticamente subito dopo il bordo d'attacco. La pressione raggiunge il suo valore minimo intorno al 5-15% della corda dopo il bordo d'attacco. Di conseguenza, circa la metà della portanza viene generata nella prima regione di 1/4 di corda del profilo alare. Osservando tutti e tre gli angoli di attacco, osserviamo un cambiamento di pressione simile dopo il bordo d'attacco.

Inoltre, in tutti e tre i casi, la superficie superiore contribuisce a una maggiore portanza rispetto alla superficie inferiore. Di conseguenza, è fondamentale mantenere una superficie pulita e rigida sulla parte superiore dell'ala. Questo è il motivo per cui la maggior parte degli aeroplani viene ripulita da qualsiasi oggetto sulla parte superiore dell'ala.

Prima che si verifichi lo stallo, l'aumento dell'angolo di attacco si traduce in differenze di pressione più elevate tra la superficie inferiore e quella superiore del profilo alare, generando così una maggiore portanza. Possiamo calcolare il coefficiente di portanza per ogni angolo di incidenza utilizzando la relazione mostrata qui. Il coefficiente di portanza mette in relazione la portanza generata con la distribuzione della pressione sul profilo alare e, come previsto, è più alto per angoli di incidenza più elevati.

In sintesi, abbiamo appreso come le differenze di pressione lungo un profilo alare generano portanza in un aereo. Abbiamo quindi misurato la distribuzione della pressione lungo la superficie di un profilo alare Clark Y-14 sottoposto a flusso d'aria a vari angoli di incidenza e calcolato i coefficienti di portanza.