Co jsme poznali a jaká k tomu může být teorie
2. část

A jak to může být když použijeme například technologii křídla - polystyren + balza (dýha,...).

Zkusil jsem pomocí programu Profili 2.20 porovnat některé aerodynamické charakteristiky a z toho vyplývající předpokládané letové vlastnosti pro profil LHK 07 – 8.18/1.74. Ten má tloušťku cca 8,2% a prohnutí cca 1,7%.

Nejprve jsem zvětšil tloušťku odtokové hrany z 0,09% na 1% - případ 1. Pak jsem „zešpičatěl“ náběžnou hranu zmenšením jejího poloměru z 0,6% na 0,45% a to do vzdálenosti 15% hloubky - případ 2.

A nakonec jsem zase zakulatil náběžnou hranu, když jsem zvětšil její poloměr křivosti na 1% do stejné vzdálenosti jako prve - případ 3.

To všechno jsem “spáchal“ pro Reynoldsova čísla 200 000 a 450 000.

Výsledky simulace jsou na obrázku č. 3. Snad jsou dobře patrny. A co z toho vzešlo.

Obr. 3

Informace uvedené v následujícím textu je nutno přejímat způsobem, který pouze napoví k čemu obvykle dochází, jestliže nastane nějaká změna ve tvaru profilu. Ta může být totiž větší nebo menší a případně kombinovaná. Proto i hodnoty uváděných změn mohou být jiné. Důsledky změn však nikoliv, protože jsou ověřeny praxí a tyto rozbory pomocí počítače to jen potvrzují.

Případ 1 - změna tloušťky nejposlednější části profilu měla za následek:

a) zhoršení klouzavosti v celém rozsahu využívaných úhlů náběhu u obou Re čísel a to o cca 6%

b) výrazné zvýšení nejmenšího součinitele odporu a to o cca 11% pro Re=450000 a o cca 6% pro Re=200000

c) zvýšení maximálního součinitele vztlaku o cca 3,5% pro Re=400000 a o cca 5% u Re=200000.

To jsou změny vyhovující jakž takž modelům létajícím akrobatické figury, pokud jim příliš nezáleží na potřebě výkonnějšího motoru. Pro modely, a konec konců i skutečná letadla, jejichž cílem je létat rychle, to není příliš dobrá cesta, protože jediná výhoda z této „úpravy“ plynoucí by mohla být využita pouze při zatáčkách s větším náklonem, což je např. případ závodů kolem pylonů. Ostatní je pro ně, ale nevýhodné.

Případ 2 – „špičatější“ náběžná hrana způsobí asi následující:

a) snížení maximálního součinitele vztlaku o cca 10% při Re=450000 a o cca 8% pro Re=200000

b) zachování prakticky stejného minimálního součinitele odporu v rozmezí úhlů náběhu -2^o ≤ α ≤ 5^o jako u profilu původního pro obě hodnoty Re čísel

c) do úhlů náběhu cca 4^o až 5^o zachování přibližně stejných klouzavostí, které se ale výrazně zhorší při úhlech náběhu nad cca 7^o zásadně, i o 40%.

„Úprava“ předních částí profilů směrem k menším poloměrům náběžných hran vede ke snížení maximálně dosažitelných součinitelů vztlaku a tím ke snížení možností zatáčet na menších poloměrech. Může vést i ke zhoršení pádových vlastností, což je vždy velmi nemilé. V malém rozmezí úhlů náběhu se její změna však příliš nepozná, což ale může svádět pilota ke zneužití vlastností, jež takovýto létající stroj nemá. To pozná obvykle až při letech malými rychlostmi a jedná-li se při tom ještě o zatáčku, pak je to dost často let poslední.

Případ 3 – kulatější náběžná hrana než byla původně vede k následujícímu:

a)Maximální součinitelé vztlaku pro obě Re čísla vzrostou výrazně a sice o cca 12 až 15%

b)minimální součinitel odporu se ale zvětšil při Re=450000 o 7%

c)zároveň dochází ke zhoršení klouzavosti při Re=450000 o cca12,5%a při Re=200000 o cca 5,5%. Ta ale zůstává stejná, v obou případech jako u původního profilu, pro nízké součinitele vztlaku, tj. pro vysoké rychlosti.

Zvětšení poloměru náběžné hrany, její „zakulacení“ není zase až tak velkým prohřeškem. Lety se však znatelně zpomalí vlivem zvýšeného odporu. Letové vlastnosti při vysokých úhlech náběhu se stanou trochu příjemnějšími.

S drsnostmi povrchů, nejen nosných ploch, je třeba zacházet obezřetně. Když si nebudeme všímat vlivů tvarů na proudění kolem jakýchkoliv těles, pak nemůžeme opomenout tření. A to jak tření proudících tekutin přicházejících do styku s povrchem těles tak i vnitřní tření v nich( v tekutinách).

Přistoupíme-li k tomu zjednodušeně pak by všechna tělesa, u nichž záleží při jejich pohybu na tom jaký vytvářejí třecí odpor, měla mít povrchy co nejhladší. Jestliže je jakékoliv proudění dostatečně vyvinuté, pak je tento požadavek samozřejmostí. Za dostatečně vyvinuté proudění by snad bylo možno považovat stav kdy je jeho Re číslo větší než cca 350000. Pokud tomu tak není, a to je případ leteckého modelářství, ale nejen jeho, pak musíme vzít v úvahu také vnitřní tření v proudících tekutinách, které je vyjádřeno jejich viskozitami. Viskozní jsou všechny tekutiny, některé více(např. oleje) jiné zase méně(voda). Také plyny, ač bychom tomu nepřikládali zvláštní význam, svými viskozitami ovlivňují proudění významně .

A aby to nebylo tak jednoduché, tak se při menších Re číslech, vzájemně ovlivňují drsnosti povrchů i viskozní vlastnosti tekutin a to obvykle v náš neprospěch.

Je-li viskozita tekutiny vysoká a rychlosti proudění nízké dochází skoro vždy k laminárnímu proudění. Dojde-li u téže tekutiny k nárůstu rychlosti proudu změní se tento druh proudění v proud turbulentní. Ke změně laminárního proudění v turbulentní dojde tím dřív čím rychleji bude přibývat tlaku v tekutině, čím drsnější bude obtékaný povrch , čím nižší bude viskozita proudící látky apod.

Laminární proud, pokud je přilehlý k povrchu obtékaného křídla, má nižší odpor než proud turbulentní. Jenže je zároveň nespolehlivý-nestálý. Proto se při nejbližší příležitosti začne postupně měnit v přilehlý proud turbulentní, což je situace jakou si vždy přejeme. K tomu ale nedochází vždy. Pokud naroste tlak v proudu, na povrchu je prudká změna tvaru apod. což jsou dost časté případy v proudění, laminární proud povrch opustí-odtrhne se od něho a vytvoří velký vír s obrovským nárůstem odporu a poklesem vztlaku. A to si nepřejeme vůbec. Takové ale je laminární proudění.

Snad jen jeden poznatek: snažit se dosáhnout laminárního proudění u modelů letadel za každou cenu, není vždy to nejvhodnější řešení. Na druhé straně, ale zase létat s nepřiměřeně hrubými povrchy modelů je pohrdání přírodními zvyklostmi, které vždy směřují k výdajům co nejmenších množství energií na jakoukoliv činnost. Přikládám k tomu ještě obrázek č.4, kde je porovnání vlivu drsného a hladkého povrchu na aerodynamické

Obr. 4

charakteristiky profilu NACA 23012 zachyceno. Rozsah Re čísel je sice poněkud větší, ale pro obří modely již použitelný.

Obr. 5

Vraťme se ještě zpátky k měkkým potahům a tlustším profilům. Například k dříve hojně, a zčásti i dnes, používanému profilu CLARK Y, obr.č.5.

Na přiložené fotografii je jeden z mnoha možných příkladů středně velkého kluzáku s plochami(nosná a ocasní) sestavenými z žeber a nosníků při použití „měkkého“ potahu z nažehlovací folie. Jeho velkou výhodou je nižší hmotnost. Do jaké míry byly jeho výkony horší nebo lepší než při použití například polystyrenu s tenkým tuhým potahem na stavbu nosné plochy, je těžko říci. Takovéto křídlo je sice dostatečně pevné, nikoliv však tuhé, což způsobilo při prudkých startech na katapultu třepotání konců a téměř zničení modelu.

Na obr.č.6 jsou poláry pro Re čísla: 50 000, 80 000 a 120 000, která odpovídají poměrům na menších(až malých) a středních modelech.

Obr. 6

Na horním grafu je patrná jasná výhoda skutečného profilu od teoretického(červená křivka) což zhruba potvrzuje praktické výsledky s tímto profilem dosahované u malých modelů.

Na prostředním grafu se rozdíly mezi „správným“ a skutečným tvarem(černá barva) profilu již zmenšily. Například pro malé motorové modely, ať již s jakýmkoliv pohonem, v rozsahu „provozních“ součinitelů vztlaku od 0,1 do 0,85 není CLARK Y stále zavrženíhodný.

Teprve při větších Re číslech, u větších nebo rychlejších modelů, zde je použita hodnota Re=120 000, začíná správný tvar profilu nabývat vrchu. Výkony takovýchto nosných ploch jsou lepší.

No a jak to bývá u dřevěných vrtulí vyráběných s větší či menší přesností různými výrobci?

V obr.č.7 jsou:
„správný“ podle souřadnic
a hrubě opracovaný profil listu s tupou přední a zadní částí

zakresleny.

Obr. 7

Hrubě opracovaný tvar přední a zadní části profilu listů vrtule je přibližný skutečný stav zjištěný na dřevěných vrtulích jednoho výrobce. Tvar „správného“ profilu listů vrtule vznikl opracováním listů původních. Protože jsem neznal souřadnice použitých profilů zvolil jsem pro počítačové porovnání jeden ze svých profilů.

V obr.č.8 jsou aerodynamické charakteristiky obou profilů pro Re čísla 95 000 a 150 000 uvedeny. Je to rozsah Re čísel odpovídající zhruba poměrům středně velkých vrtulí(do cca 450mm průměru a 5 000 až 8 000 ot/min). Oblasti lepších či horších charakteristik každého z profilů jsou v obou diagramech připomenuty.

Obr. 8

Když bychom přešli k vyšším Re číslům, pak hůře vychází vždy hrubě opracovaná vrtule od Re cca 250 000. Při Re ≥350 000, viz obr.č.9, což jsou podmínky odpovídající např. vrtulím ULL ( ø cca 1,1m ; 3 500 ot/min) jsou již charakteristiky správné vrtule nesrovnatelně lepší než té druhé.

Skutečnost je ale trochu jiná. Hrubě opracované vrtule mají deformované profily listů jen blízko jejich středům. Dejme tomu do cca 30% jejich průměru. A tak se jejich vliv nepříznivě tolik neprojeví. Ba dokonce…….?!

Obr. 9

Podívejte se na obr.č.10 kde je výsledek měření statických tahů pro neupravenou a upravenou vrtuli o průměru 24´´ a stoupání 10´´. Červená křivka náleží vrtuli neupravené a modrá pak druhé, podle označení výrobce stejné vrtuli, ale upravené. A která je teď lepší???

Aby to nebylo zase až tak pozitivní pro odpůrce teorií, tak pohlédněte na graf vlevo dole v tomto obrázku. A co vidíte? Vrtule o ø 13" a stoupání 10", od stejného výrobce, je lepší v případě, že je po koupi upravená na svých náběžných a odtokových hranách až tam, kam si to zaslouží.

Netroufnu si komentovat výsledky výroby vrtulí od téhož výrobce, protože neznám jeho technologii, materiály, výstupní kontrolu apod. Prezentuji pouze fakta k nimž jsem dospěl pomocí počítače a kratších testování zakoupených dřevěných vrtulí.

Obr. 10

Takže co s tím? Hrubě vyrobené dřevěné vrtule upravovat nebo neupravovat?!

Moje skromné mínění je: upravovat, dobře staticky vyvážit a zajistit rotaci listů v jedné rovině případnou úpravou dosedací plochy středu vrtule.

O tom jaké údaje poskytují hodnoty statických tahů, jejichž zveřejňováním se výrobci vrtulí předhánějí, a co se z nich dá použít, někdy jindy.