Profily nosných a ocasních ploch
6. část

V této části bychom již měli uvést některé obecnější informace, využitelné při vyhledávání profilů pro nosné a ocasní plochy i pro listy vrtulí a rotorů.

Zopakujme co víme a co k tomu dodáváme:

-profil neboli křídlo nekonečného rozpětí je charakterizováno tloušťkou, prohnutím a jejich rozložením po hloubce, což je znovu připomenuto v následujících třech obrázcích. Profil je obtékán vždy jen dvourozměrně (v soustavě os x a y) oproti křídlu konečného rozpětí, na němž je proudění trojrozměrné (v soustavě os x a y a z)

-tloušťka profilu se může teoreticky nacházet mezi nulou a nekonečnem. Praktické tloušťky profilů jsou však v rozmezí od asi 3% do 20%. Jakési optimum tloušťek profilů je někde kolem 12% jejich hloubek. To ovšem neznamená, že 12%-ní profily jsou vždy ty nejlepší

-prohnutí profilů je rovněž možné nastavit na hodnoty v rozmezí nula až nekonečno. Používané hodnoty prohnutí se však nacházejí v rozmezí cca 0%(souměrné profily) až 8%. Na dalším obrázku jsou příklady profilu stále tloušťky a měněného prohnutí uvedeny

-čím je větší tloušťka profilu, tím je větší jeho nejmenší hodnota součinitele odporu, ale zároveň je i poněkud vyšší dosažitelná hodnota součinitele vztlaku. Proto jsou tlustší profily schopny létat poněkud nižšími rychlostmi než profily tenčí. Není to jen proto, že mají větší minimální odpor kvůli větší tloušťce, jak se stále někteří nadšenci ujišťují.

-čím je profil tenčí, tím je jeho schopnost dosahovat vyšších součinitelů vztlaku také menší. Jeho minimální součinitel odporu je ale také nižší než u profilů tlustších, takže umožňuje létání vyššími rychlostmi. To se snad podaří prokázat dalším dvěma obrázkům s aerodynamickými charakteristikami tenkých a tlustých profilů

-aerodynamická účinnost profilu, za což můžeme v našich populárních úvahách pokládat poměr vztlaku odporu neboli klouzavost při zvoleném úhlu náběhu, je výrazně závislá na Reynoldsově čísle.

Profily s tloušťkami do asi 9% začínají již být „použitelné“ při Re číslech větších než 70 000, aniž by vyžadovaly nějaké pomůcky(turbulátory). I když ty se ukázaly vhodnými i při mnohem větších hodnotách Re čísel u tlustších profilů. To znají nejen letečtí modeláři důvěrně.

Profily tlustší jsou účinné teprve asi až při Re>120 000.

Celkově lze ale uvést, že dostatečně vyvinutá proudění pro všechny profily nastávají teprve asi při Re>350 000.

Profily pro skutečná letadla jsou posuzovány od Re čísel ještě vyšších. Obvykle je to 1 000 000. I při vyšších hodnotách Re čísel se stále poněkud zvětšuje vztlak a zmenšuje odpor. Příklad předkládá další obrázek, kde je zdůrazněno šipkami posunutí k vyšším vztlakům a podstatně nižším odporům se stoupajícím Re číslem

-na každém profilu, ale i na alespoň trochu vhodně tvarovaném tělese existuje v jeho přední části laminární proudění, pokud mu není záměrně bráněno v jeho vzniku, po němž následuje proudění turbulentní. Proudění laminární disponuje nižším odporem než proudění turbulentní, je ale velmi citlivé na drsnost povrchu obtékaných ploch, jejich nerovnosti, zvlnění, nevhodné rozložení tloušťky po hloubce profilu apod.

Následující obrázek to předvádí na tvarech a tloušťkách mezních vrstev proudu v nichž se mění rychlost od nuly na povrchu profilu do hodnoty rychlosti okolního prostředí v daném místě na profilu. V místech kde začíná rychleji narůstat tloušťka mezní vrstvy dochází ke změně laminárního proudění v turbulentní

-o existenci, trvání a délce laminárního proudu rozhoduje značně poloha maximální tloušťky profilu a jeho tvar. Posouvání maximální tloušťky směrem od náběžné hrany(dozadu) usnadňuje vznik a trvání laminárního proudu.

Naopak posouvání polohy maximální tloušťky směrem k náběžné hraně zase umožňuje dosažení vyššího vztlaku.

Jakousi „profilovou plastickou chirurgii“ můžete nalézt v dalším obrázku, kde se maximální tloušťka profilu posunuje z polohy v 17% až do 55% jeho hloubky. Podívejte co se stalo se souměrným profilem. Předpoklady pro vytvoření nejdelší laminární vrstvy, při dodržení dalších nezbytných předpokladů, má poslední tvar dole

-polohy maximálních tloušťek profilů se mohou nacházet v rozmezí cca 10 až 70% jejich hloubek. Obvykle je to však mezi 17% až 60%.

Polohy maximálních prohnutí mohou být umístěny do vzdáleností mezi cca 15% až 85% hloubky profilu. Následující obrázek ukazuje na zvolených příkladech jak se může změnit tvar profilu posouvá-li se jeho největší prohnutí dozadu od náběžné hrany

Obvykle je poloha maximální tloušťky profilu umístěna před polohou maximálního prohnutí. Ale nemusí tomu tak být vždy. Nezřídka jsou přibližně v jednom místě.

-kvalita profilu je mimo jiné také posuzována podle toho kdy, kde a jak začíná docházet k odtržení proudu od povrchu profilu, zejména na jeho horní straně. K odtržení má docházet vždy co nejblíže odtokové hraně a odtud se má odtržení proudu šířit postupně a pokud možno pomalu směrem k hraně náběžné. O tom podává důkaz tvar poláry profilu v jeho horní části. Ta má být plochá s pozvolným poklesem vztlaku. Což se samozřejmě vždy nedaří. Ale na následujících dvou obrázcích něco takového platí. Navíc je zde připomenuto maximálně dosažitelné teoretické stoupání vztlakových čar, které udává pro jejich přímkové části přírůstek cca 11% vztlaku pro každý stupeň úhlu náběhu

K odtržení proudu muže dojít za nepříznivých podmínek již v jeho laminárním stavu(podobě). K tomu dochází obvykle náhle s nejhoršími následky. Vztlak prudce poklesne a odpor mnohonásobně stoupne.

Zásadní snaha při navrhování profilů je zaměřena na to, aby co možná nejdelší laminární proud přešel spolehlivě v proud turbulentní, při čemž oba druhy proudění mají věrně sledovat tvar profilu.

Proto je v mnoha programech oblast přechodu laminárního proudu v turbulentní, v závislosti na úhlech náběhu a pro dané Re číslo, vyznačována. To je v dalším obrázku ukázáno při Re=1 000 000 zvlášť pro horní a dolní stranu profilu.

-poloměr náběžné hrany má mimo jiné vliv na vznik přilehlého či odtrženého proudění v závislosti na úhlech náběhu. Při velkém zakřivení(malém poloměru) náběžné hrany má proud snahu odtrhávat se již i při středních úhlech náběhu. U větších poloměrů dochází k odtržení proudu až při větších úhlech náběhu. Velikost poloměru náběžné hrany je vhodné volit v souladu s velikostí tloušťky a prohnutí profilu a jejich polohou na tětivě profilu.

-úhel odtokové hrany profilu ovlivňuje efektivnost profilu nezanedbatelně. Čím je větší, tím je to horší.

Tloušťka odtokové hrany může však u některých profilů upravit příznivěji jejich vlastnosti, ale efektivnost profilu s její rostoucí hodnotou klesá.

-nerovnoměrné rozložení tlaků podél hloubky profilu na jeho horní a spodní straně vytváří klopný moment, který se ho snaží překlopit :

- náběžnou hranou dolů-u jednoduše prohnutých profilů

-nebo náběžnou hranou nahoru-u dvojitě prohnutých(„autostabilních“) profilů.

Jen u profilů souměrných tento klopný moment vůbec není nebo se vyskytuje jen ve velmi malé míře. S tím je nutno se vyrovnat pomocí stabilizační plochy (VOP) nebo jinak.

To se pokoušejí prokázat následující tři obrázky

-úhly náběhu, které popisují pod jakým postavením se profil pohybuje vzduchem, mohou probíhat v rozmezí ±90^o. Ve skutečnosti jsou tyto hodnoty mnohem menší a sice v rozmezí cca ±20^o.

Při záporných úhlech vzniká, zejména při jejich větších hodnotách, záporný vztlak. Při malých záporných úhlech je to pak vztlak blízký nule, vyjma profilů s velkým prohnutí. Souměrné profily mají vztlak roven nule při nulovém úhlu náběhu. Při větších úhlech náběhu má vztlak kladné hodnoty, ale jen do určitého maxima. Pak klesá a vzrůstá jen odpor.

U křídel konečných velikostí se štíhlostmi do cca 5, může být dosaženo ještě přijatelně stabilního letu i při úhlech náběhu mírně nad 20^o. To ale není zásluhou samotného profilu, ale právě malého rozpětí nosné plochy.

Klopný moment mění v závislosti na úhlech náběhu také svoji hodnotu i průběh. Důležitá je jeho hodnota, která odpovídá nulovému vztlaku.

Kdy může dojít k nulovému vztlaku na profilu ukazuje další obrázek

- a protože již příště přejdeme k podrobnějšímu popisu aerodynamických charakteristik profilů(polár) je příklad takové charakteristiky v následujících dvou obrázcích graficky a početně zachycen pro Re=1 000 000