Tekutiny, které jsou nestlačitelné a kam patří do rychlostí cca 360km/h i vzduch, se chovají nejen samy o sobě odlišně, ale dávají to najevo zejména při proudění kolem těles, které se jim postaví do cesty. Se stejnými vzájemnými účinky se lze setkat, jestliže se těleso pohybuje v nějakém poddajném prostředí, například ve vzduchu. Mám tím na mysli především létání v atmosféře Země. Podmínkami na Marsu se zde zatím zabývat nebudeme.

Tekutiny se chovají odlišně kvůli svým fyzikálním vlastnostem, jimiž jsou zejména jejich hustota(měrná hmotnost- kg/m³) a viskozita ( m²/s ). Tyto fyzikální veličiny jsou značně závislé na tlaku a teplotě ovzduší. Zatímco jeho hustota s rostoucí teplotou klesá, viskozita naopak stoupá. Hustota rovněž klesá se zmenšujícím se tlakem, tedy v našem případě s rostoucí nadmořskou výškou.

Pokud zjednodušíme tyto předpoklady a vezmeme na vědomí, že menší letadla a jejich modely se pohybují většinou ve výškách pod 1000m, tak můžeme s přimhouřením jednoho oka pokládat změny hustoty vzduchu za méně podstatné. V těchto vrstvách atmosféry se mění v rozmezí 1,22 až 1,11 kg/³. To je změna zhruba o 10%.

S viskozitou  to ale již není tak snadné. Její hodnoty se mohou pohybovat v ročních obdobích v rozmezí hodnot 0,0000143 až 0,0000125 m²/s. To je rozdíl více než 14%.

Ani to by snad nemusel být tak tragické pokud by nevstupovaly do dějů při proudění ještě vlivy, které výsledné okolnosti deformují  nelineárně. Jedná se totiž o neustálý boj, při proudění kolem těles, mezi silami setrvačnými a třecími. A podmínky při nichž obě skupiny sil soupeří a jež popisuje známé Reynoldsovo číslo, se nemění v některých fázích, ač bychom si to přáli, příliš zákonitě. Platí to zejména u modelů letadel, menších letounů, listů vrtulí a rotorů.

Zde se lze dočkat nepříjemných důsledků, jestliže hodnoty Reynoldsových čísel klesají pod hodnotu cca 400 000.  A k tomu u modelů letadel dochází přinejmenším v 95% případů a u menších letounů při rychlostech letů pod cca 20m/s ( 72km/h). U bezpilotních prostředků je to obdobné.

Co se tedy zákonitě nabízí tvoru, zvanému člověk, který je neustále schopen do něčeho zasahovat?!

Jestliže nastávají okolo nás děje při nichž je proudění tekutin nedokonalé, je jedno z jakého důvodu a při jaké příležitosti, tak je jistě možné pokusit se tuto situaci ovlivnit. Jestli správně nebo špatně je již zase věc druhá.

Jsou stavy kdy proud plynu nebo kapaliny nemění proces, pro který byl určen, tak dobře jak by nám vyhovovalo. Případy, jichž si trochu blíže všimneme, souvisejí s nedostatečně vyvinutým prouděním tekutin kolem nebo podél těles. Reynoldsova čísla takovýchto proudění jsou nízká a účinnost vzniklých aerodynamických či hydrodynamických sil malá. Lze se s tím setkat například při procesech výměny tepla kdekoliv. My se s tím setkáváme, jakožto stoupenci letectví, v aerodynamice.

Bez dlouhého povídání řekněme rovnou, že laminární (vrstevnaté) proudění, které sice vytváří menší odpor na v něm umístěných těles (nosných a ocasních ploch, vrtulí, rotorů, lopatek turbin,…) je velmi křehké pokud se týče jeho stálosti. To jest udržení se po co nejdelší dráze. Snadno se zvrtne v odtržené proudění, kde odpor naroste zásadně a vztlak klesne výnamně. To se nám samozřejmě nelíbí.

Protože víme, že v mnohých takovýchto případech je lepší jestliže laminární proudění je jen nezbytně dlouhé a pak přejde v proudění turbulentní přilehlé. Anebo dojde pouze k turbulentnímu (vířivému) proudění, které sice vytváří odpor poněkud větší, ale je mnohem stálejší a nezanechává za sebou „vírovou spoušť“, jako odtržené proudění laminární.

Takže co s tím?!

Pokusím se to vysvětlit pomocí následujících obrázků.

To je jeden z příkladů toho jaké byly snahy změnit charakter proudění na profilu běhen 2. světové války v Německu. Výsledky se mi zdají, pro tak tlustý profil a poměrné nízké Re číslo, až příliš příznivé, ale nepřísluší mi je posuzovat. My jsme tyto informace v počátcích 50. let nadšeně přejímali, ale byli jsme zklamáni. Snad to při měřeních v tunelu skutečně takto fungovalo.

Později se přešlo na jiné druhy turbulátorů  i jinde vůči profilu umísťované. Z nich alespoň jedno řešení je používámo dodnes. „Zig-zag“ páska. To je na dalším obrázku.

  

 Když jsme počátkem 70. let minulého století dokázali simulovat testy několika profilů při velmi nízkých Re číslech, do té doby v literatuře neznámých, použili jsme na nich i drsné pásky tloušťky kolem 0,4mm v předních částech horních stran testovaných křídel ( hloubka 100mm, rozpětí 400mm). Ty pásky byly zbytečně tlusté. To jsme ale zjistili mnohem později.  Výsledky jsou v dalších čtyřech obnrázcích.

   

To, že to funguje spolehlivě jsme ověřili na modelu F1A s profilem HK 8556 a to s turbulátem i bez něj. Výkony a letové vlastnosti byly diametrálně odlišné v souladu s naměřenými hodnotami v tunelu.

Když jsem si později odbyl povinnou daň naivního amatérského pokusníka se svým soukromým aerodynamickým tunelem, tak jsem se rozhodl to zkusit jinak. Je to v dalších dvou obrázcích. Testoval jsem, dlouhé hodiny a pak ještě výsledky mnohem déle vyhodnocoval, malé kluzáky ve volné přírodě, kdy bylo téměř bezvětří a teploty kolem nuly. Nebudu to dlouze popisovat, protože už to někde je publikováno. 

 

Aby bylo možno zavést alespoň nějakou diskuzi nad tím, doplnil jsem to první měření výsledkem z programu „Profili“ pro velmi podobný profil. Podívejte se na následující obrázek jak to dopadlo.

V dalších obrázcích jsou instruktivní informace z laboratoří univerzity v Illinois-USA.

  

Na dalším obrázku je porovnání výsledků aerodynamických charakteristik dvou profilů, jejichž souřadnice se mi nepodařilo sehnat, s turbulátory umístěnými postupně v různých vzdálenostech od náběžné hrany.

Abychom nezůstali jen u 3D páskových turbulátorů je v dalším obrázku uveden příklad použití „vyvíječů vírů (Vortex Generators) instalovaných na křídle jednoho UL. To jsou rovněž účinné prostředky ovlivňující charakter proudění na nosných i ocasních plochách.

Následující obrázek nabízí ukázku německých 3D turbulátorových produktů.

A nakonec je tu ještě elegantní řešení krytu mezery klapky křídla německého kluzáku , před níž je na spodní straně umístěn také turbulátor.

Neboť všechny nežádoucí mezery na létajícím stroji je třeba utěsnit co nejlépe. Kdo si to ještě nevyzkoušel, nechť tak učiní ke své spokojenosti.

20.11. 2012 © Jaroslav Lněnička