Možná by se to také mohlo nazvat popovídání nebo také „tlachání“ o tom jaké aerodynamické charakteristiky a tomu náležející hodnoty součinitelů vztlaku, odporu a momentu mohou být výsledkem náročných a zdlouhavých měření malých nebo i větších křídel s nekonečným rozpětím – tedy profilů nebo všelikých těles vystavovaných účinkům proudu tekutin.

Anebo co je možné získat z vhodných programů bez potřeby aerodynamického tunelu.

 V našem případě, tedy v aviatice, se jedná  převážně o atmosférický vzduch o teplotách, tlacích a vlhkosti, jejichž hodnoty bývají dohodnuty v určitých mezích. Nám postačí údaje odpovídající vrstvě zemského ovzduší od 0 m do cca 5 000 m nad úrovní moří.

K tomu přidám jeden, z našeho magazínu již známý, obrázek o atmosféře Země.

Když si k tomu domyslíte ještě množství různých pevných nečistot, aerosolů různých látek a jejich směsí, námrazu, led a sníh a přidáte ještě přiměřená množství hmyzu, pak se nacházíte přibližně v  tekutině – zvané atmosférický vzduch, v které se pohybují létající stroje a kterou také dýcháme. To jest filtrujeme také svými plícemi.

Asi nejsem úplně ten pomazaný a vyvolený, který by měl rozprávět o výsledcích získaných z aerodynamických tunelů nebo alespoň „koloběhů“ z předminulého století.

To riziko ale podstoupím, protože nějaké bezprostřední kontakty s takovýmito zařízeními mám.

Jednak jsem stvořil několik testovacích modelů o rozměrech 100 x 400 mm pro kořistní německý cirkulační tunel, který byl instalován v budově dřívější VTA v Brně a na němž jsme vykonali několik stovek měření při velmi malých rychlostech proudění a upozornili  jejich zveřejněním na hysterezní projevy proudění při kritických a podkritických podmínkách. Dnes toto zařízení není již v původním stavu.

V dalším obrázku jsou instruktivní výsledky z tohoto tunelu dosažené při  měření profilu NACA 4412 v podkritické, kritické a nadkritické oblasti proudění doplněné již dostatečně vyvinutými podmínkami proudění NACA převzatého z „Technical Note 1945“- Washington, October 1949.

To bylo na počátku 70. let minulého století. Ta měření byla uskutečněna díky iniciativě ing B. Hořeního s dočasných povolením od vedení vojenské akademie. Jejich průběhy a výsledky byly popsány například v několika číslech časopisu „Modelář“ v  těch letech a také v některých našich knížkách. Na to trochu překvapeně  reagovala na příklad laboratoř na univerzitě ve Stuttgartu.

V dalších dvou  obrázcích je poukázáno na to co se může dít, a také k tomu při nízkých Reynoldsových číslech dochází, což nepříznivě provází zejména modely letadel, jestliže má  profil  hladký povrch. Nebo když je aplikován turbulátor například v jeho horní přední část – to je znázorněno  v následujícím obrázku.

Hysterezní jevy, to jest prudká kolísání vztlaku s použitím tubulátoru při malých změnách úhlů náběhu, zmizely. Jak si však pozorný čtenář všiml, narostl součinitel odporu ne nevýznamně.

To jsem již popsal v různých publikovaných podkladech vícekrát, takže se u toho nebudu déle zdržovat.

To však byla jen jakási předmluva k tomu o čem bude tento článek.

Chci v něm upozornit na to jak poměry panující v tunelu a v jeho bezprostředním okolí, při získávání aerodynamických dat v něm,  mohou ovlivnit získávané hodnoty a jak na to mohou reagovat výpočetní programy..

Připusťme, že atmosféra Země v níž se snažíme kontrolovaně pohybovat – to jest létat, je známou fyzikální plynnou směsí vodní páry, dusíku, kyslíku a velmi malého množství jiných plynů. Nejsou v ní obvykle jakékoliv, zejména, pevné přimíseniny, neobvyklý hluk, výrazné změny teplot a vlhkostí nebo   víření a podobně. Je nepohyblivá a spojitě zaujímá změny prostoru.

 Je to vlídné, klidné nebo velmi pomalu se pohybující spojité prostředí, jímž se snažíme pronikat a napodobovat lety ptáků a hmyzu.

Jindy je však prostředí dost nevlídné a pak se dějí věci nevídané. Ale pro takové podmínky ani měření v tunelech ani početní programy nastaveny nejsou. Jenom hypoteticky.

A takovýto stav, ten vlídný, se snaží nastolit uvnitř svých aerodynamických tunelů všechny gramotné laboratoře na Zemi. Pokud nesledují něco jiného.

Jenže to není tak jednoduché, i když k tomu je občas k dispozici dostatek peněz, času a nezbytný počet personálu. Je to dokonce velmi složité.

V následujícím obrázku je něco jako část nosné pevné plochy s profilem o maximální tloušťce 11% a s největším prohnutím asi 3,5%. Předpokládejme, že bychom ho hodlali použít na nějakém vhodném létajícím stroji. Tedy asi modelu letadla nebo na okrajích nosných ploch některých skutečných kluzáků.

K tomu bychom rádi získali jeho aerodynamické charakteristiky, abychom mohli posoudit jeho očekávané výkony a letové vlastnosti. Tak jak se to obvykle dělává.

Jenže když nemáme k dispozici větrný tunel???

V dnešní době však existuje několik programů, které suplují možnost získávání takových údajů mimo aerodynamické tunely, když kdysi jim předcházely tak zvané „koloběhy“ nebo jiné nástroje či metody.

Mít k dispozici dostatečně dlouho aerodynamický tunel není tak jednoduché. Především je k tomu třeba dost peněz. Když od toho ale odhlédneme, což není tak snadné bez následků, tak se můžeme obrátit na prve zmíněné programy.

Z nich velmi známý je například americký Drelův X-foil a z něj odvozený italský program Profili. Když před několika desítkami let to například byly obdobné, ale ne tak schopné nástroje v NACA a NASA nebo u prof. Wortmanna či prof. Epplera a dalších.

Takže nákladná a rozsáhlá tunelová měření a následné vyhodnocování získaných výsledků je dnes možné obcházet, a ne zcela neúspěšně, pomocí programů.

Přes to dnes stále ještě dochází k testování nejen profilů nosných a  ocasních ploch, vrtulí, rotorů a podobně v aerodynamických tunelech pro ověření hodnot získaných z počítačů.

K tomu, nejen ze svých skromných poznatků, poznamenám, že je to při měřeních  práce ošidná a je třeba pro získání věrohodných výsledků zajistit při testování nezbytné podmínky, aby se se získanými hodnotami mohlo nějak gramotně nakládat.

Oč se jedná například :

1) z proudícího vzduchu tunelem (dost často se jedná o cirkulační uspořádání kvůli snížení energetické náročnosti) je třeba odstranit, když ne všechno, tak alespoň rozhodující množství nepřirozených vírů, které v přírodě nejsou. A to není zase tak malý problém.

2) z měřícího prostoru je třeba vyjmout hluk, což se snadno řekne, ale podstatně hůře udělá.

3) pak jsou velmi nežádoucí jakékoliv vibrace nejen testovaného modelu, ale i stěn tunelu, zejména je-li ten s nimi nějak spojen.

4) o teplotu a vlhkost proudícího ovzduší, kterou  je třeba držet na vhodné stálé úrovni.

5) o dodržení konstantní rychlosti proudění.

6) snad i o nepříznivých vlivech například slunečního svitu, které  je třeba také omezit maximálně.

7) o potřebnou citlivost všech senzorů a jejich spolehlivost.

8) o vliv tvaru a velikosti měřícího prostoru v poměru k měřenému modelu. Například při větších úhlech náběhu dochází ke změně rychlostního profilu po průřezu a hned potom k tak zvanému ucpávání tunelu. Taková měření jsou prakticky bezcenná. A to v přírodě není. Já jsem to ve svém „domácím tunelu“ zažil.

9) o přesnosti tvarů testovaného modelu. Například z měření NACA ze 40. let minulého století se lze dozvědět, že požadavek dodržení přesnosti tvaru byl požadován v toleranci ±0,1 mm.

Jednou, bylo to asi v roce 1992, jsem také viděl v Moskvě aerodynamický tunel, dost zblízka, jehož testovací prostor měl tvar válce o průměru asi 100 až 130 mm. Celý vnitřek byl pěkně začouzený. Údajně se tam testovala tělesa a jejich tvary pro rychlosti kolem 6 000 km/h a více. Obsluhujícího personálu bylo málo, skoro nikdo, takže jsem se toho více nedozvěděl, pokud bych se dozvědět směl.

10) o potřebnou kvalifikaci a obětavost personálu a podobně.

Není toho málo a to jsem určitě na něco zapomněl.

Takže kdo nemá a nechce mít svůj vlastní tunel, já jsem měl ve svém domku dva, jistojistě použije některý z dostupných výpočetních programů. Pokud mu je aerodynamika tak milá.

A teď je třeba mít se na pozoru, protože sejít ze správné cesty je velmi snadné.

Pokusím se to vysvětli na dalších diagramech.

Když bude mít kdokoliv k dispozici něco jako větrný tunel, stačí k tomu někdy ventilátor či silnější vysavač a přiměřeně tvarovaný a rozměrný prostor s jednoduchými senzory rychlostí a tlaků, pak může získat zajímavé údaje. Ale kam je zařadit, pokud se týče jejich věrohodnosti, je velmi ošidné. Tak to bylo před mnoha desítkami let když byly publikovány údaje při nižších Reynoldsových číslech. Jedním z originálních pramenů byly například údaje od prof. Schmitze ze 40. let minulého století.

Obdobně si ale ten dotyčný, poznávání chtivý občan, může opatřit nějaký výpočetní program a začít tvořit tvary, v našich případech obvykle profily nosných a ocasních ploch, ku svému obrazu. Některé programy toho dost umožňují, jiné zase vzdorují nebo odmítají spolupracovat při vznášení zvláštních požadavků, například nízkých Reynoldsových číslech, simulaci klapek a podobně.

V dalších obrázcích jsou tři příklady výsledků vypočítaných dvou aerodynamických hodnot, a sice součinitelů vztlaku a odporu, profilu, který je zobrazen v obrázku předešlém.

Vynechám poučování o tom jak pracovat s takovýmito programy, protože to ani s úplně všemi taky bezchybně neumím, ale upozorním na hodnotu označenou v doprovodných charakteristikách, vedle Reynoldsových čísel a čísla Machova a tou je NCrit.

To je jakási kalibrace vlastností proudění zvolená pro výpočetní metodu a vycházející z předpokládaného porovnání podmínek proudění v tunelu ve srovnání s klidnou atmosférou Země. Takže to můžeme vzdáleně přirovnat například k podmínkám jízdy na bicyklu po hladké silnici a hrbolaté stezce blízko hlučné továrny. To se mi sice moc nepovedlo, ale zase tak úplně od věci to není.

V prvním následujícím obrázku dole jsou předpokládané podmínky pro hodnoty NCrit stručně popsány. Je to převzato z italského programu „Profili“.

Tady, i v obou dalších diagramech jsou zakresleny vypočítané hodnoty součinitelů vztlaku a odporu pro stejných 7 Reynoldsových číse a stálou hodnotu Machova čísla M=0.

V prvním diagramu je NCrit = 6.

V druhém pak NCrit=9, což je, pro ocenění podmínek pro měření v tunelech,  hodnota uznávaná  jako přijatelná.

Ve třetím diagramu je pak NCrit=13 a to jsou podmínky již asi nepříliš četně se vyskytující v aviatice. Je to příliš abstraktní atmosféra Země, ale musí se s ní uvažovat.

Pozorný čtenář si jistě všimne jak hrůzostrašně se mění hodnoty obou součinitelů se vzrůstajícím NCrit. A pokud se rozpomene na údaje  v obrázku druhém a třetím tohoto článku, tak může s jistou pravděpodobností tato naše dávná měření označit hodnotou NCrit v rozmezí 8 -9.

Dalo nám to tehdy dost práce umravnit turbulenci proudu v cirkulačním tunelu na minimum.  Hluk se nám nepodařilo odstranit téměř vůbec. Proto nás taky poměrně brzo v našem snažení v Brně zastavili.

Aniž bych se pokoušel rozebírat graficky znázorněné výsledky práce programu „Profili“, tak pouze připomenu například, že pro velmi nízká Reynoldsova čísla mají na mnohé velikosti odporu a skokové změny součinitelů vztlaku a odporu vliv hodnoty NCrit zásadní.

Od Reynoldsových čísel o hodnotách větších než asi 60000-70000 pro cca NCrit ‹  9 jsou již odchylky menší.

Což by mohlo například znamenat, že pro takovýto profil, jemu podobné a tlustší i více prohnuté  jsou poměry pro Re čísla menší než cca 80000 již velmi nevýhodná. A teprve při jejich hodnotách nad asi 250000-300000 se mohou získané výsledky pro různá NCrit jakž-takž věrohodně porovnávat.

To je prakticky totéž co jsme zjistili při našich měřeních již asi před 40 lety. Instruktivní důkazy o tom podávají získané hodnoty pro profil HK 8556 s turbulátorem a bez něho v předchozím textu.

Takže se nyní vracím k tomu proč jsem ten článek sestavil.

Když bude někdo snaživý chtít otestovat vhodným programem aerodynamické charakteristiky profilu nechť se ve svém vlastním zájmu obrátí s určitou důvěrou na podmínky, které pro něj vytyčuje NCrit = 9. Je to upřímné doporučení, nic víc.

9. 5. 2015 © Jaroslav Lněnička