Vad är den grundläggande fysiken bakom L / D minskar, eftersom AoA ökar utöver den optimala punkten?

Nu om du frågade varför den speciella vinkeln är optimal för en viss flygplatta, skulle vi behöva gå in i aerodynamik och gränslager och whatnot. Det handlar inte bara om vad som händer med de molekyler som (försöker) träffar vings undersida, men minst lika mycket om hur väl molekylerna över kan vingen vara övertygade om att inte slå den.

Observera att ovanför den optimala AoA, tills den kritiska (stall) vinkeln, hissen som alstras ökar med ökande AoA - det är bara att i detta område ökar öken snabbare än hissen gör.

Lokal hastighet vid låg attackvinkel

Vid en låg angreppsvinkel träffar den kommande luften flygeln direkt vid spetsen av framkanten. Det finns inte mycket krökning att förhandla innan den långa sträckan med liten krökning bakom näsan följer. För att snabbt ändra sin flödesväg måste luftmolekylen flöda i en högtrycksgradient, och denna gradient accelererar den inte bara i sidled utan även i flödesriktning. Följaktligen ser höga krökningsområden hög lokal flödeshastighet. (Jag förklarade fysiken på ett mycket enkelt sätt, om du vill veta mer läser du denna ).

Lokalhastighetvidhögangreppsvinkel

Medökandeangreppsvinkelmåstesugområdetöverflygplattanblistarkareföratttvingaluftflödetattföljakonturen.Följaktligensugasmeravdetinkommandeflödetövervingen,ochstagneringspunktenskiftarnedåtpåflygplansnäsa.Numåstepartiklarnasomträffarnäsanstraxovanförstagnationspunktenförhandlaomdetmestaavnäsanskrökning,vilketkrävermeracceleration.Dettaskaparensugkoppiflödetruntnäsanochhöglokalflödeshastighetpåövresidan.

Flödetöverbottenavflygplåtenkommeremellertidattretarderasnärastagneringspunktenochseendastlitenaccelerationmedandenströmmarmotbakkanten.Senedanförenplotavdenosynligatryckfördelningen.Tryckkoefficienten$c_p$korrelerarmedhastighet,och$c_p=0$betyderattlokalhastighetärlikamedflyghastighetenförflygbladet.Negativavärdenbetecknarsugningochlokalahastigheteröverstigandeflyghastighet,medanpositivavärdenpå$c_p$indikerarlångsammarehastigheter.Observeraatty-axelnärplottadomvänd,medminskandevärdenuppåt.

En hög lokal hastighet kommer också att orsaka hög lokal friktion. Även den långa trycksättningen på övre sidan vid hög angreppsvinkel behöver mer energi från det yttre flödet för att hålla flödet fäst, så gränsskiktet växer här och saktar ner mer luft än vid låg angreppsvinkel (återigen extremt förenklad). Båda effekterna betyder att drag går upp vid högre angreppsvinkel.

Om du ökar angreppsvinkeln längre, kan flödet inte följa överkanten och separeras. Detta medför att tryckökningen stannar vid separationspunkten, så nedströms trycket minskar. Eftersom den här delen av flygplattan pekar något bakåt, kommer denna lokala sugförhöjning att driva upp drag. Detta börjar före stall och på en välbetagen flygplatta kommer separationspunkten först att ligga nära bakkanten och flytta uppströms med ökande angreppsvinkel. Detta innebär att drag kommer att stiga gradvis med högre angreppsvinkel. Eftersom det mesta av flödet fortfarande är fäst, växer hissen fortfarande till stall.

Optimal attackvinkel

Flygplattan kommer att vara vid sin optimala angreppsvaluta $ \ alpha $ med det bästa förhållandet mellan hiss över drag $ E_ {opt} $ när hissens hastighet ökar med angreppsvinkel är lika med draghastigheten ökar gånger det optimala förhållande mellan hiss och drag. När den lokala dragningen ökar med angreppsvinkel överstiger detta värde minskar förhållandet mellan hiss och drag. Kanske är det här lättare att förklara med en formel: $$ E = \ frac {L} {D} $$ För att hitta det optimala ser vi på den punkt där derivatet av $ E $ över $ \ alpha $ är 0: $$ \ frac {\ delta L} {\ delta \ alpha} = E_ {opt} \ cdot \ frac {\ delta D} {\ delta \ alpha} $$ hissens höjning ökar över angreppsvinkel är ganska konstant tills stall. Vid låg angreppsvinkel dra sänks med ökande $ \ alpha $ tills minsta dragpunkt nås. Sedan går draget långsamt upp, så förhållandet mellan hiss och drag ökar fortfarande. Vid en tidpunkt växer båda på så sätt att deras förhållande inte kommer att förändras mycket, och när graden av dragökning ökar ännu högre kommer förhållandet att sjunka igen. Allt detta händer före stall.

Jag tror att du ställde den här frågan om vingsfysik och inte till flygplansfysik. Här kommer fysiken i induced drag . Jag kommer att försöka förenkla förklaringen.

Som du kanske vet har vings övre yta lägre tryck och vingeens nedre del har högre tryck. Det här är det som producerar hiss.

Men ... vad sägs om vingen? Båda sidorna är i kontakt så att de borde vara i samma tryck?

Så vi har en lägre yta på vingen med högre tryck och spetsen med "normalt tryck", så naturligtvis i den nedre ytan kommer luften att försöka gå från roten till spetsen.

På den övre ytan är situationen motståndet, roten kommer att ha lägre tryck och toppen högre, så att luften kommer att försöka gå från spetsen till roten.

På samma sätt som i spetsen är båda sidorna anslutna, kommer luften att försöka scape från nedre till övre nivå (det är därför det finns vinge tips). Och därför skapas vortexerna med den typiska bilder

Ok, nu pratar vi om dra. Drag är faktiskt "någon energi vi förlorar bara för att vi flyger" (ok, det är en förenkling men tillåter mig att förklara nästa steg). Så, förlorar flygplanet energi och ger det till luften för att skapa spetsvortexen. Ju större spetsvortex desto mer energi går förlorad.

Så, vet att du kommer till frågan, varför effektiviteten (L / D) minskar? Så, när angreppsvinkeln ökar, ökar hissen linjärt (proportionellt mot vinkelökningen), men den energi som förloras i spetsvirveln (det vill säga en dragkomponent) ökar kvadratiskt (proportionellt mot kvadraten av vinkeln för attack) betyder det att dragningen ökar snabbare (men börjar på en lägre nivå) som lyfter.

(lyft växer, men dra växer proportionellt snabbare)

Så vi når en punkt där ökningen av drag gör att effektiviteten börjar minska. Den punkten kan beräknas med formeln som anges i föregående inlägg.

Observera att vingen är mer komplicerad eftersom det finns andra dragkomponenter som också interagerar med vingen. Det är också sant att "oändliga" vingar har ett maximalt L / D, men det finns en annan mekanism på plats.

Vid högre AOA separeras flödet, följaktligen händer Stall. På grund av stall minskade Lift och Drag ökade, så L / D minskade.