Home » Aerodynamika a mechanika » Profily křídel modelů letadel trochu jinak

Profily křídel modelů letadel trochu jinak

Print Friendly, PDF & Email

1  Tři fáze prouděníVelmi schopný program X-foil, Profili ; Xflr5 nebo i jiné, které jsou dostupný na internetu, umožňují komukoliv zaobírat se profily křídel, ocasních ploch, rotorů, vrtulí i lopatek dmychadel, dosyta.  Pomocí těchto nástrojů, i v neprofesionální verzi, je možné pitvat profily a jejich vlastnosti v podstatě do úplného omrzení.

Získané hodnoty jsou výsledkem početních postupů. Nejsou to hodnoty z aerodynamických tunelů, ale respektují nejnovější poznatky z aerodynamiky nízkých rychlostí a tak je lze posuzovat celkem jako údaje věrohodné. Když použijete porovnávací metody mezi dvěma nebo více profily, doberete se výsledků ještě věrohodnějších, pokud se týče jejich vzájemné hierarchie v soutěži o  aerodynamicky ( myslím tím nejen výkony, ale i letové vlastnosti) lepší profil.

Ty co se ukáží jako lepší až nejlepší, zůstanou takovými i ve skutečnosti. Horší se v praxi nezlepší ani pokud se dostanete do poměru pro proudění vzduchu kolem křídel, ocasních ploch, listů vrtulí a rotorů, nadkritických, t.zn. výhodnějších.

1  Tři fáze proudění

Z obr.č.1 je patrno, jak velká vírová stopa-úplav je za profilem jestliže je proudění nedokonalé-podkritické, přechodné-kritické a konečně alespoň trochu vyvinuté-nadkritické. Odpor i vztlak se za těchto podmínek  mění u symetrických profilů, a nejen u nich,  výrazně a výkony ovlivňují zásadně.

O tom bylo ale popsáno mnoho stánek a já to zde beru za známou skutečnost, kterou nechci znovu opakovat. I když jsou někteří zdatní stoupenci leteckého modelářství stále ještě mimo důležitá poznání skutečností. Jsem vždy na rozpacích, když se například doslechnu, že „ten model musí letět taky s takovým profilem jako měl skutečný letoun“. Může, ale nemusí a také to dříve či hned prokáže. Je to na pováženou zejména u obřích maket, kdy je z tohoto důvodu přivedeno v niveč nesmírné množství práce.

Snad to tak, ale má i v leteckém modelářství být. S tím já sice nesouhlasím, ale to  je asi tak všechno co se s tím mohu dělat vedle toho, že píši například tyto řádky.

Protože se pohybuji mezi modelářským lidem již mnoho desítek let a snad jej i zčásti znám, dovoluji si vnést několik následujících poznání, tentokrát o profilech, trochu jinak, než jsem to dosud zkoušel na leteckomodelářskou obec.

Trápil jsem Durantiho program několik stovek hodin a sestavil jsem desítky nových profilů, z nichž je nemalý počet velmi použitelných. Jsou v podstatě stejné jako mnoho jiných velmi dobrých. Ono to totiž jinak ani nemůže být, pokud k tomu použijete stejné nástroje. V tomto případě „Profili 2“ či „X-foil“.

Sestavil jsem a vybral  několik z nich, abych na nich ukázal s čím se u nich dá počítat. Ale nejen u nich.

2 Poláry jednoho profilu pro různá Re čísla

Na obrázcích č. 2 jsou uvedeny  poláry profilu . A to vždy pro takový rozsah Reynoldsových čísel, které odpovídají jejich předpokládanému použití. Na polárách jsou uvedeny vždy tři oblasti související s charakterem proudění kolem profilu a tím i s jeho výkony a vlastnostmi. Je to podkritická oblast proudění, kritická oblast a proudění dostatečně vyvinuté. Dosáhnout dostatečně vyvinutého proudění je pro jakýkoliv létající stroj žádoucí a výhodné. Vždycky to ale u menších modelů letadel není dost dobře možné. Čím je Re číslo vyšší tím větší je pravděpodobnost dosáhnout lepších výkonů i letových vlastností. Takže i zde platí, že i v „dospělém“ proudění jsou si, jako mezi lidmi, profily „rovnější“. To se nám obvykle nelíbí. Proto tomu napomáháme účinnou volbou(naštěstí nikoliv do jakéhosi nás občany „zastupujícího“ orgánu) tvaru, tloušťky a prohnutí profilů.

Připomeňme něco o proudění kolem těles. V podstatě existují tři druhy proudění, viz znovu obr.č.1, k nimž může dojít při proudění tekutin kolem nich. Rozhodující při tom je poměr setrvačných a třecích sil, které se současně při tom vyskytují. Mám na mysli síly vznikající v proudu tekutin, jež pak působí na pohybující se tělesa.

3 Příklady přibližných odporů těles

Na obr.č.3 je známá skica pěti těles o stejném příčném průřezu, postavených do proudu vzduchu(nebo jiné tekutiny). Kruhová deska postavena napříč proudu má zde odpor největší. Zde jsou příčinou velkého odporu hlavně setrvačné síly proudu, které nedokáží sledovat její tvar a postavení jinak, než je znázorněno. Odpor zde je jeden z největších jakého je možné takovýmto způsobem dosáhnout.

U koule se uplatňuje vliv setrvačných i třecích sil, protože proud je schopen již obtékat její přední část celkem vyhovujícím způsobem. Je zde přilehlý a neotrhává se od povrchu.

U kapkovitého tělesa, jehož osa symetrie je rovnoběžná se směrem proudění, mají již velký vliv síly třecí, pokud těleso zaujímá uvedenou polohu. Proud se odtrhává až daleko za náběžnou hranou.

Pokud tomu ale tak není a symetrické těleso mění svoje postavení (úhel náběhu) vůči směru pohybu začnou se znovu uplatňovat proměnlivé vlivy setrvačných i třecích sil a odpor se mění významně.

Setrvačné síly v proudících tekutinách jsou ty, jejichž účinky jsou vytvářeny jejich hustotami a rychlostmi proudění. Působí při vhodných tvarech a úhlech nastavení těles vůči proudu tekutin obvykle příznivě. Dokáží sledovat správné a dostatečně velké  tvary těles, v našich případech profilů, křídel,ocasních ploch a listů vrtulí a rotorů, přilehlým proudem co nejdéle. To je to po čem toužíme. Odpor v těchto případech není příliš velký a vztlak je již dostatečný. Tvar profilu, o něž se zde především zajímáme, je však neopomenutelný.

Třecí síly jsou zase těmi, které bychom nejraději odstranili. To dost dobře nejde úplně, protože tření nás provází po celý náš život, ne-li již před ním. Částečně můžeme jejich účinky omezit tím, že povrchy těles stvoříme co nejhladší.

Třecí síly nejsou totiž výsledkem pouhého tření o povrchy těles(křídel), ale také důsledkem existujícího vnitřního tření ve všech tekutinách. To je charakterizováno například jejich viskozitami, jež můžeme neprofesionálně popsat jako vzájemné úsilí nedopustit snadné změny polohy, mezi jednotlivými jejich částicemi. Tyto síly  se nesnaží nám naše úsilí usnadnit. Působí vždy proti nám.

Takže jestliže převáží v proudění účinky třecích sil, to nastává u modelů letadel při menších rozměrech křídel a nízkých rychlostech velmi často, tak se proudění stává velmi nespolehlivým. Proud vzduchu není schopen sledovat tvar profilu po celé jeho hloubce. Odtrhává se od jeho povrchu velmi blízko za jeho náběžnou hranou a vytváří širokou vírovou stopu za ním. Odpor je velký a vztlak velmi malý.

K tomu dochází tím více a tím rychleji jestliže nastavujeme křídla do větších úhlů náběhu, což je nejen u radiem řízených modelů poměrně snadné. Takovéto obtékání profilů a křídel(ale i vrtulí a rotorů vrtulníků či vírníků) je nežádoucí. Nazývá se prouděním podkritickým.

Jestliže použijeme stejný profil pro větší hloubky křídel a budou-li to modely pohybující se většími rychlostmi než před tím, získáváme určitou kontrolu nad prouděním. Není to ale ještě až taková výhra. Setrvačné síly, jimž jsme dali větší příležitost se uplatnit v souboji se silami třecími, sníží jejich nepříznivé účinky. Je to však jen jakýsi kompromis. Protože jejich vliv na poměry v proudění se rychle střídá. V jednom okamžiku je vztlak poměrně značný a odpor malý. V následujícím okamžiku je tomu ale již naopak. Seřídit takovýto model a dosáhnout u něj přijatelných letových vlastností, ano mám především na mysli stabilitu letu všeobecně, je velmi obtížné a obvykle nemožné bez dalších úprav. Tento stav proudění je nazýván kritickým.  Model letí chvíli skvěle a najednou zcela hanebně.

Když instalujeme stále stejný profil do křídla ještě většího modelu, který s vyšším zatížením křídla bud létat rychleji, překonáme překážky i kritického proudění a dostáváme se k možnostem dosáhnout vyvinutějšího proudění ve srovnání s oběma předchozími případy. Vztlak narůstá optimisticky a odpor klesá rapidně. Aerodynamická jemnost profilu se zvyšuje stále více. Tím je naše objevitelská úloha splněna a mohli bychom mít  výkonný a spolehlivý model letadla.

4  A takhle nějak to opravdu může vypadat

Na obr.č.4 je učiněn pokus zjednodušeně zviditelnit jaké úplavy vznikají na každém letícím stroji za jeho nosnou plochou a plochami ocasními. Tyto vírové stopy se snažíme zmenšit co nejvíce vhodnou volbou profilů a tvarem ploch.

Teď již jenom zbývá vědět jak tuto úlohu v praxi řešit a to pokud možno úspěšně. Pokusím se znovu(po kolikáté již) napovědět jak toho asi dosáhnout na následujících několika profilech k jejichž sestrojení jsem použil zmiňovaný program.

Ještě je nutné, pro některé čitatele těchto řádků, osvěžit pojem Reynoldsova čísla, bez kterého je údaj o odporu a vztlaku pro jakékoliv těleso bezcenný. Reynoldsovo číslo, které je bezrozměrným výrazem popisujícím vzájemný vliv setrvačných a třecích sil při proudění tekutin (kapalin i plynů) je možné, bez jakýchkoliv dalších zdůvodnění, spočítat takto:

Re = 68 b.V     / – /

5  Reynoldsovo číslo-příklady copy

Z obrázku č.5 je patrné co oba výrazy b a V znamenají. Hloubku profilu(křídla, ocasní plochy..) zde označuje písmeno b a do vzorce je dosazujeme v mm.  Rychlost pohybu(letu) je označena písmenem V a dosazujeme ji v m/s. Číslo 68 je převrácenou hodnotou kinematické vazkosti vzduchu při cca 150C a prostě je do každého výpočtu Re čísla pro tuto teplotu vzduchu použijte. Nijak se tímto bezrozměrným kriteriem, pokud nechcete, nezabývejte a prostě a jednoduše je vždy spočítejte, abyste věděli o jakou křivku se v  diagramech součinitelů vztlaku, odporu a momentu v závislosti na úhlech náběhu máte zajímat. Je to docela jednoduché, ale důležité.

Snad toho bylo dost pro tento účel, který měl upozornit  trochu jinak na to jak posuzovat profily pro modely nebo si je dokonce tvořit, na příklad pomocí Durantiho programu PROFILI a konec konců nejen pro ně. Pro skutečná letadla platí totiž stejné fyzikální zákony.

Širší informace může poznání chtivý modelář najít například v pramenech Aeromodelu Hradec Králové, jež jsem sestavil do následujících knížek: Létání/Flying ; O modelech letadel I a II část ; Lidé a letadla ; 163x pro letecké modelářství ; On airfoils.

Dřívější publikace –O profilech ; Letecké modelářství a letectví ; O dřívějších větroních a modelech ; Letecké modelářství a aerodynamika(spoluautor je ing B.Hoření) je možné zastihnout ve vybraných veřejných knihovnách.

Jinak jsem použil při psaní tohoto článků souhrnu určitého množství informací a zkušeností svých i cizích, jichž jsem za více desetiletí nabyl.

 

30.3.2013 © Jaroslav Lněnička


4 komentáře

  1. Dobrý den,
    rád chodím nakouknout, počíst a nezbývá než Vám poděkovat za nekonečnou trpělivost s osvětlováním teorie. Dovolil bych si podotkut, že by bylo zajímavé k tomuto článku doplint, jak přijít k hodnotám Cy našeho modelu a promítnout si, ve které oblasti poláry se model při dané rychlosti pohybuje a jak je tedy nutné profil modifikovat pro dosažení lepších výsledků.
    Děkuji
    Radim

  2. Dobrý den pane Lněničko!
    Jsem též dříve narozený modelář, který si užil RC zhruba od roku 1974 ( daly se koupit Graupnerská serva a udělat si i amatérský proporcionál). Na stará kolena jsem se vrátil k volným modelům. Jsme jako dinosauři určeni k vyhynutí, ale zatím nás to několik ještě baví. Obracím se na Vás s prosbou o radu. Vlastním PROFILI 2.30 pro a s chutí si v nich bádám. Provozujeme volné motorové modely a vybral jsem si 15 profilů pro porovnání. S tím mám však problémy, neboť celkem jasná je situace v klouzavém letu, kde při Re cca 40.000 je jasným kriteriem Power Faktor, ale nepříliš jasná je pro mně situace ve svislém letu vzhůru ( jenom tak lze nyní úspěšně létat). Nevím, zda větší váhu pro dosažitelnou stoupací rychlost ( a tedy i větší dosaženou výšku za 5 sec.) má odpor profilu křídla při Re cca 250.000, či jeho nulový klopný moment, který je ve stoupavém letu nutno korigovat výškovkou. Vliv celkové hmotnosti se bohužel pravidlům FAI pro kategorie F1J (150gr) a pro F1P (260gr.) nepodařilo usměrnit. Standardní F1J váží 250-300gr a F1P 300-400gr. Prosím o radu a případně zašlu Excelovou tabulku vybraných profilů pro Vaše posouzení. Je mi zcela jasné, že „šedá je teorie, ale strom života se věčně zelená“ a že se jedná jen o pomůcku.
    Díky za odpověď!
    Pavelka

Leave a comment

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..

Archivy