Avioane. Profilul Supercritic

METODA INDIRECTA SI METODA INVERSA ???????????

CUPRINS

SIMBOLURI 5

INTRODUCERE 6

1.Stadiul actual privind profilele supercritice 8

1.1.Scurt istoric al dezvoltării profilelor aerodinamice 8

evolutia aripii avionului

ce este un profil aerodinamic

caracteristici aerodinamice generale

fortele care actioneaza asupra unui avion

1.2.Parte descriptivă 13

1.2.1 Definiție 13

1.2.2 Domeniul de aplicare 14

1.2.3 Caracteristici aerodinamice ale profilelor supercritice 16

1.2.4 Clasificare 17

1.2.5 17

1.2.6 18

1.3.7 19

1.2.8 20

1.2.9. 21

1.2.10 22

1.2.11 23

1.2.12 24

1.2.13 26

1.3 27

1.3.1 27

1.3.2 28

1.3.3 29

2.DETERMINAREA CENTRULUI AERODINAMIC SI DE PRESIUNE LA PROFILELE SUPERCRITICE 30

2.1 30

2.2 31

2.2.1 31

2.2.2 32

2.2.3 34

2.2.4 35

2.2.5 36

2.3 38

2.3.1 38

2.3.2 38

2.3.3 39

2.3.4 l 40

2.3.5 42

2.3.6 43

2.4. 45

2.4.1 45

2.4.2. 48

2.5 Concluzii și tendințe viitoare de dezvoltare 50

3.AERONAVE MILITARE SI DE TRANSPORT LA CARE SUNT UTILIZATE PROFILE SUPERCRITICE 51

3.1 51

3.2 52

3.2.1 52

3.2.2 54

3.3 PERFORMANȚE ÎN ZBOR 56

3.4 59

3.4.1 59

3.4.2 59

3.4.3 60

3.4.4 60

3.4.5 62

3.4.6 62

3.4.7 63

3.4.8 63

3.5 65

4. STUDIUL DE CAZ PRIVIND DETERMINAREA COEFICIENȚILOR AERODINAMICI AI UNUI PROFIL SUPERCRITIC PRIN METODE NUMERICE 66

4.1 Obiective 66

4.2 Metodologie și resurse 66

4.2.1 Metodologie 66

4.2.2 Resurse utilizate la studiul de caz 68

4.3 Testele de laborator 69

4.3.1 69

4.3.2 Prelevarea rezultatelor 70

4.4 Analiza software cu 71

4.4.1 Descriere 71

4.4.2 Ghid de utilizare 73

4.4.3 Exportul de date 75

4.4.4 Cazuri de analiză 75

4.5 Concluziile studiului de caz 78

5. CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE 80

5.1 Concluzii 80

5.2 Contribuții personale 82

BIBLIOGRAFIE 84

ANEXE 94

ABREVIERI

SIMBOLURI

Aviația este într-o continuă dezvoltare.Dacă ar fi să comparăm primul avion al fraților Wright,Wright Flyer,cu un avion modern ca și Boeing 747,diferența este remarcabilă.Numărul suprafețelor portante,forma,mărimea si materialele folosite,toate sunt diferite sau dezvoltate și contribuie la performanțele avionului.

Cunoaștem că aripa avionului este unul din elementele constructive principale și fără de care zborul nu ar fi posibil,de aceea se acordă o atenție deosebită dezvoltării acesteia.Din istoria proiectării aripii putem aminti numeroși pioneri ai aviație,printre care George Cayley,care este considerat “Tatăl Aviației”.El a stabilit pentru prima data în istorie conceptul de avion modern.Cayley a identificat vectorul de rezistență(paralel cu scurgerea fluidului) și vectorul de portanță(perpendicular pe scurgerea fluidului).Acest concept va fi utilizat de frații Wright la primul avion de succes,cu mai mult de un secol mai târziu.
În 1809 și 1810,Cayley a publicat trei lucrări privind cercetarea sa aeronautică în care a subliniat,destul de corect, pentru prima dată că:

-portanța este generată de o zonă cu presiune scăzută pe suprafața superioară a aripii;

-aripile arcuite (suprafețele curbe) generează mai eficient portanță decat o suprafață plană.

O altă personalitate este Horatio Frederick Phillips,care prin realizarea unui tunel aerodinamic a reușit să studieze o gamă largă de profile ale aripii,capabile să genereze portanță.El a demonstrat teoria lui George Cayley,în care acesta a afirmat ca dându-i o curbură mai mare suprafeței superioare a aripii în comparație cu suprafața inferioară,scurgerea fluidului va accelera,reducând astfel presiunea deasupra aripii și astfel generând portanță.Horatio Frederick Phillips a devenit astfel,în 1884,prima persoana ca a patentat profilul aerodinamic.

Munca omului de știință englez a fost continuată în anul 1902 de către frații Wright,care au făcut unele dintre cele mai vechi cercetări privind cele mai eficiente curburi ale aripii,convexități,cunoscute ca si profile.Ceea ce a dus la executarea primului zbor în anul 1903.Profilele frațiilor Wright sunt similare cu secțiunile lui Lilienthal,cunoscut ca și “Regele planorului”[3],adică subțiri și foarte curbate.Aceasta a fost posibilă datorită faptului ca testele profilelor erau făcute la numere Reynolds foarte mici,unde acestea se comportă mult mai bine decât cele groase.Covingerea greșită care susține că profilele trebuie să fie subțiri și foarte curbate a fost un motiv care a influențat apariția unora dintre primele avioane biplane.Utilizarea acestor profile a fost treptat diminuată de-a lungul următorului deceniu.

O gamă largă de profile și teorii au fost dezvoltate în principal pe baza încercării și erorii,folosind desene și modele la scară mică.Astăzi însă,putem calcula cu precizie performanța unei aripi înainte de a părăsi vreodata solul.Selecția profilului este fără îndoială unul dintre cele mai importante aspecte în proiectarea unui avion.Profilul definește anvelopa de performanță a aeronavei precum și caracteristicile de portanță,rezistență,moment,și stabilitate.Aerodinamica aripii este crucială,conform și vorbelor lui McGowan:”Dacă se poate reduce rezistența cu 3 procente,poți reduce cantitatea de tracțiune necesară cu 49 de procente”.

Înainte ca o aripă să fie proiectată,misiunea ei trebuie să fie determinată.La ce tip de aeronavă va fi atașată această aripă?Va trebui să funcționeze la altitudini mari cu o atmosferă cu densitate mică?Va trebui să transport încărcături grele?Va avea nevoie de spațiu pentru a monta motoarele?Cât de mult combustibil vom dori să stocăm în interior?Cât de rapid sau agil va trebui să fie avionul?Lista potențialelor specificații este lungă și extrem de complexă.

Atunci când Comitetul Național Consultativ pentru Aeronautică ( NACA ) a fost înființată în 1915,membrii săi au recunoscut imediat necesitatea unei mai bune aripi.Primul Raport anual al NACA a declarat necesitatea " evoluția unui profil eficient de aripă în formă practică,care cuprinde dimensiunile potrivite pentru o structură economică,cu mișcare moderată a centrului de presiune și care încă să permită un unghi mare de atac cu o acțiune eficientă".

Una dintre problemele cercetărilor profilelor NACA efectuate până la sfârșitul anului 1930,a fost faptul că cercetătorii nu au putut testa o secțiune întreagă de aripă.Ei nu au avut un tunel aerodinamic suficient de mare pentru a monta o întreagă aripă și așa au testat doar o parte a aripii și apoi au extrapolat datele către o aripă completă.Dar problema cu această abordare a fost că cercetatorii nu au putut determina efectele fluxului de aer la vârful aripii,care au fost cu adevărat importante pentru înțelegerea performanței globale ale aripii.

Dezvoltarea profilelor NACA a fost practic întreruptă în anul 1950,când inginerii și-au mutat atenția asupra aerodinamicii supersonice și hipersonice.Dar în anul 1965,Richard T. Whitcomb a dezvoltat profilele supercritice NASA.Aceasta a fost o descoperire revoluționară,pentru că a permis proiectarea aripilor cu numere Mach critice mari,care pot opera la viteze mult mai apropiate de cele transonice si supersonice.

Evoluția istorică a profilelor,între anii 1908-1944.Penultimele două profile sunt cu rezistență redusă,concepute pentru a avea curgere laminară peste 60 până la 70 la sută din coardă atât pe suprafața superioară cât și pe cea inferioară.Ultimul profil este cel supercritic,proiectat de Richard T. Whitcomb.

Un profil aerodinamic reprezintă forma în plan a unei secțiuni drepte transversale facută prin aripă.Profilul aerodinamic este în special realizat pentru a reacționa cât mai favorabil la forțele care acționează asupra lui,respectiv forța de presiune și forța de frecare,în vederea producerii unei forțe portante cât mai mare cu o rezistență la înaintare cât mai mică.Pentru definirea formei, unui profil aerodinamic se iau în calcul următoarele caracteristici geometrice:

-bordul de atac al profilului este punctul cel mai înaintat care ia primul contact cu particolele de aer sau mai este definit ca fiind punctul din partea din față a profilului care are curbura maximă(rază minimă),în cazul în care bordul este rotunjit.

-bordul de fugă al profilului este punctul de pe profil care ia ultimul contact cu particolele de aer.

-extradosul reprezintă linia de contur superioară a profilului care intră în contact cu particolele de aer și este în general caracterizat de viteze mari a scurgerii fluidului și presiuni statice mici.

-intradosul reprezintă linia de contur inferioară a profilului,fiind caracterizată comparativ cu extradosul de presiuni statice mari,ceea ce duce la producere portanței.

-coarda profilului este linia imaginară dreaptă care unește bordul de atac cu bordul de fugă pe cea mai scurtă distanță.

-grosimea profilului variază în lungul corzii în funcție de punctul unde dorim să o măsurăm și reprezintă distanța dintre extrados și intrados,măsurată perpendicular pe coardă.

-grosimea relativă este raportul între grosimea profilului și coarda profilului.

-poziția grosimii maxime reprezintă distanța de la bordul de atac până la punctul de pe coardă în care profilul are grosimea maximă.Această poziție se situează la aproximativ 25% din coardă față de bordul de atac la avioanele care zboară cu viteză relativ mică,iar la cele care zboară cu viteze transonice și supersonice fiind situată la 40% – 50% din coardă față de bordul de atac.

-linia medie sau linia de curbură medie reprezintă linia situată la mijlocul distanței dintre intrados și extrados,care depinde de distribuirea grosimii profilului,care unește de asemenea bordul de atac cu bordul de fugă.Această caracteristică geometrică are o importanță deosebită deorece ajută la determinarea caracteristicilor aerodinamice ale profilului.

-săgeata profilului reprezintă distanța măsurată perpendicular pe coardă,dintre linia de curbură medie și coarda profilului.

-săgeata relativă a profilului reprezintă raportul între săgeată și coarda profilului.

Putem distinge trei mari clase de profiluri din marea varietate care a fost elaborată până în momentul actual prin metode analitice,numerice și experimentale.Printre acestea sunt profilele teoretice,care se obțin prin inversiunea unor curbe,profile empirice,obținute prin alegerea corespunzătoare a unor ecuații pentru forma scheletului și a distribuției grosimilor,și profilele elaborate prin metoda inversă,care presupune plecarea de la distribuții de presiuni impuse.

Din cadrul profilelor teoretice putem menționa:

-profilele Jukovski,care au bordul ascuțit și scheletul sub forma unui arc de cerc cu grosimea maximă între 23% și 27% din coardă;

-profilele Jukovski-Betz,care au fost elaborate ca o generalizare a profilelor Jukovski sub raportul poziției grosimii maxime;

-profilele Betz-Kenne,unde scheletul nu mai este sub formă de arc de cerc,ci sub forma unei curbe care are un punct de inflexiune;

-profilele Carafoli,sunt profile generale cu bordul de fugă rotunjit,definite de un savant român pe nume E.Carafoli;

-profilele NACA,la începutul seriei profilele NACA cu 4 cifre și respectiv 5 cifre,au fost obținute folosind ecuații analitice care descriu curbura liniei medii a profilului,precum și distribuirea grosimii de-a lungul lungimii profilului.Mai târziu,profilele NACA cu 6 cifre,sunt cu forme mai complicat,obținute mai degrabă prin metode teoretice decât geometrice.Înainte să dezvolte Comitetul Național Consultativ pentru Aeronautică aceste serii de profile,proiectarea lor era mai degrabă accidentală cu aproape nimic care să ajute proiectantul,excepție făcând experiența cu forme cunoscute și experimentarea cu modificări ale acestor forme.Apoi,la începutul anului 1930,NACA a publicat un raport în care specifica că cele două variabile principale care afectează aceste forme sunt panta linii de curbură medie a profilului și distribuirea grosimii deasupra și sub această linie.

-profilele NASA-GA(W) cu inițiale provenind de la denumirea General Aviation(Whitcomb),reprezintă o clasă modernă de profile obținute prin metoda inversă pe baza unei distribuții de presiuni impuse.Au fost cercetate la NASA de către R.Whitcomb.Aceste profile sunt caracterizate de un bord de atac cu o rază de curbură mare și un schelet cu o curbură pronunțată în jurul bordului de fugă.Altă caracteristică este faptul că la aceeași grosime relativă,au coeficientul de portanță maxim și finețea aerodinamică maximă cu până la 80% mai mare față de profilele NACA din seria cu 6 cifre.Proprietățile acestea se mențin la numere Reynolds mari(Re > ).Aceste profile sunt întâlnite la avioane de transport,utilitare și de transport de mare eficiență aerodinamică,de exemplu:Gates Learjet,Beechcraft și Bede.

-profilele supercritice sunt obținute prin metoda inversă,adaptate pentru zborul în regim transonic,caracterizate de valori mai mari ale numărului Mach critic,de unde provine și denumirea.Se are în vedere elaborarea unor profile relativ groase,lipsite de unda de șoc și cu zona supercritică a curgerii cât mai marită.Astfel au creat profile cu o rezistență la înaintare scăzută și o portanță mare,ceea ce a ajutat la creșterea randamentului economic al avioanelor de transport transonice.Multe dintre profilele publicate nu au încă un indicativ stabilit.Printre cele mai renumite profilele supercritice studiate,putem menționa profilul Whitcomb,Yoshihara și Garabedian-Korn.