Pytanie odnośnie ekranoplanu i wodolotu

[michalg0000]

Witam. Postanowiłem skonstruować szybki model poruszający się nad wodą. I tu pytanie do aerodynamików. Co pozwoli mi uzyskać większą siłę nośną w stosunku do generowanego oporu? Skrzydło w efekcie bliskości ziemi (jak w ekranoplanie) czy płoza zamontowana pod kadłubem jak w typowym wodolocie?

 

Zdaje sobie sprawę że ma na to wpływ masa czynników i odpowedź brzmi "To zależy od.....". Chodzi mi wyłącznie o to, który układ wytwarzający taką samą siłę nośną ma szansę na wygenerowanie mniejszego oporu. Czyli jaki wpływ na siłę nośną i opór ma gęstość, lepkość i inne parametry ośrodka.

 

I jeszcze jedno - co ma ogólnie wyższą sprawność, śruba czy śmigło, biorąc pod uwagę efekt kawitacji i inne, o których nie mam zielonego pojęcia?

 

P.S. Liczę na konkretne odpowiedzi osób ze znajomością areodynamiki i dynamiki płynów ;D

[marek1707]

Nie wiem, czy będzie to wystarczająco konkretna odpowiedź ale spróbuję przedyskutować problem postawiony trochę inaczej. Jeżeli Twoim założeniem jest zbudowanie szybkiego modelu to danymi "wejściowymi" jest prędkość i masa modelu zrównoważona w czasie "lotu" siłą nośną. No to teraz porównajmy. Mamy dwa pojazdy: ekranoplan i wodolot. Oba tyle samo ważą i mają uzyskać np. 20m/s. Ekranoplan zrobi to bez problemu. Nawet jeśli jego kształty będą bardziej "łodziowe" niż "samolotowe" i wydłużenie takiego skrzydła będzie w granicach 2 to i tak będzie mógł latać np. na CL=0.2 przy CX=0.05. Zrobiłem taką próbę dla CLARK_Y lecącego kilka swoich grubości nad podłożem - to trochę jak podchodzący do lądowania dolnopłat. Te wyniki są kiepskie i każdy normalny samolot by się wstydził ale przyjęte założenia geometryczne na wiele nie pozwalają.

Teraz wodolot. Gęstość ośrodka jest prawie dwa rzędy wielkości większa. Przy tej samej prędkości, żeby uzyskać tę samą siłę nośną można "lecieć" na CL prawie równym 0 tylko że opór nie spada także do zera. Indukowany tak ale opory kształtu są praktycznie stałe i podejrzewam, że dla skrzydła zanurzonego w wodzie będą kilkudziesięciokrotnie większe. Do tego dojdą opory elementów, które to skrzydło pod wodą będą trzymać. Także wniosek jest prosty: nie dotykaj wody.

Niestety nie potrafię rozpatrzeć zjawiska kawitacji. Pozwoliłoby na znaczne zmniejszenie oporów ale jak wtedy wyglądają opływy, siła nośna i czy w ogóle jest to w zasięgu naszych modeli - nie wiem. Być może do przekroczenia progu potrzeba zbyt dużo mocy by skórka była warta tej wyprawy.

[michalg0000]

Marek, dzięki za odpowiedź. Mam nadzieję że uda Ci się przebrnąć przez mój kolejny post i zweryfikować moje przemyślenia

 

Przed wszystkim przyjżyjmy się sprawie bliżej i może na bardziej konkretnym przykładzie, dającym mniejsze pole do gdybania. Otóż tak jak zaproponowałeś rozpatrzmy najpierw ekranoplan poruszający się z v=20 m/s. Policzmy siłę nośną (NIE uwzględniając efektu bliskości ziemi, gdyż nie potrafię tego zrobić). Dla skrzydła o profilu Clark Y i S=50 dm^2 (100 cm x 50 cm, wydłużenie lambda=2) ta siła Pz=40.88 N. Natomiast opór aerodynamiczny wynosi D=1.28 N i opór indukowany Di=2.28 N. Ok teraz wodolot. Tak jak zauważyłeś woda ma o prawie 2 rzędy wielkości wyższą gęstość, więc rozpatrując skrzydło o tym samym profilu (to samo Cl i Cx) żeby uzyskać taką samą siłę nośną wystarczy powierzchnia prawie 1000 razy mniejsza, ze względu na tą samą prędkość ruchu i Cz. W takim razie w wodzie wystarczy skrzydło o wymiarach np. 10 cm x 0.6 cm, którego wydłużenie wynosi około 17. Z obliczeń wynika, że opór aerodynamiczny będzie taki sam jak w przypadku skrzydła wodolotu, jednak opór indukowany, ze względu na niemalże 10-krotnie większe wydłużenie zmaleje z Di=2.28 N do Di=0.27 N. Tak więc sumaryczny opór zmaleje o 56 %.

 

Model ten jest mocno uproszczony, gdyż nie zakłada oporów na pylonach mocujących płozę do kadłuba. Poza tym nie jestem pewny co zrobić z oporem tarcia w płynie (związanym z lepkością cieczy), gdyż nie wiem czy jest to jedna ze składowych oporu aerodynamicznego, czy osobna siła.

 

Podsumowując moje wyniki dają inne wnioski niż Twoje, ale niewykluczone że robię gdzieś błąd. Poza tym w modelu ekranoplanu wzór na siłę nośną nie uwzględnia efektu bliskości ziemi, więc w praktyce wartość ta byłaby wyższa. Pytanie czy wzrósłby również opór. Podejrzewam że tak, zwłaszcza indukowany.

 

Pozdrawiam i liczę na dalszą dyskusję. Może wspólnie dojdziemy do jakiś konstruktywnych wniosków.

 

EDIT: Właśnie przeczytałem, że skrzydło w efekcie bliskości ziemi generuje mniejszy opór indukowany. Dzieje się tak dlatego, że wirom na końcówkach jest trudniej tworzyć się właśnie z powodu bliskości ziemi. Niestety nadal nie mogę znaleźć wzoru na siłę nośną i opór...

[Kruszmen]

Niestety nie potrafię rozpatrzeć zjawiska kawitacji. Pozwoliłoby na znaczne zmniejszenie oporów ale jak wtedy wyglądają opływy, siła nośna i czy w ogóle jest to w zasięgu naszych modeli - nie wiem. Być może do przekroczenia progu potrzeba zbyt dużo mocy by skórka była warta tej wyprawy.

W kawitacji nie szukaj rozwiązania, jest to gwałtowne bardzo niepożądane zjawisko. Powoduje ono lokale gwałtowne skoki ciśnienia tworząc fale uderzeniowe powodujące drgania, w tym przypadku na powierzchniach nośnych. Co więcej rejon działania kawitacji, jest obszarem turbulentnego przepływu, bardzo trudnego w analizie i nie pożądanego na pow nośnych. Odnośnie problemu michalg0000 z tego co wiem ekranoplany budowane w ZSRR uzyskiwały prędkości kilkukrotnie większe od ówczesnym im wodolotom (np. Kaspijski Potwór)

Ekranoplan lecący na h=.5 rozpiętości płata uzyskuje znacząco większą siłę nośną niż w przypadku lotu na większej wysokości więc wzory którymi się posługiwałeś w tym przypadku się nie sprawdzą Musisz poszukać informacji w książkach traktujących o zaawansowanych problemach mechaniki płynów lub posłużyć się metodami CFD .

Jutro postaram się znaleźć w książkach jakieś informacje lub wzory (ktoś coś na pewno wyprowadził przy budowie ekranoplanów )

[japim]

Model ten jest mocno uproszczony, gdyż nie zakłada oporów na pylonach mocujących płozę do kadłuba. Poza tym nie jestem pewny co zrobić z oporem tarcia w płynie (związanym z lepkością cieczy), gdyż nie wiem czy jest to jedna ze składowych oporu aerodynamicznego, czy osobna siła.

 

To jedna i ta sama siła. Współczynnik Cx wyznaczany jest zazwyczaj dla powietrza i on zawiera można powiedzieć większość (oprócz oporów szkodliwych, indukowanych itd). Dla wody powinno się teoretycznie to Cx wyznaczyć osobiście.

 

Niestety nadal nie mogę znaleźć wzoru na siłę nośną i opór...

 

Na siłę nośną w ogólności czy w efekcie bliskości ziemi?

 

EDIT: Warto zacytować parę fajnych stron WWW:

http://www.se-technology.com/wig/html/main.php?open=aero&code=0

http://www.sea-eagle.org/node/19 <- tu akurat film o WIG

 

 

Jeżeli to pierwsze to jest to proste:

Siła nośna L = S * V^2 * ro/2 *Cz

Opór D = S * V^2 * ro/2 * Cx

 

Gdzie ro - gęstość, V- prędkość, S - powierzchnia odniesienia, dla której obliczono współczynnik Cx i Cz.

[marek1707]

Ja nie liczyłem mojego przykładu z wzorów, tylko wrzuciłem pierwszy z brzegu profil do symulatora opływów ustawiając lamda=2. Potem przydusiłem go do ziemi i wyszło, że jest trochę lepiej. Niestety przy tych wydłużeniach trochę lepiej oznacza "mniej beznadziejnie" :? Juz na pierwszy rzut oka widać, jak zmieniają się biegunowe przy zbliżaniu sie do podłoża. Tą metoda można szybko ocenić charakter zjawiska i trendy. A te wyglądają bardzo obiecująco. Układ ekranoplanu ma wbudowaną stateczność poprzeczną jakby w siebie. Ciekawe, muszę to sprawdzić, jak zachowują się wtedy lotki. Czy w ogóle ma sens ich stosowanie ? Jak wyglądają zakręty czegoś takiego ?

 

Co do kawitacji to owszem, typowe pojmowanie tego zjawiska to bąbelki, fale uderzeniowe i generalnie problem nie do opanowania. Tymczasem rosyjskie torpedy kawitacyjne mają głowicę z ostrymi krawędziami i poruszają się w bąblu celowo odparowanej (odkawitowanej ? ) wody 10 razy szybciej niż normalne. Wiem, wiem, to za wysokie progi, silnik rakietowy itp ale - musiałem napisać.

 

Co do Twojego, Michał, przykładu to rzeczywiście, na zdrowy rozum mikroskopijne skrzydło powinno powinno ten sam statek utrzymać nad powierzchnią bez problemu ale podejrzewam (niestety wkraczam na śliski temat..), że warunki opływu w ośrodku nieściśliwym są zupełnie inne niż w gazie i wzory (i symulatory) pracujące w powietrzu są do wyrzucenia w wodzie. Dlatego zarówno profile które znamy jak i moje wyczucie tematu tu się kończą. Poza tym zostaje jeszcze problem stateczności. Trzeba zanurzyć drugie skrzydło (stabilizator ?) gdzieś z tyłu by zachować stateczność podłużną, uwzględnić opory wału śruby, piasty, steru kierunku. Oczywiście w samolocie też może być nośny statecznik, który wtedy z definicji generuje dodatkowy opór a sam kadłub też ma opory, co przy wodolocie można chyba pominąć.. Słowem, ciekawe pytanie. Muszę się jeszcze wiele nauczyć

 

Zresztą, kurcze, przecież wodolot z silnikiem z 500KM osiąga w porywach 70 węzłów. Przy takiej szybkości samolot z silnikiem 70KM ledwo trzyma się w powietrzu i najchętniej leciałby dwa razy szybciej. Coś w tym jest, prawda ?

 

Przy okazji autopoprawka: woda jest trzy rzędy wielkości gęstsza i "tylko" 80 razy bardziej lepka.

[Kruszmen]

marek 1707 jakiego symulatora opływów używasz??

[marek1707]

Używam programu AirFoil autorstwa Martina Hepperle. Można używać go wprost na wskazanej stronie ale można też ściągnąć na lokalny komputer i odpalać kiedy trzeba - co też zrobiłem. Zanim zaczniecie zabawę, sugeruję przeczytanie wszystkiego, co autor o tym symulatorze napisał. Program ma wbudowaną generację kilku typowych profili (NACA 4 i 5-cyfrowe, normalne i "relaxed", płaskie i wygięte płytki, samostateczne Tzagi itp), kilka fajnych funkcji modyfikacji profilu (można odcinać w dowolnym miejscu klapy i sprawdzać co się dzieje przy ich odchylaniu, dodawać drugi profil z dowolnym przesunięciem - dwupłatowce ) a także smakowite algorytmy "budowania" profilu "od tyłu", tj. wg zadanego rozkładu ciśnień. Oczywiście "w standardzie" dostajemy przede wszystkim liczenie biegunowych dla wielu różnych Re i kątów natarcia, wykresy momentów i współczynników CL od kąta itd. No i co ciekawsze, do obliczeń można dołączyć podłoże i przesuwając nad nim profil oglądać, jak naszemu skrzydłu wychodzi to na zdrowie Niestety jest to symulator 2-d i jedynym parametrem wiążącym go ze światem rzeczywistych brył jest współczynnik wydłużenia lambda. Przynajmniej można zrozumieć, jak bardzo jest on ważny. Program wczytuje też współrzędne profili ze wskazanego pliku tekstowego a ponieważ w sieci dostępnych jest ich całe mnóstwo, gwarantuję zabawę do rana

Uwaga: niektóre profile opisane są dość niechlujnie (z małą precyzją) i widać to od razu na przebiegu biegunowych. Trzeba wtedy szukać lepszego źródła lub spróbować.. wygładzić samemu.

Dzięki temu programowi odbudowałem mojego GWS PT-17, który atakując pewnego kreta stracił kompletnie dolny płat. Zdjąłem profil z fragmentu, który ocalał, wrzuciłem go do symulatora i do tej pory rzeźbiłem aż wyszło coś, co nie dość, że miało szansę latać to jeszcze pasowało do istniejącego kadłuba i dało się wykonać wycinarką do styro.

Tak więc, jak to mówią.. polecam :wink:

[Swift]

Współczynnik Cx wyznaczany jest zazwyczaj dla powietrza i on zawiera można powiedzieć większość (oprócz oporów szkodliwych, indukowanych itd).

Witam

Tu był bym ostrożny. Jeżeli bierzemy Cx z publikowanych wykresów, to zazwyczaj podane jest dla jakiego wydłużenia ^ (lambda) prowadzono pomiary. Tu jest różnie, czaem podają dla ^=5, ^=7 i wtedy Cx "zawiera" opór indukowany dla podanego ^. Czasem podają ^=00 (nieskończoność) i tak podane Cx, oporu indukowanego nie uwzględnia.

Dodatkowo uwzględnia się jeszcze współczynniki korekcyjne w zależności od obrysu płata: trapezowy, eliptyczny (ma najmniejszy opór indukowany) itd.

Pozdrowienia

PP

[michalg0000]

Japim, odnośnie mojego pytania szukałem oczywiście wzoru na opór i siłę nośną skrzydła przy powierzchni ziemi. Na normalnej wysokości wzór jest dość prosty i łatwo go znaleźć.

 

warunki opływu w ośrodku nieściśliwym są zupełnie inne niż w gazie i wzory (i symulatory) pracujące w powietrzu są do wyrzucenia w wodzie.

 

Czyli prawdopodobnie moje wyliczenia dot. płozy zanurzonej w wodzie średnio mają się do rzeczywistości. Tym bardziej jeśli:

 

Dla wody powinno się teoretycznie to Cx wyznaczyć osobiście

 

Podsumowując, problem jest znacznie bardziej skomplikowany, niż to sobie wyobrażałem. Ponadto przeczytałem, że w ekranoplanach stosuje się małe wydłużenia skrzydła, ponieważ takie płaty osiągają większy przyrost siły nośnej w efekcie bliskości ziemi, niż te o dużym wydłużeniu.

 

Tak czy inaczej cieszę się, że temat uzyskał taki rozgłos. Mam nadzieję, że to nie koniec publikacji naukowych, odnośnie przewagi wodolotu nad ekranoplanem, bądź odwrotnie Liczę że wszyscy się czegoś nauczymy. Pozdrawiam i dziękuję za pomoc.

[japim]

Swift: Oczywiście. Nie napisałem o lambda - bo to zazwyczaj jest podane dla jakiego lambda jest ono wyznaczone i wtedy trzeba przejść na inne odpowiednim wzorkiem. Ale napisałem jednoznacznie, że nie zawiera oporów indukowanych - zależnych od lambda...

 

Odnośnie ekranoplanów to z tego co poczytałem mają one jedną podstawową wadę: beznadziejną stateczność podłużną... Pierwsza strona którą podawałem wyglądała na dosyć profesjonalną - z odnośnikami w tekście i myślałem, że będzie tam trochę teorii- ale strona nie działa w połowie

 

Michał:

Gdybym był na Twoim miejscu i dysponował większą ilością czasu niż obecnie to zrobiłbym eksperymentalnie obydwa rozwiązania.

Prawdopodobnie jest pewne optimum - albo właściwie granica przy której nie warto stosować już płóz zanurzonych w wodzie a warto wyjść nad powierzchnię.

 

Na pewno jedną z granic jest prędkość z którą ma poruszać się pojazd. Jeżeli 200 km i wyżej to już chyba lepiej ekranoplan. Poniżej pływają jeszcze łodzie sportowe więc czemu by nie. Wiem, że gdzieś w sieci jest strona o modelarskich WIG'ach z tym, że facet metodą prób i błędów zrobił już chyba z 8 czy 10 różnych konstrukcji i wszystkie pływają jako tako...