Vortex-Aerodynamik. Ein paar Worte zur Aerodynamik meiner Modelle - Alexandrov Jets. Wirbelwinde in einem Automotor

PPV\u003e Dmitry, Sie diskutieren mit mir oder mit dem Buch von G.S. Buchgens?

Mit was genau hast du aus dem Buch gebracht. Das heißt, mit dir. Sollte nicht haben? Wir konnten es hier nicht zitieren, "wir haben gepflügt."

Lassen Sie uns sie nach ihren Taten bewerten. Und nicht immer bei TsAGI, auch wenn dies die Dinge in der UdSSR sind.

PPV\u003e Ich werde nicht über den dummen Zustrom der MiG-29 streiten, aber über den Flügel für die T10-1 ist ein Thema für ein separates großes Gespräch darüber, wer und was genau vom Sukhoi Design Bureau in Bezug auf die Su- empfohlen wurde. 27 im Intervall 1971-76 yy Ich habe keine Lust, mich erneut auf eine Diskussion zu diesem Thema einzulassen. Ich werde nur bemerken, dass die Form und das Profil des T10-1-Flügels nicht für Überschall optimiert wurden, sondern für das Erreichen von Kmax bei Unterschall ...

Berücksichtigt man die Tatsache, dass das Flugzeug Überschall ist. Es ist lächerlich, es zu schneiden. Über den Zustrom von MiG-29 muss nicht gestritten werden, es wurde neu gestaltet.

PPV\u003e Und ich habe Ihnen bereits oben geschrieben, dass für die Kämpfer der 4. Generation a / d das Layout nicht für Überschall optimiert wurde, um eine hohe Manövrierfähigkeit bei Unterschall zu gewährleisten, die nicht in den Kmax-Modi, sondern in Modi nahe Sudop erreicht wird.

Ich habe es nicht geglaubt. Es ist nur so, dass in der neuen Generation aus mehreren Gründen weitere Optimierungen vorgenommen wurden. Was die guten alten und die wichtigsten überhaupt nicht negiert.

Der T-10-1 wurde stark für den Unterschall- und Überschallbereich optimiert. Dann nahmen sie die Manövrierfähigkeit auf, als sie bereits geflogen waren.

Und die F-15 wurde für Geschwindigkeit und Decke, guten Aufstieg und Überschallmanöver bei M\u003e 1,5 optimiert. Und auch Leichtigkeit und relative Einfachheit, Kosten.

PPV\u003e Nun, schließlich steht klar geschrieben: "Überschreiten des Kritischen für WING WITHOUT NAPLYVA". Dies bedeutet, dass solche Winkel, die für den ursprünglichen Flügel (ohne Wulst) überkritisch sind, für einen Flügel, der mit Wurzelwulst ausgestattet ist, diese Winkel ziemlich funktionieren, es wird noch keine Aufschlüsselung auf ihnen geben und es wird sein erzielte eine Steigerung von Surasp.

Es wird eine Panne geben. Es gibt keine magischen Werkzeuge. Und Sie können den Auftrieb auf andere Weise erhöhen, ohne durchzuhängen. Ein großer, einfacher Flügel ist jetzt in Mode oder PGO.

Bei normalen Winkeln und Unterschallgeschwindigkeiten ist ein Durchhängen überflüssig. Ich habe darüber geschrieben, und Sie protestieren aus irgendeinem Grund.

PPV\u003e Dmitry, was ist der "Schaden" des Wirbels in diesem Fall? Ist es so, dass es ein Vakuum auf der Oberseite des Flügels erzeugt? Sollte es im Gegenteil zu Überdruck kommen?

Der Wirbel absorbiert die Energie der Flugzeugbewegung. An der richtigen Stelle kann er den Stall festziehen, aber selbst dann wird das Vakuum nicht von ihm, sondern vom Flügel erzeugt, der weiterarbeiten wird.

"Im Gegenteil" sollte nicht.

PPV\u003e Es gibt eine Substitution von Konzepten. Ich habe über Jäger der 4. Generation gesprochen, und jetzt sprechen Sie über einige moderne Flugzeuge. Geben Sie an, welche? Und wer sind diese "Profis"?

Um das Thema zu verlassen? Ich werde nicht. Es gibt keine Substitution von Konzepten: Die meisten neuen Kämpfer sind ohne Zufluss. T-50 ist eine Ausnahme, und 1.42 ist auch ohne sie, was interessant ist.

PPV\u003e Ich meine das Optimum an Manövrierfähigkeit. Sie werden nicht argumentieren, dass die 4. Generation von Kämpfern im Vergleich zur 3. Generation ein viel höheres Maß an präzise manövrierfähigen Eigenschaften aufweisen musste. Und über den Mangel an Überschallflugzeugen mit optimaler Überschallleistung - ich möchte nur über die Witwe des Unteroffiziers sprechen. Dies meine ich, dass Sie, nicht ich, hier beharrlich über "Überschall" -Kämpfer und über die Verbesserung ihrer A / D-Eigenschaften bei Überschall sprechen.

Ja, du hast dich manövrierfähig ergeben. Geschwindigkeit und Reichweite, Last, Start, Landung sind die wichtigsten. Hier fängt alles an. Und dann ja, Sie können die Auswirkungen der zweiten Ordnung der Kleinheit berücksichtigen.

Der Flügel wurde für eine sichere Landung vergrößert. Durchhang oder Dreieckigkeit für Geschwindigkeit. Usw.

Dies ist so klar, dass es wenig diskutiert wird, da seit einiger Zeit die Anzahl der Optimierungen zugenommen hat. Nudges, PGO, EDSU, reduzierte Stabilität, sogar vertikales Heck - in erster Linie für Geschwindigkeit und Reichweite.

Die F / A-18A hatte Schlitze gemacht. Sie dienen nur der Manövrierfähigkeit. Sie wurden reduziert und dann entfernt.

PPV\u003e Stimmen Sie zu, Dmitry, dass Ihre Überlegungen zum Konzept der amerikanischen Kämpfer der 4. Generation auf allgemeinen Überlegungen beruhen, die aus der populären Fachliteratur stammen, da Sie noch nie echte Dokumente gesehen haben, die zur Herstellung dieser Flugzeuge aufgefordert würden. Und noch mehr, wir haben solche inländischen Dokumente wie TTT für ein Flugzeug nicht gesehen, so dass wir später darüber sprechen können, was genau und warum sich die Su-27 oder MiG-29 von der F-15/16/18 unterscheidet. .

Ich stimme der Ausnahme zu, dass ich mich auf Tatsachen stütze. Die Meinungen nicht einmal von Murziloks, sondern von ehrwürdigen Akademikern berücksichtige ich nur.

TTT einführen? Sind Ihre Vermutungen über magische Wirbel aus Murzilok?

Untersuchungen von Nachlaufwirbeln hinter verschiedenen Flugzeugen, insbesondere für Langstrecken- und Schwertransportflugzeuge, sind von wissenschaftlichem und praktischem Interesse. Die Wirbelspuren, die von den Hinterkanten des Flügels absteigen, sind langlebig und zerfallen in einer Entfernung von 10-12 km vom Flugzeug. Andere Flugzeuge, insbesondere Leichtflugzeuge, sind im Wirbel eines schweren Flugzeugs mit katastrophalen Folgen behaftet. Der Vorgang des Betankens in der Luft ist von besonderer Bedeutung, da die Gefahr besteht, dass das Betankungsflugzeug in den nahen Wirbel des Betankungsflugzeugs gelangt.

Es ist sehr wichtig, die Nachlaufwirbel des Flugzeugs während des Starts und der Landung zu untersuchen, wenn sich die Nachläufe in der Nähe der Oberfläche des Flugplatzes ausbreiten und potenziell gefährlich für Flugzeuge sind, die starten oder landen und in den Wirbel eines bereits vorhandenen Flugzeugs gelangen können gestartet oder gelandet. Die Untersuchung von Nachlaufwirbeln ist besonders wichtig für Flughäfen, auf denen eine große Anzahl von Starts und Landungen stattfindet, und die angegebene Gefahr ist der Grund für die Begrenzung ihrer Kapazität.

Theoretische Studien zu Flugzeugwirbelwirbeln entwickeln sich in den führenden Luftfahrtmächten intensiv. Hierzu werden verschiedene Methoden zur mathematischen Modellierung turbulenter Strömungen verwendet: direkte numerische Modellierung basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen sowie Modellierung großer Wirbel basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen in Kombination mit Subgrid-Skalen, Modellierung basierend auf den Reynolds-Gleichungen , geschlossen mit einem beliebigen Differentialturbulenzmodell. Diese Ansätze werden in den Arbeiten in- und ausländischer Wissenschaftler verwendet.

Es sollte auch die Bedeutung experimenteller Studien in Windkanälen und umfassender Flugstudien von Nachlaufwirbeln hinter schweren und leichten Flugzeugen hervorgehoben werden.

Professor S. M. Belotserkovsky ist der Begründer theoretischer Studien zu Flugzeugwirbelwirbeln in unserem Land. Er zeigte, dass dieses Problem auf der Grundlage der von ihm entwickelten Methode der diskreten Wirbel erfolgreich gelöst werden kann.

Die Monographie, die den Lesern zur Verfügung gestellt wird, widmet sich der Entwicklung dieser Ideen für die Modellierung von Wirbelspuren in den Werken von Sergei Mikhailovichs Studenten und Anhängern in zwei Organisationen - der Zhukovsky Air Force Engineering Academy und dem Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute. Die diskrete Wirbelmethode erwies sich als die einfachste und erfordert im Vergleich zu den oben aufgeführten Ansätzen viel weniger Computerzeit für ihre Implementierung. In diesem Fall wird die diskrete Wirbelmethode verwendet, um die aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeugs zu berechnen und den Prozess der Wirbel-Nachlauferzeugung, ihre Entwicklung hinter Flugzeugen und anderen Objekten (flugzeugführende Schiffe, Geländeentlastung, städtische Gebäude) zu untersuchen.

Die diskrete Wirbelmethode erwies sich als sehr effektiv bei der Untersuchung stationärer und instationärer Strömungen eines idealen Fluids, wenn die Viskosität nicht wichtig ist, bei einer geschlossenen Beschreibung freier turbulenter Strömungen mit Re in Düsen, Nachläufen und Schichten

mischen.

Bei der Lösung einer Reihe von Problemen verwenden die Autoren zusätzliche empirische Informationen und bei der Berechnung von Wirbelspuren in der Nähe der Erde - die Wechselwirkung von Wirbelspuren mit der durch sie induzierten Querwandströmung, wodurch eine turbulente Grenzschicht entsteht. Es ist die Wechselwirkung dieser Grenzschicht während ihrer Trennung mit der Wirbelspur, die es ermöglichte, den sogenannten Rückprall der Wirbelspur zu berechnen, wenn diese auf eine Höhe von 20 bis 50 m von der Oberfläche der Landebahn ansteigt.

Ich glaube, dass die Veröffentlichung der Monographie einen ernsthaften Beitrag zur Untersuchung dieses wichtigen und komplexen Problems leisten wird.

Akademiker O. M. Belotserkovsky

Die dem Leser angebotene Monographie widmet sich der numerischen Modellierung von Wirbelspuren hinter Flugzeugen.

Derzeit stehen Luftfahrtspezialisten in vielen Industrieländern vor einem sehr dringenden Problem: Wie kann die erforderliche Flughafenkapazität in Zukunft mit dem prognostizierten Anstieg des Flugverkehrsvolumens mit Flugzeugen sichergestellt werden? zivilluftfahrt bis 2015 um das 2,5-3-fache und gleichzeitig die Unfallrate des Luftverkehrs um mindestens das 3-fache. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Umsetzung solcher Pläne ist die Gewährleistung der Sicherheit des Wirbelfluges. Die Essenz des Problems der Wirbelflug-Sicherheit liegt in der Tatsache, dass jedes fliegende Flugzeug eine langlebige Wirbelspur in der Atmosphäre hinterlässt, die eine Gefahr für andere Flugzeuge darstellt, die hineinfallen. Die Länge eines solch gefährlichen Weges für Langstreckenflugzeuge beträgt je nach Zustand der Atmosphäre 10-12 km und manchmal 15 km. In großen Entfernungen verschwindet der Weg. Dies ist auf seine Dämpfung aufgrund der natürlichen Ableitung von Wirbeln und anderen Phänomenen zurückzuführen. Aufgrund der Kondensation von Wasserdampf wird die Wirbelspur manchmal für den terrestrischen Beobachter sichtbar.

Der Nachlaufwirbel hängt vom Flugzeuglayout, der Flugmasse, der Flugkonfiguration, den atmosphärischen Bedingungen, der Höhe und der Fluggeschwindigkeit ab. Unter der Einwirkung von Naturkräften fällt die Wirbelspur um 50-300 m unter die Flugbahn des Flugzeugs und verschiebt sich aufgrund der Einwirkung des Windes und des Einflusses der Erde auch in horizontaler Richtung. Beim Fliegen in großer Höhe wird der Fernwirbel des Flugzeugs durch zwei parallel absteigende Wirbelbündel mit entgegengesetzter Rotation dargestellt. Die Abnahme der Zirkulation von jedem von ihnen mit der Zeit ist auf das gegenseitige Eindringen (Diffusion) von Wirbeln unterschiedlicher Zeichen zurückzuführen. Wenn ein Flugzeug in einer turbulenten Atmosphäre fliegt, verstärkt eine erhöhte Turbulenz die Diffusion der Wirbel im äußeren Bereich der Wirbelbündel, was zu einem zusätzlichen Zirkulationsverlust jedes der Bündel führt. Gegenwärtig sind verschiedene empirische Formeln zur Berechnung des Zirkulationsverlustes bei niedrigen und hohen atmosphärischen Turbulenzen bekannt.

Das Problem ergibt sich auch aus der Wechselwirkung des Flugzeug-Nachlaufwirbels mit der Flugplatzoberfläche während des Starts und der Landung. Dies ist besonders wichtig, da die Überlastung der Flughäfen kontinuierlich zunimmt. Viele EU-Länder, die USA und Russland sowie China und Indien sind darüber besorgt. Berücksichtigung der Wechselwirkung der Wirbelspur

mit der Erdoberfläche in einer nichtviskosen Näherung führt zu dem bekannten Ergebnis, wonach das Wirbelsystem des Flugzeugs (zwei Wirbel entgegengesetzter Rotation in der Nähe des Bildschirms und zwei ihrer Spiegelreflexionen relativ zum Bildschirm, einen Quadrupol bilden) ) ist instabil: Beide Wirbel sinken ab und bewegen sich gleichzeitig in beide Richtungen in Querrichtung. Bereits die ersten experimentellen Untersuchungen des Flügelwirbelsystems in der Nähe des Bildschirms in einem Windkanal zeigten, dass nicht nur die Endwirbel abfallen und der Abstand zwischen ihnen zunimmt, wie aus der Theorie in der nichtviskosen Näherung hervorgeht, sondern auch beide Wirbel bis zu einem bestimmten Grad ansteigen Ebene (der sogenannte Rückprall) mit ihrer anschließenden Bewegung entlang einer schleifenartigen Flugbahn. Anhand von Experimenten wurde gezeigt, dass das Vorhandensein einer schleifenartigen Bewegungsbahn von Wirbeln auf die Trennung der Grenzschicht zurückzuführen ist, die auf dem Bildschirm mit einer Querströmung (entlang der Spannweite) gebildet wird, die auf dem Bildschirm induziert wird Oberfläche des Bildschirms durch das Wirbelsystem des Flügels. Sekundärwirbel, die beim Ablösen der Grenzschicht in die Strömung abfallen, interagieren mit den Primärwirbeln, was zu einer schleifenartigen Flugbahn der Primärwirbel und einem Wirbelrückprall führt.

Gegenwärtig gelten in der Praxis ICAO-Regeln, die die Mindestabstände zwischen Flugzeugen bestimmen, die in dieselbe Richtung fliegen (horizontaler Abstand), unter der Bedingung, dass Flugzeuge nicht in Nachlaufwirbel fallen. Nach diesen Regeln werden die Mindestentfernungen von den Flugzeugtypen bestimmt. Alle Flugzeuge sind herkömmlicherweise in drei Klassen unterteilt: leicht (Gewicht bis zu 7 Tonnen), mittel (von 7 Tonnen bis 136 Tonnen) und schwer (über 136 Tonnen). Somit sind die Mindestentfernungen festgelegt und betragen beispielsweise 4 Seemeilen (7,4 km) für ein schweres Flugzeug, das hinter einem schweren Flugzeug fliegt, und 6 Seemeilen (11 km) für ein leichtes Flugzeug, das hinter einem schweren Flugzeug fliegt (Abb. 1.1 in Betrieb [i]). Mit dem Aufkommen neuer schwerer Flugzeuge vom Typ A-380 wird es notwendig, die Sicherheitsintervalle zwischen Flugzeugen zu verlängern. Gemäß den Empfehlungen der ICAO (ICAO-Bericht "Wake Vortex-Aspekte des Airbus A-380-Flugzeugs" ll / 10/2005: T 13 / 3-05-0661.SLG) für Flugzeuge nach der A-380 gelten die horizontalen Trennungsintervalle sind gleich den Intervallen für geeignete Flugzeuge, die dem schweren Flugzeug folgen, erhöht um 2 Seemeilen (3,7 km), wenn das nächste Flugzeug schwer ist, und 4 Seemeilen (7,4 km), wenn das nächste Flugzeug mittel oder leicht ist.

ICAO-Standards definieren auch die vertikale Trennung von Flugzeugen auf der Strecke. Die Notwendigkeit, die Atemwegskapazität zu erhöhen, hat bereits zur Einführung von sechs zusätzlichen Flugniveaus (RVSM-Programm) und zur Einführung eines vertikalen Mindestabstands von 300 m (1000 Fuß) anstelle der herkömmlichen 610 m (2000 Fuß) in einigen Flughöhen geführt .

Beim Starten und Landen auf einer Landebahn (Landebahn) oder auf parallelen, eng beieinander liegenden Landebahnen beträgt das zulässige Zeitintervall 2-3 Minuten. In der Praxis verlässt jedoch häufig während des Starts oder der Landung der Wirbel hinter einem Flugzeug unter dem Einfluss äußerer Bedingungen schnell die Landebahn und stört andere Flugzeuge nicht. In diesem Fall können Sie nach 20 bis 30 Sekunden ein anderes Flugzeug landen oder die Erlaubnis zum Abheben erteilen. Unter anderen Bedingungen kann der Nachlaufwirbel lange Zeit über der Landebahn verbleiben und eine Gefahr für andere Flugzeuge darstellen. Beispielsweise kann bei einem Seitenwind von 1-2 m / s die Wirbelspur einige Minuten lang über der Landebahn schweben.

Experten aus vielen Ländern versuchen, ihre Maßnahmen zu koordinieren, um spezielle Wirbelsicherheitssysteme zu schaffen wissenschaftliche und praktische Konferenzen... Im Februar 2007 fand in Brüssel eine weitere solche Konferenz statt. Die ICAO hat erkannt, dass eine weitere Verbesserung der Effizienz der Flugsicherung und der Flugsicherheit eine Lösung für das Problem der Nachlaufwirbel erfordert, und Anforderungen für fortschrittliche Warnsysteme für Wirbelgefahren formuliert. Diese Anforderungen sind im Handbuch für Flugverkehrsdienste (ICAO Doc 9426, Teil II, Kapitel 3, Anhang A) aufgeführt. Wirbelwarnsysteme sollten Boden- und Luftkomponenten aufweisen. In diesem Fall sollten die festen Wirbeltrennungsminima durch Minima ersetzt werden, die bestimmten meteorologischen Bedingungen und bestimmten Flugzeugpaaren entsprechen. Darüber hinaus muss das System gefährliche Nachlaufwirbelzonen erkennen und darf Fluglotsen und Flugzeugbesatzungen nicht zusätzlich belasten.

Das russische Wirbel-Flugsicherheitssystem, das auf ICAO-CNS / ATM-Technologien basiert, erfüllt diese Anforderungen am besten [i, 0, 12, 13]. ICAO-CNS / ATM-Technologien sind ein vielversprechendes Mittel zur Sicherstellung der Effizienz von Flugverkehrsmanagementsystemen und sollen gemäß dem globalen Plan der ICAO bis 2010-2020 weltweit als obligatorische technologische Komponente von Flugverkehrsdiensten implementiert werden.

Verschiedene theoretische Forschungsmethoden werden verwendet, um Wirbelspuren im Flugzeug zu modellieren und zu untersuchen: direkte numerische Simulation der turbulenten Bewegung (DNS) basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen, großräumige Wirbelsimulation (LES) unter Verwendung der Navier-Stokes-Gleichungen und Turbulenzen unter der Oberfläche Modell sowie die numerische Lösung der Gleichungen Reynolds (RANS), geschlossen mit einem Differentialturbulenzmodell. In den Arbeiten von S. M. Belotserkovsky wurde vorgeschlagen, die diskrete Wirbelmethode zur Modellierung der Wirbelspur eines Flugzeugs zu verwenden.

Am aussagekräftigsten sind die DNS- und LES-Methoden, mit denen die nahen und fernen Wirbelspuren eines Flugzeugs in großen und kleinen Entfernungen von der Erde untersucht werden können. Sie ermöglichen es insbesondere, den Einfluss von atmosphärischen Turbulenzen, atmosphärischer Schichtung, Scherwind sowie die Wechselwirkung der Wirbelspur eines Flugzeugs und Düsentriebwerksdüsen zu untersuchen. Die RANS-Methoden lösen effektiv Modellprobleme bei der Wechselwirkung zweier Wirbelbündel mit entgegengesetzter Rotation mit der Bildschirmoberfläche. Dies ermöglicht es, die Auswirkungen der Wechselwirkung des Fernwirbels des Flugzeugs mit der Bodenoberfläche zu simulieren.

Die experimentelle Untersuchung von Flugzeugwirbel-Nachläufen wird an Modellen in Windkanälen oder in Flugstudien unter Verwendung von Lasermethoden (Lidar-Messungen) durchgeführt.

In den letzten Jahren wurden drei grundlegende Monographien zur Modellierung von Flugzeugwirbelwirbeln veröffentlicht. Die ersten beiden basieren auf der Verwendung verschiedener numerischer Methoden zur Lösung einer Vielzahl von Problemen. Dazu verwendet das Buch Daten aus Rohr- und Flugexperimenten. Die darin beschriebenen Methoden der mathematischen Modellierung ermöglichen es, den gesamten Komplex von Problemen bei der Entwicklung eines Flugzeug-Nachlaufwirbels während des Flugs in großen Höhen und in Bodennähe im Start- und Landemodus zu lösen. Mit den Methoden der numerischen Simulation beantworteten die Autoren eine Reihe grundlegender Fragen.

Die dritte Monographie befasst sich mit der Erstellung mathematischer Modelle von Wirbelspuren, die auf der Methode diskreter Wirbel basieren. Diese Methode ist die einfachste und effektivste bei der Untersuchung der Wirbelspur eines Flugzeugs und ermöglicht es in Kombination mit einigen empirischen Gesetzen, einfache Lösungen für die entsprechenden Probleme sowohl während des Fluges eines Flugzeugs in großer Höhe als auch in Bodennähe zu erhalten Start- und Landemodi.

Die diskrete Wirbelmethode zur Berechnung der getrennten Strömung um Körper wird erfolgreich mit den Methoden der Theorie stationärer laminarer und turbulenter Grenzschichten kombiniert. Während des Starts und der Landung des Flugzeugs induziert das Wirbelsystem des Flugzeugs eine Querströmung nahe der Oberfläche des Flugplatzes, begleitet von der Bildung einer turbulenten Grenzschicht. Die Wirbel, die beim Ablösen dieser Schicht entstehen, interagieren mit dem Wirbelsystem des Flugzeugs, wodurch dieses erheblich deformiert wird.

Ein wichtiges Merkmal der diskreten Wirbelmethode bei der Modellierung der Wirbelspur eines Flugzeugs ist, dass sie gleichermaßen zur Berechnung der aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeugs bis zur Bildung einer Flugzeugwirbelspur und der anschließenden Verformung dieser Spur zu einer geeignet ist Zwei-Wirbel-System. Bei diesem Ansatz zur Lösung des Problems müssen Durchmesser, Mittelkoordinaten und Geometrie des Flugzeugs bei aktivierter Flügelmechanisierung nicht angegeben werden.

Ein wichtiger Vorteil von mathematischen Modellen, die auf der diskreten Wirbelmethode basieren, ist außerdem ihre Effizienz und Berechnungsgeschwindigkeit. Dieser Umstand zog auch ausländische Forscher an, die diskrete Wirbelmethode zur Modellierung und Untersuchung der Eigenschaften des Fernwirbels anzuwenden.

Diese Monographie zeichnet sich dadurch aus, dass sie als erste die Untersuchung von Wirbelspuren von Flugzeugen mit Propellern beschreibt und bei den vorgeschlagenen Ansätzen die Berechnungszeit für eine Variante 3-4 Größenordnungen geringer ist als bei numerischen Methoden Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen. Die Monographie stellt die Entwicklung der im Buch beschriebenen Methoden vor und gibt ihre Verallgemeinerung für eine Reihe neuer Probleme.

Die Monographie besteht aus einer Einführung und 8 Kapiteln.

CH. 1 enthält grundlegende Informationen über atmosphärische Turbulenzen, Nachlaufwirbel von Flugzeugen und analysiert moderne numerische Methoden zur Berechnung der Eigenschaften von Wirbelspuren.

In ch. 2 beschreibt die Methode der diskreten Wirbel sowie die Modellierung auf der Grundlage freier Turbulenzen in getrennten Strömungen und Strahlströmungen.

In ch. 3 zeigt die Ergebnisse der Modellierung des Nachlaufs in der Nähe des Wirbels hinter einigen Flugzeugen.

In ch. 4 beschreibt das mathematische Modell des Nachlaufs des fernen Wirbels und zeigt die Eigenschaften des Nachlaufs des Wirbels hinter dem Flugzeug mit den Turbostrahltriebwerken Il-76, An-124, V-747 und A-380.

In ch. 5 zeigt ein mathematisches Modell des Fernwirbelwirbels hinter Flugzeugen mit Propellern und gibt die Eigenschaften des Nachlaufwirbels hinter den Flugzeugen An-26, An-12 und S-130 an.

In ch. 6 beschreibt ein mathematisches Modell zur Berechnung der Eigenschaften der Windströmung in der Nähe des Geländes und präsentiert die Ergebnisse der Berechnung der Eigenschaften der Luftströmung in der Nähe von Bergen und Schluchten.

In ch. Fig. 7 zeigt ein mathematisches Modell des Nachlaufwirbels eines Flugzeugs im Start- und Landemodus. Die Ergebnisse der Berechnung der Eigenschaften von Nachlaufwirbeln in diesen Modi für die Flugzeuge V-727, Tu-204 und Il-96 sind dargestellt.

In ch. 8 zeigt ein mathematisches Modell zur Berechnung der aerodynamischen Eigenschaften von Flugzeugen in einem Nachlaufwirbel. Die aerodynamischen Eigenschaften des Yak-40-Flugzeugs im Wirbel-Nachlauf des Il-76-, An-124-, V-747- und A-380-Flugzeugs, des Su-25-Flugzeugs im Wirbel-Nachlauf aus dem Gelände sowie der MiG -31 Flugzeuge beim Tanken in der Luft von IL-78.

Die Autoren sind Kollegen und Studenten dankbar, die die Verwendung ihrer Materialien ermöglicht haben: B. S. Kritskiy, S. I. Nekrakhe, S. M. Eremenko, S. A. Ushakov, A. V. Golovnev, A. S. Dzyuba, N. N. Kopylov. Titelbilder von der Website:

Es gibt zwei Arten von Strömungen von flüssigen und gasförmigen Medien: 1) ruhig, glatt und 2) unregelmäßig, mit einer signifikanten Vermischung des Volumens des Mediums und einer chaotischen Änderung der Geschwindigkeiten und anderer Parameter. Die ersteren werden laminar genannt, und für die letzteren schlug der englische Physiker W. Thomson den Begriff "turbulent" vor (vom englischen turbulent - turbulent, ungeordnet). Die meisten Trends in Natur und Technologie gehören genau zur zweiten, am wenigsten untersuchten Gruppe. In diesem Fall werden statistische (mit der Mittelung über Zeit und Raum verbundene) Beschreibungsmethoden verwendet. Erstens, weil es fast unmöglich ist, Pulsationen an jedem Punkt des Flusses zu verfolgen, und zweitens sind diese Daten nutzlos: Sie können nicht in bestimmten Anwendungen verwendet werden.

Da Turbulenzen eines der tiefsten Naturphänomene mit der allgemeinsten Herangehensweise an ihre Untersuchung sind, verschmelzen sie mit philosophischen Einsichten in das Wesen der Dinge. Der berühmte Wissenschaftler T. Karman charakterisierte dies sehr bildlich und sagte, dass die erste Offenbarung, um die er bitten wird, wenn er vor dem Schöpfer erscheint, darin besteht, die Geheimnisse der Turbulenzen zu enthüllen.

Von größtem praktischem Interesse sind diejenigen Strömungen, die sehr großen Reynolds-Zahlen Re \u003d u0b / n entsprechen. Diese dimensionslose Größe umfasst die Hauptgeschwindigkeit u0 (im Strahl - die Ausströmgeschwindigkeit für ein Flugzeug - die Fluggeschwindigkeit), die charakteristische lineare Abmessung b (den Durchmesser der Düse oder der Flügelsehne) und die Viskosität des Mediums n. Die Reynoldszahl bestimmt das Verhältnis von Trägheitskräften und Reibungskräften (Viskosität). Typische Werte für diese Zahl in der Luftfahrt sind: Re \u003d 105-107.

Was ist Vortex-Aerodynamik?

Wirbelströme von Wasser und Luft sind uns seit unserer Kindheit bekannt. Wenn wir Dämme in Bäche legen, können wir beobachten, wie sich das Wasser an den Rändern intensiv dreht und Strudel bildet. Wenn das Wasser aus dem Bad fließt, erscheint ein rotierender Flüssigkeitstrichter. Hinter einem fliegenden Flugzeug sieht man deutlich zwei stabile Pfade: Von den Enden des Flügels steigen Wirbelbündel ab, die sich über viele Kilometer erstrecken. Wirbelströme repräsentieren die rotierenden Volumina des Mediums - Wasser, Luft usw. Wenn Sie hier ein kleines Laufrad einsetzen, dreht es sich ebenfalls.

Das einfachste mathematische Bild, das die reine Rotationsbewegung eines Fluids beschreibt, ist ein dünner geradliniger Faden unendlicher Länge. Aus Symmetrieüberlegungen ist ersichtlich, dass in allen Ebenen senkrecht zum Filament das Geschwindigkeitsmuster das gleiche ist (planparallele Strömung). Zusätzlich ist auf jedem Kreis mit dem Radius r, der auf dem Faden zentriert ist, die Geschwindigkeit v tangential zum Kreis und in der Größe konstant.

Es ist üblich, die Intensität eines Wirbels durch die Zirkulation der Geschwindigkeit entlang einer geschlossenen Kontur zu charakterisieren, die den Wirbel umfasst. In diesem Fall ist die Zirkulation G \u003d 2prv auf einem Kreis mit dem Radius r. Aufgrund des Satzes über die Konstanz der Zirkulation, der für ein ideales (reibungsloses) Medium gilt, hängt G nicht von r ab. Als Ergebnis erhalten wir eine bestimmte Form der Bio-Savart-Formel

Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, steigt die Geschwindigkeit unbegrenzt (v ® ¥) mit 1 / r an, wenn sich die Wirbelachse nähert (d. H. Bei r ® 0). Diese Funktion wird normalerweise als Singular bezeichnet.

Am 17. Januar 1997 jährte sich zum 150. Mal die Geburt von N. Ye. Zhukovsky, dem "Vater der russischen Luftfahrt". Er legte den theoretischen Grundstein für die moderne Aerodynamik und machte sie zur Grundlage der Luftfahrt: Er etablierte den Mechanismus für die Bildung des Flügelhubs in einer idealen Flüssigkeit, führte das Konzept der angebrachten (relativ zum Flügel fixierten) Wirbel ein und wurde der Gründer der sogenannten Wirbelmethode. Nach diesem Verfahren wird ein Flügel oder ein Flugzeug (AC) durch ein System anhaftender Wirbel ersetzt, die aufgrund des Satzes zur Erhaltung der Zirkulation freie (nicht tragende) Wirbel erzeugen, die sich zusammen mit dem flüssigen Medium bewegen. In diesem Fall reduziert sich das Problem auf die Bestimmung der Intensität aller Wirbel und der Position der freien Wirbel. Die Wirbelmethode erwies sich mit dem Aufkommen von Computern und der Schaffung der numerischen Methode für diskrete Wirbel (DSV) als besonders effektiv.

Vortex-Computerkonzept von turbulenten Wakes und Jets

In den letzten Jahrzehnten wurden bedeutende Fortschritte bei der Untersuchung grundlegender Turbulenzprobleme erzielt, die wir in erster Linie A. N. Kolmogorov und A. M. Obukhov, ihren Schülern und Anhängern sowie ihren Vorgängern L. Richardson und D. Taylor verdanken.

Bei großen Re-Zahlen ist es allgemein anerkannt, Turbulenzen als eine Hierarchie von Wirbeln unterschiedlicher Größe zu verstehen, wenn Pulsationen der Strömungsgeschwindigkeit von großen zu kleinsten Werten auftreten. Turbulenzen im großen Maßstab werden durch die Form des stromlinienförmigen Körpers oder die Konfiguration der Düse, aus der der Strahl austritt, das Strömungsregime und den Zustand der äußeren Umgebung bestimmt. Hierbei können die Viskositätskräfte bei der Bildung von Spuren und Strahlen außer Acht gelassen werden. Bei der Beschreibung kleinräumiger turbulenter Strömungen sollte in einem bestimmten Stadium der Mechanismus der molekularen Viskosität berücksichtigt werden.

Nach der Kolmogorov-Obukhov-Theorie wird die lokale Struktur kleinräumiger Turbulenzen weitgehend durch universelle Gesetze beschrieben. Es ist erwiesen, dass im Bereich ausreichend kleiner Maßstäbe das praktisch stationäre und homogene statistische Universalregime dominieren sollte.

Das Vorhandensein eines bestimmten Trägheitsregimes zwischen den Trägheiten, das auf Skalen auftritt, die im Vergleich zur charakteristischen Größe der Strömung insgesamt klein, aber größer als die Mikroskala sind, in der Viskositätsphänomene bereits signifikant sind, wurde ebenfalls begründet. Somit kann in diesem Intervall wie im Anfangsstadium der Turbulenz die Viskosität des Mediums nicht berücksichtigt werden.

Eine allgemeine Turbulenztheorie, die nicht nur eine qualitative Beschreibung der Hauptprozesse, sondern auch quantitative Beziehungen zur Bestimmung turbulenter Eigenschaften enthält, wurde jedoch noch nicht erstellt. Die Konstruktion einer im mathematischen Sinne strengen Theorie wird auch dadurch erschwert, dass es kaum möglich ist, die Turbulenzen selbst erschöpfend zu definieren.

Andererseits erforderten die Fragen, die sich im Zusammenhang mit verschiedenen technischen Anwendungen stellten, schnelle Antworten - auch wenn sie nur annähernd, aber wissenschaftlich fundiert waren. Infolgedessen begann sich die sogenannte semi-empirische Turbulenztheorie intensiv zu entwickeln, in der neben theoretischen Gesetzen und Berechnungen auch experimentelle Daten verwendet werden. Wissenschaftler wie D. Taylor, L. Prandl und T. Karman haben zur Bildung dieser Richtung beigetragen. G. N. Abramovich, A. S. Ginevsky und andere trugen zur Entwicklung und Umsetzung dieser Ansätze bei.

In der semi-empirischen Turbulenztheorie wird das Problem vereinfacht betrachtet, da nicht alle statistischen Merkmale untersucht werden, sondern nur die für die Praxis wichtigsten - zunächst die Durchschnittsgeschwindigkeiten und Mittelwerte der Quadrate und Produkte pulsierender Geschwindigkeiten (sogenannte Momente 1. und 2. Ordnung). Der Nachteil dieses Ansatzes besteht zunächst darin, dass aus dem Experiment eine ganze Reihe von Daten für jede Gruppe spezifischer Bedingungen erhalten werden muss: für Körper unterschiedlicher Form bei der Untersuchung von Spuren, für unterschiedliche Konfigurationen von Düsen, aus denen die Jets fließen usw. Darüber hinaus basiert diese Theorie auf stationären Ansätzen (die zeitliche Entwicklung des Prozesses wird nicht berücksichtigt), was seine Möglichkeiten einschränkt.

Das von uns entwickelte Wirbelcomputerkonzept turbulenter Nachläufe und Jets ist ein geschlossenes konstruktives mathematisches Modell (MM). Es basiert auf der Nutzung aller Fortschritte in der Wirbelaerodynamik, die durch die Verwendung von MPE erzielt wurden, für die Implementierung der oben diskutierten modernen Turbulenzkonzepte. Das MM ist für große Re-Zahlen konstruiert und basiert auf der Interpretation freier Turbulenzen als Hierarchie von Wirbeln unterschiedlicher Skalen. In diesem Fall wird eine turbulente Bewegung im allgemeinen Fall als dreidimensional und instabil angesehen.

Die praktische Umsetzung der Simulation instationärer Strahlströmungen erfolgt nach der Methode der diskreten Wirbel. In diesem Fall wird das räumlich und zeitlich kontinuierliche Modell durch sein diskretes Analogon ersetzt. Die Zeitdiskretisierung besteht darin, dass angenommen wird, dass sich der Prozess zu den Zeitpunkten tn \u003d nDt (n \u003d 1,2, ...) abrupt ändert. Die Diskretisierung im Raum besteht darin, kontinuierliche Wirbelschichten durch hydrodynamisch geschlossene Systeme von Wirbelelementen (Wirbelfilamente oder -rahmen) zu ersetzen. Es ist auch wichtig, bei MM die Tatsache zu berücksichtigen, dass sich freie Wirbel mit den Geschwindigkeiten flüssiger Partikel bewegen und ihre Anzahl mit der Zeit zunimmt.

Der angegebene Ansatz zur Modellierung von Strömungen ermöglicht es, die allgemeine Natur der zeitlichen Entwicklung des Prozesses ohne Verwendung zusätzlicher empirischer Informationen zu untersuchen. MM, das auf der Grundlage von MDI erstellt wurde, beschreibt alle Hauptmerkmale der Entwicklung turbulenter Nachläufe, Jets und getrennter Strömungen, einschließlich des Übergangs von deterministischen Prozessen zum Chaos. Sie ermöglichen auch die Berechnung der statistischen Eigenschaften von Turbulenzen (Momente 1. und 2. Ordnung).

Das Hauptaugenmerk lag auf der Computerberechnung der Strömung um Körper, dem Bau der nahen Abschnitte von Kielwasser und Düsen. Die große Menge an Material, die wir in diesem Bereich angesammelt haben, umfasst nicht nur direkte Vergleiche von Berechnungen mit Experimenten, sondern auch die Überprüfung von MM zur Erfüllung der universellen Kolmogorov-Obukhov-Gesetze der entwickelten Turbulenzen, die daher die Rolle der Unabhängigkeit spielen Tests. Ein numerisches Experiment kombiniert mit einer physikalischen und komplexen Analyse der Ergebnisse führte uns zu den folgenden Schlussfolgerungen.

Die Hauptmerkmale und Makroeffekte der getrennten Strömung um Körper bei großen Re-Zahlen, einschließlich des nahen Nachlaufs und seiner Eigenschaften, an bekannten Stellen der Strömungstrennung (an scharfen Kanten, Knicken, Körperschnitten usw.) sowie in Düsen hängen nicht von der Viskosität am Mittwoch ab; Sie werden durch die Trägheitswechselwirkung in Flüssigkeiten und Gasen bestimmt, die die instationären Gleichungen eines idealen Mediums beschreiben. Weitere Analysen zeigten, dass bei einer Reihe von Problemen viskose Abstände berücksichtigt werden müssen, insbesondere auf den Oberflächen glatter Körper (wie kreisförmige und elliptische Zylinder). Daher bestand der nächste Schritt bei der Entwicklung dieses Konzepts darin, dass instationäre Modelle eines idealen Mediums durch instationäre Gleichungen der Grenzschicht ergänzt wurden, um die Trennstelle zu bestimmen.

Somit wurde eine Änderung der Prioritäten gerechtfertigt und umgesetzt: Nicht die Viskosität des Mediums trat in den Vordergrund, sondern instationäre Phänomene.

Schukowskys grundlegendes Werk "Über angehängte Wirbel" wurde 1906 veröffentlicht. Die Moderne hat neue Probleme aufgeworfen, und computertechnologien erweiterte den Anwendungsbereich theoretischer Methoden. Schukowskys klassische Ideen erleben jetzt eine zweite Jugend und eröffnen neue Möglichkeiten für die Theorie einer idealen Umgebung und Wirbelmethoden.

Es ist wichtig zu betonen, dass in der Natur Wirbelströme und Chaos nebeneinander leben und zu Vorläufern von Turbulenzen werden. Die Rotation von Flüssigkeitsvolumina führt zu Instabilität sowie zum Auftreten und Zerfall regelmäßiger Strukturen, was zur Bildung neuer Wirbel und zur Entwicklung von Chaos führt.

1953, als der 50. Jahrestag menschlicher Flüge mit schweren Luftfahrzeugen gefeiert wurde, schrieb Theodor von Karman (1881 - 1963) das Buch „Aerodynamik. Ausgewählte Themen in ihrer historischen Entwicklung “. Es basiert auf sechs Messenger-Vorträgen, die der Autor im Rahmen des 1923 von Hiram J. Messenger organisierten Zyklus von Lesungen "Über die Entwicklung der Zivilisation" gehalten hat.

Karman ist der bekannteste Theoretiker der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts auf dem Gebiet der Aerodynamik. Er wurde in einer jüdischen Familie geboren und wuchs dort auf, die auf dem ungarischen Territorium des Österreichisch-Ungarischen Reiches lebte. 1902 absolvierte er die Universität Budapest und zog bald nach Deutschland. 1908 verteidigte er unter der Leitung von Ludwig Prandtl seine Dissertation über Aerodynamik. Die Verteidigung fand an der Universität Göttingen statt, wo er blieb, um zu arbeiten. Später wurde ihm angeboten, das Institut für Luftfahrt an der Universität Aachen zu leiten. Teilnahme am Ersten Weltkrieg in den Reihen der österreichisch-ungarischen Armee.

1930 wurde er an das California Institute of Technology eingeladen. Dort angekommen leitete er das Luftfahrtlabor. 1936 begann er bei der Firma Aerojet zu arbeiten, die Raketentriebwerke entwickelt und herstellt. In den 1940er Jahren wechselte er zum Weltraumthema. 1944 unterzog er sich erfolgreich einer onkologischen Operation am Darm. Auf seine Initiative hin wurde 1960 die Internationale Akademie für Astronautik gegründet, die führende Wissenschaftler aus dem Bereich der Weltraumforschung zusammenbringt. Karman starb 1963 während einer Reise nach Aachen (Deutschland); Begraben in Pasadena (Kalifornien).

Dieses Buch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Der erste Grund ist, dass es die Notwendigkeit und Bedeutung der Praxis zusammen mit der Theorie demonstriert. Jemand hat vielleicht den Eindruck, dass zunächst theoretische Ideen geboren werden, die dann in unserem praktischen Leben Anwendung finden. Die gesamte Wissenschaftsgeschichte zeigt jedoch eher die umgekehrte Reihenfolge dieser beiden kognitiven Komponenten. Es ist wahr, dass der Anstoß für jede praktische Tätigkeit eine Idee ist. Aber normalerweise ist es zu feucht: Beim Bau einer Maschine oder Vorrichtung verblasst der ursprüngliche Glanz schnell. Eine echte, streng formalisierte Theorie entsteht nach vielen iterativen Schritten des Denkens und Handelns. Die Wissenschaft des Elektromagnetismus ist ein klassisches Beispiel. Zunächst ging eine lange Reihe einfacher Experimente voraus, die von einer komplexen Reihe von Experimenten gekrönt wird, die von Faraday durchgeführt wurden. Auf seiner experimentellen Basis entwickelt Maxwell eine Theorie, deren Erscheinungsbild zu abstrakt war. Edison, Tesla und andere praktizierende Physiker korrigieren und konkretisieren diesen Wissenschaftszweig seit mehreren Jahrzehnten.

Die relativistische Physik zeigt uns eine stark verzerrte Entwicklung eines bestimmten Wissensbereichs, der von philosophischen und mathematischen Spekulationen durchdrungen ist. Karman nickte den Befürwortern der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu und bemerkte pointiert und nicht ohne Ironie: "Wir, Spezialisten für Aerodynamik, sind immer bescheidener und versuchen nicht, die Grundideen des menschlichen Geistes zu ändern oder uns in die Angelegenheiten einzumischen des barmherzigen Herrn und der göttlichen Vorsehung! " ...

Aerodynamik und Hydrodynamik sowie die Mechanik im Allgemeinen erinnern uns ständig an den großen Einfluss des Empirismus auf die Theoriebildung. Welchen Zweig der Wissenschaft wir auch nehmen - sei es Mechanik oder Elektromagnetismus - wir unterteilen ihn in angewendet und grundlegend offenbart sich leicht. Die Kosmologie, die auf der Grundlage der relativistischen und der Quantenmechanik entstanden ist, besteht jedoch hauptsächlich aus einem grundlegenden Teil. Aufgrund des Fehlens eines signifikanten angewandten Abschnitts sieht es nicht nach einer Wissenschaft aus, sondern nach einer Art philosophie, die durch skrupelloses Denken dem wirklichen Physiker im Prinzip fremd war, in den Körper der Naturwissenschaften eindrang und darin eine fast beherrschende Stellung einnahm. Für diejenigen, die noch nicht mit ihren Problemen vertraut sind, können die komplexen mathematischen Modelle, die auf Hochgeschwindigkeitscomputern berechnet werden, verwirrend sein. Experten sind sich jedoch bewusst, dass solche Computerberechnungen häufig zu einer noch schlimmeren Scholastik führen.

Die Kosmologie betrachtet Prozesse und Phänomene, die das Universum als Ganzes beeinflussen. Kosmologen phantasieren traditionell viel über den Urknall, schwarze Gaben und Löcher, die eng mit der relativistischen Physik und der Quantenmechanik verbunden sind. Es sind diese beiden Abschnitte, die der Kosmologie einen phantasmagorischen Charakter verleihen. In jüngster Zeit haben Kosmologen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Teleskopinstrumenten, die in verschiedenen Strahlungsbereichen arbeiten, begonnen, der Beobachtung von Weltraumobjekten große Aufmerksamkeit zu widmen. Trotzdem sind die meisten heutigen Kosmologen noch sehr weit von den ungelösten Problemen des letzten Jahrhunderts entfernt, die den Grundlagen ihrer wunderbaren Wissenschaft zugrunde liegen. Zum Beispiel argumentieren sie, dass sich im Zentrum der meisten Spiralgalaxien Schwarze Löcher befinden, die mit der "Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums" verbunden sind (Abb. 1; Sie können mehr über Schwarze Löcher lesen).

Feige. einer... Porträt Stephen Hawking ,
über dessen Kopf ein System vom Typ SS 433 dargestellt ist,
bestehend aus einem Stern und einem schwarzen Loch, um das
Eine Akkretionsscheibe und ein paar Düsen sind sichtbar

Prosa-orientierte Astronomen nehmen Schwarze Löcher rationaler und natürlicher wahr. Für sie haben diese einst exotischen Objekte praktisch ihre relativistische Essenz verloren. Für den gesunden Astronomen des 21. Jahrhunderts ist ein Schwarzes Loch kein singulärer Punkt mehr, sondern der Eingang zu einem anderen Universum, in dem das Licht und die Materie unseres Universums verschwinden. Im Gegenteil, ein superdichtes Gerinnsel aus Materie, ein "Loch", umgeben von akkretionsscheibeerscheint ihm als eine mächtige Quelle harter kosmischer Strahlung, Strahlen ( jets) die in der Regel senkrecht zur Ebene einer Spirale oder einer abgeflachten Galaxie gerichtet sind. Es ist nichts Seltsames an einem so völlig klassischen Verständnis dieses kosmischen Phänomens. Es ist klar, dass in nicht festen Medien eine Translationsbewegung (Divergenz, Div) eine Rotation (Rotation, Rotation) verursachen kann und umgekehrt.

Feige. 2... Divergenz in einem flüssigen oder gasförmigen Medium
kann dazu führen, dass es sich dreht und umgekehrt

Ein Forscher, der in seinen jüngeren Jahren nicht zu faul war, die Spekulationen von Relativisten zu verstehen, und unethisches Verhalten erkannte Einstein In der Wissenschaft ist es wahrscheinlicher, dass er aerodynamische und hydrodynamische Modelle auf die oben genannten "Schwarzen Löcher" anwendet. Es muss klar sein, dass von niemandem ein Einfluss des Gravitationsfeldes auf den Verlauf der Lichtstrahlen aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse von Beobachtungen des Sternenhimmels in der Nähe der mondverdunkelten Sonnenscheibe wurden verfälscht (siehe Abschnitt: Ablenkung von Lichtstrahlen in der Nähe von massiven Körpern). Aber mit dieser falschen Tatsache behandelten die Relativisten klassische Physiker (in unserem Land waren sie es Casterin , Timiryazev , Mitkevich , Führer) und unterbrach die normale Entwicklung der Gasdynamik in Bezug auf die Mikro- und Makrowelt. In dieser Hinsicht wird es nicht überflüssig sein, nicht nur in die in Karmans Buch beschriebene Geschichte der Entwicklung der Aerodynamik einzutauchen, sondern auch den Hauptinhalt dieses Abschnitts der Physik gut zu beherrschen.

Vor der Aerodynamik gab es die Aerostatik. Benjamin Franklin (1706 - 1790) war wahrscheinlich einer der ersten, der über den Bau eines Ballons nachdachte. Das Prinzip, einen Ballon oder ein Luftschiff in der Luft zu halten, basiert auf dem Bekannten statisches Archimedes'sches Gesetz... In Bezug auf Flüssigkeiten heißt es im Gesetz: jeder Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, verliert so viel an Gewicht, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeit wiegt... Dies bedeutet, dass Körper, deren spezifisches Gewicht geringer ist als das spezifische Gewicht der Flüssigkeit, auf der Oberfläche der Flüssigkeit schweben. Zum Beispiel schwimmen Kork und Fett auf der Wasseroberfläche. Dieses Gesetz gilt auch für Gase. Sogar Demokrit hat verstanden, dass Feuer dazu neigt, nach oben zu steigen, weil sein spezifisches Gewicht geringer ist als das spezifische Gewicht der Luft.

Die rudimentären Ideen der Aerodynamik - das Flugzeug mittels eines Propellers in der Luft zu halten und Flügel wie die von Vögeln zu schlagen - existieren seit jeher. Es genügt, an die Zeichnung eines "Hubschraubers" von Leonardo da Vinci zu erinnern, in dem die sogenannte Archimedes-Schraube verwendet wurde (Abb. 3). Wir müssen nicht einmal über Flügel sprechen: Viele Draufgänger, die Flügel an ihre Hände gebunden und sich mit dem Kopf vom Glockenturm geworfen hatten, brachen sich Hals und Gliedmaßen. Pocket nannte den Engländer Sir George Cayley (1773 - 1857), der in seinen Artikeln aus der Zeit von 1809 - 1810. war der erste, der ernsthaft über die Unterstützung von Flugzeugen sprach, "mit Hilfe von geneigten Oberflächen in Flugrichtung, vorausgesetzt, wir haben die mechanische Energie, um den Luftwiderstand auszugleichen, der diese Bewegung behindert."

Feige. 3... "Hubschrauber" von Leonardo da Vinci

Cayleigh schrieb: "Es wurde experimentell festgestellt, dass die Form der Rückseite der Spindel genauso wichtig ist wie die Form der Vorderseite der Spindel, um den Widerstand zu verringern." "Ich befürchte jedoch", fuhr er fort, "dass dieses ganze Thema im Wesentlichen so dunkel ist, dass es nützlicher ist, es durch Experimente zu untersuchen als durch Argumentation [durch die er zweifellos die theoretische Rechtfertigung verstanden hat] und in Abwesenheit von irgendwelchen." überzeugende Beweise dafür, dass und von dem anderen der einzige verbleibende Weg darin besteht, die Natur zu kopieren; Deshalb werde ich als Beispiel die Körper einer Forelle und einer Waldschnepfe nennen “(Abb. 4).

Feige. vier
geformt wie eine Forelle.

Bis zum ersten Flug der Gebrüder Wright im Jahr 1903 waren Mathematik und theoretische Physik bei der Konstruktion von Schwerluftflugzeugen absolut machtlos. Wilber (1867-1912) und Orville (1871-1948) Wright waren keine professionellen Wissenschaftler. Sie waren jedoch mit den praktischen Ideen auf dem Gebiet der Aerodynamik vertraut, die vor ihnen von verschiedenen Forschern entwickelt wurden, und hatten neben dem bemerkenswerten Talent der Designer die Möglichkeit, Experimente mit Modellen für ihre vollständige Konstruktion zu verwenden. Zu diesem Zweck verwendeten sie einen einfachen und kleinen Windkanal. Außerdem haben sie fast tausend Segelflüge absolviert. "

Pocket führt uns in die Geschichte der Entwicklung der theoretischen Aerodynamik ein, deren Ursprungsspuren in Newtons Prinzipien [Buch II, Abschnitt VII, Satz 33] zu finden sind: „... Kräfte, die auf zwei geometrisch ähnliche Körper wirken, die sich bewegen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten sind proportional: a) das Quadrat der Geschwindigkeit; b) das Quadrat der linearen Abmessungen des Körpers und c) die Dichte der Flüssigkeit “. Da „die Änderungsrate des Impulses (Impuls \u003d Masse × Geschwindigkeit), die in der Flüssigkeit erzeugt wird, proportional zur Dichte der Flüssigkeit und zum Quadrat der Geschwindigkeiten der einzelnen an der Bewegung beteiligten Teilchen ist, vorausgesetzt, die Strömung ist ähnlich ist proportional zu quadratische Geschwindigkeit ungestörter Flüssigkeitsfluss “. Daraus ergibt sich die Formel:

F. = ρ ( SU) ² sin² α, (1)

Wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit ist, S. - Plattenbereich, U. ist die Geschwindigkeit der Platte [oder die Luft relativ zur Platte in Ruhe auskleiden], α ist der Neigungswinkel [Anstellwinkel]. Macht F. senkrecht zur Oberfläche gerichtet. Die Menge ρ SUsin α ist zweifellos der Massenfluss pro Zeiteinheit durch den Querschnitt S. sin α gleich der Projektion der Platte senkrecht zur ursprünglichen Strömungsrichtung (Abb. 5). Es wird angenommen, dass die Partikel nach der Kollision der Richtung der Platte folgen. Dann erhalten wir die Änderung des Impulses der Flüssigkeitsmasse, die pro Zeiteinheit auf die Platte fällt, indem wir diese Masse mit der Geschwindigkeitskomponente multiplizieren U.sin α aus der Kollision “.

Feige. fünf... Zeichnung zur Erklärung des Ausdrucks (1).

Dann spricht Karman über zahlreiche Experimente, die mit der folgenden Schlussfolgerung enden: „Experimentelle Daten zeigten, dass drei von Newtons Aussagen richtig waren: Proportionalität der Dichte, Proportionalität zum Quadrat der linearen Größe und Proportionalität zum Quadrat der Geschwindigkeit. ... Newtons Vorhersage der Proportionalität zwischen der auf ein Oberflächenelement wirkenden Kraft und quadrat des Sinus sein Neigungswinkel erwies sich als völlig falsch. Experimente haben gezeigt, dass die Stärke eher fast ist linear zu sinus Winkel oder der Winkel selbst bei kleinen Winkeln. "

Solch ein unangenehmes Ergebnis lässt uns denken, dass die Arbeit SU ist ein Fluss, der nicht in zwei unabhängige Größen zerlegt werden kann - S. und U.... Daher erscheint in der vertikalen Projektion der Strömung der Sinus nur im ersten Grad:

F. = ρ ( SU) ² sin α, (2)

Diese Argumentation und Formel (2) sind jedoch falsch, da Experimente gezeigt haben, dass der Prozess des Luft- oder Flüssigkeitsstroms um eine Platte nicht einfach ist, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. Hier entstehen Wirbel, die nicht durch Ausdrücke wie (1) und (2) beschrieben werden können. Aber wir werden später über diese Seite der Sache sprechen. Jetzt ist es wichtig, dass wir die Aufmerksamkeit der Leser auf uns lenken kognitive Probleme philosophische Bedeutung.

Weil „die Theorie im Widerspruch zu den Tatsachen stand“ und auf die trotzigste Weise schrieb Karman: „Einige Autoren haben vorgeschlagen, dass das Newtonsche Gesetz zu pessimistischen Vorhersagen über die Flugmöglichkeiten mit laufendem Motor beitrug, die in der Wissenschaft zu finden sind Literatur. Persönlich glaube ich nicht, dass Newtons Einfluss wirklich so katastrophal war. Ich glaube, dass die meisten Leute, die in der Anfangszeit, über die wir sprechen, wirklich am Fliegen interessiert waren, an keine Theorie glaubten. ...

Während des gesamten neunzehnten Jahrhunderts beobachten wir zwei praktisch nicht miteinander verbundene Prozesse. Einerseits entwickelten Flugbegeisterte, meist Praktiker, ihre eigenen eher primitiven Theorien zum Vogelflug und versuchten, ihre Erkenntnisse auf die Anforderungen des menschlichen Fluges anzuwenden. Andererseits entwickelten Vertreter der Wissenschaft die mathematische Theorie der Fluiddynamik; Diese Entwicklung hatte nichts mit dem Problem des Fluges zu tun und lieferte denjenigen, die fliegen wollten, nicht viele nützliche Informationen. "

Die Geschichte der Entwicklung des Flugzeugbaus zeigt überzeugend, wie groß die Lücke zwischen theoretischen Konstruktionen und realen Prozessen sein kann, die anscheinend durch ganz offensichtliche mathematische Ausdrücke genau beschrieben werden sollte. Im Zusammenhang mit dieser ungeheuren Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis wundert man sich immer wieder über das Selbstbewusstsein der Relativisten.

In der Tat ist keiner von ihnen in der Lage, die Phänomene, die jede Sekunde innerhalb und auf der Oberfläche der Sonne auftreten, theoretisch zu beschreiben - auch nicht sehr, sehr ungefähr. Aber sie erklären arrogant: "Wir wissen nicht und wollen nicht auf die zahlreichen Details eines komplexen physikalischen Prozesses eingehen, aber wir wissen genau, was mit dem Stern als Ganzes passieren wird." Zum Beispiel geben Relativisten eine hundertprozentige Garantie, dass sich die Sonne in ein Schwarzes Loch verwandelt, wenn ihr Radius auf 3 km reduziert wird. Ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 10 Sonnen hat einen Radius von 30 km, 100 Sonnen - 300 km und 1000 Sonnen - 3000 km. Alles ist sehr einfach!

Eine Person ohne kritisches Denken kann an diese Zahlen glauben. Es ist besser für ihn, keine Wissenschaft zu betreiben. Die Formel für den Radius eines Schwarzen Lochs wurde von Karl Schwarzschild wenige Monate nach der Veröffentlichung seiner Gravitationsgleichungen durch Einstein abgeleitet. Das hat noch niemand bewiesen schwerelos Photonen werden im Feld abgelenkt gravitation - Die Position selbst ist absurd - und Relativisten haben bereits Formeln für den Radius eines Schwarzen Lochs abgeleitet, wenn es sich dreht, ein Magnetfeld hat und eine elektrische Ladung gleichmäßig auf seiner Oberfläche "verschmiert" wird.

Und dies trotz der Tatsache, dass niemand weiß, warum sich die Winkelgeschwindigkeiten der Sonnenrotation in der Nähe des Äquators und in der Nähe der Pole stark unterscheiden, wie sie verteilt sind elektrische Aufladungen und Magnetfelder auf der Oberfläche des brodelnden Sterns, die das Auftreten dunkler Flecken und Vorsprünge beeinflussen. Aber die popularisierenden Relativisten verschwendeten keine Zeit. Sie haben bereits Millionen Exemplare ihrer verrückten Bilderbücher veröffentlicht, in denen sie naiven jungen Männern ausführlich erzählen, was der Kosmonaut Vasya sehen wird, wenn er in ein schwarzes Loch fällt.

Lesen Sie das Buch von William J. Kaufman "Die kosmischen Grenzen der Relativitätstheorie" und Sie werden überrascht sein, wie viel Unsinn Sie sich vorstellen können, ausgehend von der trivialen Tatsache der Gleichheit von Trägheits- und Gravitationsmasse. Im Wassertext können Sie den Ausdruck lesen, der für die relativistische Kosmologie charakteristisch ist: "Dieses Buch wurde vor 25 Jahren geschrieben, bereits zu dieser Zeit entwickelte sich die Theorie der Schwarzen Löcher in ihrer Entwicklung zu solchen Entfernungen, die das Experiment nicht erreichen kann." "bald." Dem Autor dieser Zeilen ist nicht bewusst, dass keine Wissenschaft außerhalb des Experiments existieren kann.

Ein Schwarzes Loch ist ein Phantom, das ursprünglich aus einer völlig verständlichen Position entstanden ist: Wenn die Gravitationsmasse die Lichtstrahlen biegt, gibt es ein Gravitationsfeld mit einer solchen Kraft, dass die Strahlen auf der Oberfläche des Körpers geschlossen sind, die dieses Feld erzeugt. Wie bereits erwähnt, wurden 1919 die Ergebnisse einer Sonnenfinsternis verfälscht, an die die Relativisten glaubten. Und dann geht es los ...

Zuerst wurde nach schwarzen Löchern in den Teilen des Nachthimmels gesucht, in denen keine Sterne sichtbar waren. Im Zuge der Verbesserung der Technik zur Beobachtung der Sterne gibt es jedoch fast keine derartigen Orte am Himmel. Dann entschieden Relativisten, dass Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien lauern. Da von diesen Zentren starke kosmische Strahlung ausging, begannen sie entgegen der ursprünglichen Definition zu behaupten, dass diese Strahlung genau das Vorhandensein von Schwarzen Löchern an diesen Orten bezeugt. Darüber hinaus endet die Entwicklung eines gewöhnlichen Sterns mit einem Schwarzen Loch, wenn er die Phase eines Weißen Zwergs und eines Neutronensterns passiert (Details).

Aber lassen wir die glorreichen Relativisten mit ihren Schwarzen Löchern in Ruhe und kehren zur Geschichte der Wirbelwissenschaft zurück. Karmans gesamtes Buch widmet sich in der Tat der Analyse technischer Strukturen, die die Bildung der aerodynamischen Theorie beeinflusst haben. Nachfolgend finden Sie einige Passagen zu diesem Thema.

"In der langen Liste der Experimentatoren, Ingenieure und Physiker", schreibt Karman, "finden wir die Namen vieler berühmter Wissenschaftler. Edm Marriott (1620 - 1684) maß die Kraft, die auf eine flache Platte wirkt, die in einen Wasserstrahl getaucht ist. Jean Charles de Bordas (1773-1799) Experimente umfassten Körper verschiedener Formen; Mit einem rotierenden Arm, der sogenannten Karussellinstallation, setzte er Körper im Wasser in Bewegung. Diese Methode wurde zuvor von Benjamin Robins (1707 - 1751) angewendet, der sein Experiment in der Luft durchführte. ...

Bei der Messung des Widerstands eines Körpers, für den sein geradliniges Ziehen in einer Flüssigkeit verwendet wurde, wurden mehrere experimentelle Methoden verwendet. Jean Leron D'Alembert (1717 - 1783), Antoine Condorcet (1743 - 1794) und Charles Bossu (1730 - 1814) schleppten Schiffsmodelle in stehendem Wasser. Dies war möglicherweise die erste Anwendung der sogenannten Schleppbeckenmethode. Lokomotiven wurden verwendet, um Modelle in einer geraden Linie durch die Luft und später Autos zu bewegen. Diese Methode ist jedoch nicht sehr genau. Erstens kann es nur bei Windstille verwendet werden, und zweitens ist es sehr schwierig, die Wirkung des Bodens zu berechnen.

Eine andere Methode zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung ist der freie Fall des Körpers in die Luft. Newton selbst beobachtete die Kugeln, die aus der Kuppel der St. Pauls Kathedrale fielen. Diese Methode wurde von vielen Forschern verwendet. Bemerkenswerte Experimente wurden im späten neunzehnten und frühen zwanzigsten Jahrhundert von Alexander Gustave Eiffel (1832 - 1923) durchgeführt.

Die beste Methode zur Messung des Luftwiderstands besteht darin, das Modell in einen künstlichen Luftstrom zu platzieren, d. H. Die Windkanalmethode. Die erste Person, die eine solche Installation schuf, war Francis Herbert Wenham (1824 - 1908), Gründungsmitglied der Aeronautics Society of Great Britain, der 1871 einen Windkanal für diese Gesellschaft entwickelte. 1884 baute ein anderer Engländer, Horatio Phillips (1845 - 1912), einen verbesserten Windkanal. Nach ihnen wurden mehrere weitere kleine Windkanäle gebaut; Zum Beispiel baute Nikolai Yegorovich Zhukovsky (1847-1921) 1891 an der Moskauer Universität ein Rohr mit einem Durchmesser von zwei Fuß.

Im ersten Jahrzehnt dieses Jahrhunderts wurden in fast allen Ländern Windkanäle gebaut. Unter den Bauherren waren Stanton und Maxim in England, Rato und Eiffel in Frankreich, Prandtl in Deutschland, Crocco in Italien, Zhukovsky und Ryabushinsky in Russland. Im Vergleich zu den heutigen riesigen Kaminen waren diese Installationen vergleichsweise bescheiden. Zum Beispiel hatte keiner der vor 1910 gebauten Windkanäle mehr als 100 PS. Heute verbraucht ein Windkanal in den französischen Alpen Hydraulikleistung von bis zu 120.000 PS. "

Karman bemerkte auch die Verdienste von Charles Renard (1847 - 1905), Etienne Jules Mare (1830 - 1904), den Brüdern Otto (1848 - 1896) und Gustave (1849 - 1933) Liliental, Alphonse Penot (1850 - 1880), Samuel P. Langley (1834 - 1906), Charles M. Manley (1876 - 1927) und Sebastian Finsterwalder (1862 - 1951). Theoretisch wurden auch wichtige Grundlagen geschaffen. In diesem Zusammenhang ist zunächst auf die Arbeit von Daniel Bernoulli von 1738 "Hydrodynamik oder Kommentare zu den Kräften und Bewegungen von Flüssigkeiten" hinzuweisen. Basierend auf dem Gesetz der Erhaltung der lebenden Kraft (kinetische Energie) stellte er eine Beziehung zwischen Druck, Niveau und Geschwindigkeit der Flüssigkeitsbewegung her. In seiner "Abhandlung über das Gleichgewicht und die Bewegung von Flüssigkeiten" (1744) und insbesondere in seiner "Übersicht über eine neue Theorie des Widerstands von Flüssigkeiten" (1752) kam D'Alembert zu einem paradoxen Ergebnis. Karman beschrieb dieses Paradoxon im Abschnitt "Mathematische Mechanik von Flüssigkeiten" wie folgt.

„Nach der Veröffentlichung von Newtons Theorie erkannten die Mathematiker die Mängel seiner Methode. Sie erkannten, dass das Problem nicht so einfach war, wie Newton dachte. Wir können den Strom nicht ersetzen parallel Bewegung, wie Newton es ungefähr versuchte (Abb. 5). Die erste Person, die eine so genannte genaue Theorie des Luftwiderstands entwickelte, war D'Alembert, der große Mathematiker und einer der Enzyklopädisten Frankreichs. Er veröffentlichte seine Entdeckungen in einem Buch mit dem Titel Essay über eine neue Theorie des Flüssigkeitswiderstands... Trotz seiner bedeutenden Beiträge zur mathematischen Theorie der Flüssigkeiten erhielt er ein negatives Ergebnis. Am Ende hat er folgende Ausgabe:

Ich gebe zu, dass ich in diesem Fall nicht sehe, wie der Widerstand von Flüssigkeiten mit Hilfe der Theorie zufriedenstellend erklärt werden kann. Im Gegenteil, es scheint mir, dass diese Theorie, die mit großer Aufmerksamkeit betrachtet und studiert wird, zumindest in den meisten Fällen absolut keinen Widerstand liefert; Ein außergewöhnliches Paradoxon, das ich Geometern erklären lasse.

Diese Aussage, - fährt Karman fort, rufen wir jetzt an d'Alembert-Paradoxon... Dies bedeutet, dass eine rein mathematische Theorie zu dem Schluss führt: Wenn wir einen Körper durch die Luft bewegen und die Reibung vernachlässigen, stößt der Körper nicht auf Widerstand. Offensichtlich war dieses Ergebnis nicht in der Lage, den Konstrukteuren des Praktikers eine signifikante Unterstützung zu bieten.

Porträts von Physikern (von links nach rechts):
John William Strett (Lord Rayleigh), Hermann von Helmholtz und Gustav Kirchhoff

Im nächsten Jahrhundert entwickelten Helmholtz, Gustav Kirchhoff (1824-1887) und John William Strett, Lord Rayleigh (1842-1919) eine Theorie, von der sie glaubten, dass sie es uns ermöglichen würde, die Ableitung von d'Alembert zu vermeiden. Diese Theorie beschreibt die Bewegung einer geneigten Platte auf besondere Weise unter der Annahme, dass an jeder Kante der Platte eine Bruchfläche gebildet wird, auf die die Platte folgt aufwachenBestehend aus "stehender Luft", die sich hinter der Platte bis ins Unendliche ausdehnt (Abb. 6). Diese Annahme ermöglicht es, die auf die Platte wirkende Kraft ungleich Null auch im Fall einer nichtviskosen Flüssigkeit zu berechnen. " In Abb. Fig. 6 zeigt die schiefe Ebene des Flügels und die Luftstrahlen, die unter den Flügel blasen und von oben und unten um den Flügel herumströmen, so dass über der Flügelebene eine "stagnierende Luftzone" gebildet wird.

Feige. 6... Luftstrahlen in der Nähe des Flügelflugzeugs,
nach Rayleighs Theorie, in der eine bestimmte
Beitrag von Helmholtz und Kirchhoff

Fügen Sie die folgende Passage hinzu:

In der Abhandlung "Hydrodynamik" (1738) stellte D. Bernoulli auf der Grundlage des Gesetzes zur Erhaltung der Arbeitskräfte eine Verbindung zwischen druck, niveau und bewegungsgeschwindigkeit Flüssigkeiten. Fünf Jahre später formulierte J. D'Alembert in seiner "Abhandlung über Dynamik" als erster allgemeine Regeln für die Erstellung von Bewegungsdifferentialgleichungen aller materiellen Systeme, um dynamische Probleme auf statische zu reduzieren. In seiner Abhandlung "Diskurs über die gemeinsame Ursache der Winde" wandte er dasselbe Prinzip an, um die Hydrodynamik zu untermauern.

L. Euler leitete in seiner Abhandlung "Allgemeine Prinzipien der Flüssigkeitsbewegung" (1755) als erster ein Gleichungssystem für die Bewegung einer idealen Flüssigkeit ab. Diese Abhandlung legte den Grundstein für die analytische Mechanik eines kontinuierlichen Mediums. Er stellte auch das Konzept vor geschwindigkeitspotential... Die Methoden von Euler und d'Alembert wurden von Lagrange verbessert. Lagrange (1781) fand dynamische Bedingungen, deren Erfüllung zur Existenz einer wirbelfreien Bewegung mit einem Geschwindigkeitspotential führt. Lagrange stellte fest, dass in einer Flüssigkeit ohne Viskosität keine Wirbel entstehen können, wenn sie nicht von Anfang an darin wären. Wenn es Wirbel gab, können sie nicht zerstört werden.

Im Jahr 1815 bewies Cauchy den Satz von Lagrange rigoros. Die Entwicklung von Methoden zur Lösung der Euler-Bewegungsgleichungen einer idealen Flüssigkeit ist charakteristisch für die Hydromechanik der ersten die Hälfte des XIX Jahrhundert. Das Auftreten der Hydrodynamik einer viskosen Flüssigkeit geht auf dieselbe Zeit zurück. 1858 wurde Helmholtz 'Arbeit "Über die Integrale der Gleichungen der Hydrodynamik, die Wirbelbewegungen entsprechen" veröffentlicht, in denen grundlagen der Wirbeltheorie... Diese Studie ist die größte Errungenschaft in der Fluiddynamik seit den Tagen von Euler und Lagrange.

Die von Helmholtz eingeführten Innovationen sind in den Abschnitten beschrieben Helmholtz. Teil 1 , teil 2 , teil 3 .

Die Grafik (Abb. 7) zeigt drei Kurven, die drei aerodynamischen Theorien entsprechen: 1 - Newton, 2 - Rayleigh und 3 - Karman. Der Autor des Buches nannte die letzte Kurve die entsprechende "moderne Theorie des Auftriebs" oder die Theorie verkehr... Die Abszisse ist der Anstellwinkel, d.h. der Neigungswinkel der Flügelebene; Die Ordinate ist die Kraft, die der Einfachheit halber in Einheiten von ρ angegeben ist U. ² L., wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit ist, U. - die Geschwindigkeit des relativen Flusses und L. ist die Breite der Flügelebene.

Feige. 7... Drei Kurven zum Heben,
entsprechend den Theorien von Newton, Rayleigh und Karman

Aus quantitativer Sicht antwortete die Theorie von Rayleigh und seinen beiden bemerkenswerten Vorgängern - Helmholtz und Kirchhoff - reale Situation noch weniger als Newtons Theorie. Es berücksichtigte jedoch das experimentell aufgezeichnete Ergebnis, das mit der Entstehung einer speziellen Zone über dem Flügel verbunden war. Außerdem hat sie das Paradoxon von d'Alembert überwunden. Erinnern wir uns, dass sich nach diesem Paradox herausstellte, dass ein Körper, der sich gleichmäßig in einem idealen Fluss bewegte, keinen Widerstand erlebte. Ein ideales Medium wurde als "mathematisches" Medium mit gasförmiger oder flüssiger Konsistenz ohne Viskosität verstanden. Dieses Problem des 18. Jahrhunderts verwirrte Theoretiker des 19. Jahrhunderts, die es jedoch nicht lösten.

Wir wiederholen also nach Newtons Theorie, dass die Flügelebene die sich bewegenden Jets mit ihren Kanten "abgehackt" hat, was eine signifikante Diskrepanz mit dem Experiment ergab. Nach der Theorie von d'Alembert, der einen absolut stromlinienförmigen Körper wie Cayleighs "Forelle" betrachtete (Abb. 4), wurde der Fluss nirgendwo unterbrochen, was für einen flachen Flügel eigentlich nicht der Fall war. Nach Rayleighs Theorie war die "Trennung" der Strömung vom sich bewegenden Flügel vorgesehen, aber das Ergebnis war auch fehlerhaft: Der von ihm berechnete Luftwiderstand und Auftrieb entsprachen nicht den experimentellen Daten. Eine angemessene Aerodynamik trat erst im 20. Jahrhundert auf, als Theoretiker und Praktiker in enger Zusammenarbeit zu arbeiten begannen. Theodor von Karman war dieser bemerkenswerte Forscher, der das Talent eines nachdenklichen Theoretikers und eines aufmerksamen Praktikers kombinierte.

Bisher haben wir über die Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment im Rahmen der Lösung des Problems der Bewegung von Flugzeugen gesprochen. Aber derselbe Rayleigh veröffentlichte 1878 einen Artikel, in dem ein Problem betrachtet wurde, das auf den ersten Blick nichts mit dem Flugzeugbau zu tun hatte. Der darin betrachtete Fall widerlegte erneut die paradoxe Schlussfolgerung, die D'Alembert vor mehr als hundert Jahren gezogen hatte. Rayleigh stellte fest, dass sein französischer Vorgänger im Prinzip Recht hat, wenn ein Zylinder durch eine ruhige horizontale Strömung gewaschen wird (Abb. 8a). Wenn in diesem Fall der Zylinder gezwungen wird, sich zu drehen, entsteht eine zusätzliche Kraft senkrecht zur Strömung, die den Zylinder zwingt, sich nach oben abzulenken (Abb. 8b).

Woher kommt die Kraft senkrecht zur Strömung? Am oberen Punkt A wird die Geschwindigkeit der Zylinderzirkulation zur Geschwindigkeit der horizontal fließenden Strömung addiert und somit übt die Oberfläche des Zylinders entweder weniger aus widerstand fließen oder beschleunigt es noch mehr. Am tiefsten Punkt B tritt die Subtraktion der Geschwindigkeiten auf, was einer Zunahme von entspricht widerstand... Der Zylinder folgt dem Pfad mit dem geringsten Strömungswiderstand, der sich oben auf dem Zylinder befindet. Daniel Bernoulli (1700 - 1782) erwies sich als Satz für eine ideale inkompressible Flüssigkeit: Je höher die Durchflussrate, desto niedriger der Druck und umgekehrt.

Rayleighs Experiment hängt also eindeutig mit dem Wert zusammen kupplung Strömung mit einer starren Zylinderoberfläche, die auch durch den Begriff charakterisiert werden kann reibung... Am Punkt A ist die Reibung minimal, am Punkt B maximal. Das Ausmaß an Reibung, Haftung oder Widerstand wirkt auf den Zylinder so, dass nahe Punkt A. druck Die Strömung auf einer zylindrischen Fläche erwies sich als geringer als in der Nähe von Punkt B. Von hier aus ist es nur ein Katzensprung zum Konzept stagnierende Luftzonegezeigt in Abb. 6 und Konzepte aufzugproportional zur Druckdifferenz über und unter der Flügelebene. Wie wir wissen, waren diese Konzepte zunächst nicht mit ihnen verbunden verkehreingeführt von Rayleigh.

Feige. 9... Gebogene Flügelprofile,
analysiert von Horatio Phillips

Am Ende des Jahrhunderts stellte Horace Phillips mithilfe eines Windkanals empirisch fest, dass der größte Auftrieb von Flügeln mit einer konvexen Oberfläche entwickelt wird, wie in Abb. 1 dargestellt. 9 und die vorderen und hinteren Punkte des Flügels sollten, wenn möglich, auf der gleichen Höhe liegen, d.h. bei einem Anstellwinkel von Null.

Feige. zehn... Von Alphonse Penot vorgeschlagenes Flugzeugmodell

Phillips 'Schlussfolgerungen wurden auch von Hermann von Helmholtz, der die Struktur von Vogelflügeln untersuchte, und Otto Lilienthal, der mit Segelflugzeugen experimentierte, bestätigt. Um dem Flugzeug mehr Stabilität zu verleihen, befestigte Alphonse Penot zusammen mit der optimalen Form der Tragflächen eine Heckeinheit am Rumpf seines Modells und platzierte einen Zugpropeller am Heck (Abb. 10).

Der englische Ingenieur Frederick W. Lanchester (1878-1946), der Automotoren entwarf und baute, war der erste, der die enge Beziehung zwischen Zirkulation und Aufzug klar erkannte. 1899 wurde er Geschäftsführer einer Pkw-Firma. Als vielseitiger Mensch begann er 1894, die Zirkulationstheorie zu entwickeln, und 1907 und 1908. veröffentlichte zwei seiner Bücher zu diesem Thema.

Er hatte die Idee - schreibt Karman -, dass wenn der Flügel durch seine Bewegung eine Zirkulation um sich herum erzeugt, die er "peripterische Bewegung" nannte, dann sollte er sich in diesem Fall wirklich wie ein Wirbel verhalten, dh den Fluss anregen Feld, auch als das Wirbelelement, definiert durch die Länge des Schwungs, würde tun. Also ersetzte er den Flügel angebrachter Wirbel;; "befestigt" bedeutet, dass es nicht wie eine Rauchwolke frei in der Luft schweben kann, sondern sich mit dem Flügel bewegt. Sein Kern ist der Flügel selbst. Nach dem Helmholtz-Theorem kann ein Wirbel jedoch nicht in der Luft beginnen oder enden: Er muss an der Wand enden oder eine geschlossene Schleife bilden. Daher kam Lanchester zu dem Schluss, dass es eine Fortsetzung geben muss, wenn der angebrachte Wirbel am Ende des Flügels endet, und diese Fortsetzung muss es sein freier Wirbel, "frei", weil es nicht mehr auf den Flügel beschränkt ist. Daher kann der Flügel durch ein Wirbelsystem ersetzt werden, das aus einem angebrachten Wirbel besteht, der sich mit dem Flügel bewegt, und freien Wirbeln, die an den Enden des Flügels entstehen und sich entlang der Strömung ausdehnen. Lanchester erkannte diese grundlegende Tatsache in der Form, wie sie in seiner Skizze des Wirbelsystems gezeigt ist, die in Abb. 1 wiedergegeben ist. elf .

Feige. elf... Lanchesters Darstellung des Wirbelsystems um den Flügel

Die Meisterschaft von Lanchester könnte jedoch vom russischen theoretischen Ingenieur Nikolai Yegorovich Zhukovsky in Frage gestellt werden. Zwischen 1902 und 1909 entwickelte er unabhängig von Lanchester die Theorie des Aufzugs.

Zhukovsky hat bewiesen, dass sich ein zylindrischer Körper mit einem beliebigen Querschnitt mit einer Geschwindigkeit bewegt U. in einer Flüssigkeit, deren Dichte ρ ist, und um sie herum gibt es eine Mengenzirkulation D.dann wird eine Kraft erzeugt, die gleich dem Produkt ρ ist UГ pro Einheit der Zylinderlänge. Die Richtung der Kraft ist senkrecht als Geschwindigkeit U.und die Achse des Zylinders.

So können wir das Phänomen des Auftriebs erklären, wenn es tatsächlich eine Zirkulation um den Körper gibt. Für den Leser, der gerne in mathematischen oder geometrischen Begriffen denkt, stelle ich fest, dass er die Definition der Zirkulation verallgemeinern kann, indem er den Durchschnitt der Tangentlang einer beliebigen geschlossenen Kurve, die den Körper umgibt, mit der Bogenlänge dieser Kurve multipliziert . Wenn der Durchfluss nicht rotierend ist, hat dieses Produkt unabhängig von der Wahl der Kurve den gleichen Wert. Wir haben also eine allgemeine Definition der Zirkulation, die auf der Grundlage eines Zirkulationsflusses mit kreisförmigen Stromlinien verallgemeinert wird. Wenn wir eine geschlossene Kurve nehmen, die den Körper nicht bedeckt, sondern nur die Flüssigkeit umgibt, ist die Zirkulation um die Kurve Null.

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• Z. Zeitlin... Vortex-Theorie der Materie, ihre Entwicklung und Bedeutung
• Z. Zeitlin... Wirbeltheorie der elektromagnetischen Bewegung - 235
• Kosmische Wirbel (Äther, Teil 5)

1. Pocket, T. von. Aerodynamik. Ausgewählte Themen in ihrer historischen Entwicklung. - Ischewsk, 2001.
2. Lebedinsky A.V., Frankfurt U.I., Frank A.M. Helmholtz (1821 - 1894). - M.: Nauka, 1966.

Vielseitige Wirbel

Wirbel sind eine der Hauptformen der Flüssigkeitsbewegung. Ihre Struktur und Größe sind überraschend unterschiedlich. Wirbel entstehen in technischen Strukturen, Geräten, Mechanismen sowie in Flüssen, Meeresströmungen, atmosphärischen Strömungen ... Sie können unsere Helfer sein, wie zum Beispiel bei der Erzeugung des Auftriebsschubs von Flugzeugen, aber sie können auch Feinde sein und zerstörerische Phänomene von enormer Kraft wie Hurrikane und Tornados erzeugen. Wirbelströme haben viele einzigartige Eigenschaften ...

Dahls erklärendes Wörterbuch der großen russischen Sprache enthält viele Synonyme des Wortes "Wirbelwind", die für sich selbst sprechen: einen Kreis, eine Wendung, eine Windmühle, einen Säulenwind, sogar eine verdammte Hochzeit ... Aber für einen modernen Stadtbewohner ist die Die bekannteste Art der Wirbelbewegung ist wahrscheinlich ein Whirlpool, der entsteht, wenn Wasser aus dem Bad fließt.

Manchmal können Wirbelspuren am Himmel beobachtet werden - nach einem fliegenden Düsenflugzeug. Wirbel entstehen, wenn der Luftstrom um den Flugzeugflügel strömt. Zusätzlich wirbeln Jets von Strahltriebwerken eines Flugzeugs, Rumpfwirbel (die an der Verbindung des Flügels mit dem Rumpf gebildet werden) zusammen mit der sogenannten instabilen Scherluftschicht hinter dem Flügel zu ziemlich starken Endwirbeln. Letzteres ist beispielsweise hinter einem in geringer Höhe fliegenden Agrarflugzeug zu sehen, das unter den Flügeln Insektizide durch das Gerät sprüht, die als eine Art "Marker" für die Wirbelbewegung dienen.

Fußspuren am Himmel

Die Wirbelspur, die entsteht, wenn die Luft um einen Flugzeugflügel strömt, enthält normalerweise Wirbelstrukturen mit unregelmäßiger Form mit vielen kleinen Wirbeln mit in Flugrichtung ausgerichteten Achsen. Solche Wirbel sind in laserbildeten Bildern eines Flugzeugflügels zu sehen.

Die Endwirbel hinter dem Flugzeug werden durch die Abgase von Düsentriebwerken sichtbar, wenn mit hoher Reisegeschwindigkeit geflogen wird. Bei der Verbrennung von Flugkraftstoff (Kerosin) in einem Motor entstehen Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickoxide und Ruß. In den Höhen, in denen Flugzeuge fliegen, ist die Temperatur niedrig, sodass Wasserdampf auf Partikeln kondensiert und infolge verschiedener physikalischer Prozesse (Gefrieren, Verdampfen, Sublimation) Mikrotröpfchen oder Mikrokristalle bildet. Letztere werden in die Spitzenwirbel hineingezogen, wodurch hinter dem Flugzeug lange weiße Kondensationsfahnen auftreten, die oft bei klarem Himmel zu sehen sind.

Wie lange ein solcher Weg dauern wird, hängt von vielen Faktoren ab, hauptsächlich von Temperatur, Windrichtung und Luftfeuchtigkeit. Manchmal löst sich die Wolke nach einigen Minuten auf, in einigen Fällen erreicht ihre "Lebensdauer" mehrere Stunden. Es wird auch bemerkt, dass sich der Kondensationsweg unter bestimmten Bedingungen in Strukturen wie Wirbelringe zersetzt.

Dieses Phänomen wird üblicherweise genannt kräheninstabilität benannt nach dem amerikanischen Wissenschaftler S.K.Crow, der 1970 erstmals eine analytische Beschreibung der Anfangsstadien dieses Prozesses gab. Crowe zeigte, dass die Wechselwirkung zweier Endwirbel zu einer Verstärkung der sogenannten Verschiebungsstörungen führen kann, deren Wellenlänge in axialer Richtung üblicherweise um ein Vielfaches größer ist als der Anfangsabstand zwischen den Wirbeln. Später, 1977, untersuchten die französischen Forscher T. Luke und S. Williamson dieses Phänomen in einem Laborexperiment und bestätigten Crowes Schlussfolgerungen vollständig.

Der von Karman-Wirbel

Andere Wirbel können in der Atmosphäre beobachtet werden. Zum Beispiel mit dem Landsat 7-Satelliten, dem sogenannten karman Wirbelstraße - groß, auf der Leeseite der Insel Alexander Selkirk (Juan Fernandez-Archipel), im Pazifik, etwa 800 km westlich von Chile.

Der ungarische Wissenschaftler Theodor von Karman entdeckte 1911 als erster die Bildung einer speziellen Wirbelfolge beim Umströmen eines Kreiszylinders, dessen Achse senkrecht zur entgegenkommenden Strömung verläuft, und beschrieb die Bedingungen für seine Entstehung.

Im Fall der Insel Alexander Selkirk möchte ich zwei Punkte erwähnen. Erstens wäre diese Folge entgegenkommender Wirbel ohne den Einsatz von Satellitentechnologie niemals entdeckt worden. Zweitens ist es überraschend, dass eine so kleine Felseninsel (ihre Fläche beträgt etwa 44 km2 und die Spitze des größten 1319 m hohen Berges erreicht leicht die Wolken) die Bildung eines so großen Wirbelpfades provozierte.

Karman-Wirbelstraßen werden bis heute untersucht, da die periodischen Emissionen solcher Wirbel so stark sind, dass sie Schwingungen verursachen können ( resonanz) in einer Vielzahl von Objekten. Die Zerstörung der Tacoma-Narrows-Brücke (Washington State, USA) durch einen solchen Wirbelwind im Jahr 1940 bestätigt ihre Gefahr.

Vortex-Bahnen können eine unglaubliche Vielfalt an Konfigurationen aufweisen. Zur Bestätigung geben wir nur ein Beispiel an, nämlich die Untersuchung von G. Erhardt von unserem Aerodynamischen Institut (Aachen, Deutschland) im Jahr 1979 über Wirbelstrukturen, die während des Durchgangs eines Luftstroms innerhalb und um einen Ring im rechten Winkel zu gebildet werden der Fluss. Die Wirbel, die von den Innen- und Außenkanten eines solchen Rings ausgehen, sind gepaarte Wirbelringe, deren Form den Wolken auf der Leeseite der Insel Alexander Selkirk ähnelt. Offensichtlich hat die Größe des Rings, gemessen in Zentimetern, absolut keinen Einfluss auf den Beginn der Wirbelstraße. Daher "funktioniert" es wie eine Insel, deren Länge mehrere Kilometer von einer Küste zur anderen beträgt.

Killer-Hurrikane

Obwohl Tornados, Zyklone, Hurrikane und Tornados nicht direkt mit dem Thema unserer Studie zusammenhängen, können sie in einem bestimmten Stadium ihrer "Evolution" auch als schwache Wirbel betrachtet werden - bis sie an Stärke gewinnen und sich zu tödlichen Hurrikanen entwickeln, wie z in den USA oft erwähnt.

Von Zeit zu Zeit bilden sich über Europa kleine trichterförmige Wolken - sie sind auf den Bildern des Wetterdienstes zu sehen. Trichter können sich vom Boden bis zur Spitze der Wolken erheben. Wenn sie zu einem Hurrikan heranwachsen, kann die Windkraft in ihnen eine Billion Watt überschreiten! In den letzten Jahren immer häufiger auftretende Hurrikane können weite Gebiete zerstören, wie es 2005 in den USA geschehen ist, wo New Orleans vom Hurrikan Katrina überflutet wurde.

Kleine Wirbel können unter Laborbedingungen ähnlich der bereits erwähnten Karman-Wirbelstraße simuliert werden. So gelang es den Wissenschaftlern des Aerodynamischen Instituts 1990, T. Sawada und T. Luke, schwache Wirbel in Form von beginnenden Wirbelstrukturen in einem Glasbehälter mit quadratischem Querschnitt zu erhalten, der mit Wasser gefüllt und durch eine darauf befestigte Platte ergänzt wurde die Behälterwand. Anfängliche Wirbel wurden erhalten, indem die Platte um einen bestimmten Winkel gedreht wurde. Um die Strömung sichtbar zu machen, wurden mehrfarbige Farbstoffe von der Hinterkante der Platte in sechs axialen Richtungen in das Wasser injiziert. Die Strömung wurde in zwei beleuchteten Ebenen fotografiert - parallel und senkrecht zur Wirbelachse.

In einer Reihe von Fotografien, die dank der Farbstoffe im Profil aufgenommen wurden, sind alle Stadien des Ursprungs, der Entwicklung und schließlich der Zerstörung des anfänglich "dünnen" Wirbels aufgrund der dadurch induzierten axialen Bewegung deutlich sichtbar. Die Zerstörung der Strömungsstruktur in der Mitte des Wirbels ist auf den von Angesicht zu Angesicht aufgenommenen Fotos deutlich zu sehen - in einer Ebene parallel zur Achse des Wirbels. Diese Fotos ähneln in gewisser Weise Hurrikanbildern von Satelliten oder Raumstationen. In der zweiten Versuchsreihe wurde der Behälter um 90 ° gedreht, so dass die Achse der Platte eine vertikale Position einnahm. Die obere Wand des Behälters wurde entfernt und Quarzsand wurde auf den Boden gegossen. Dann begannen sie, die Bildung eines Wirbels in einer Flüssigkeitsschicht über dem sandigen Boden zu untersuchen - in diesem Fall spielte Sand die Rolle eines Farbstoffs, eines Markers für die Wirbelbewegung.

Während sich die Platte drehte, trat wie im vorherigen Experiment ein anfänglicher Wirbel im Wasser auf. Dann wurden auch zwei andere Wirbel gebildet, viel schwächer als der erste. Obwohl der Quarzsand ziemlich schwer ist, fiel der Druck in der Mitte der Wirbel so stark ab, dass der Sand angesaugt und angehoben wurde. Bei relativ hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Platte blieb der Kern des Wirbels in einem bestimmten Abstand vom Boden praktisch geradlinig und verdrehte sich darüber zu einer Spirale. In nachfolgenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass mit einem starken Wirbel der Wirbelkern in einem vollen Kreis geschlossen werden kann.

Ähnliche Verformungen des Wirbelkerns wurden auch unter natürlichen Bedingungen beobachtet - im Fall eines Tornados. So gab A.B.S.Whipple in seinem Buch "Hurricane" eine Reihe von Bildern, die die Entwicklung eines Tornados am 6. Juli 1978 in North Dakota (USA) zeigten. Der trichterförmige Kern des Tornados, der aufgrund des Vorhandenseins von Wasserdampf sichtbar war, hatte fast die Form eines Kreises, wie im oben beschriebenen Experiment.

Blase und Spirale

Das Phänomen, bei dem der Kern des Wirbels von einer geraden Linie abzuweichen beginnt und sich zu einer Spirale verdreht, wird als Zerstörung des Spiralwirbels bezeichnet. Es tritt auch in anderen Arten von Strömen auf, beispielsweise in Turbostrahltriebwerken. Ein Beispiel für eine solche Wirbelströmung ist die von Schweizer Wissenschaftlern untersuchte Wirbelströmung in einem Turbinendiffusormodell. Der Kern des Wirbels, der beim Durchgang des Diffusors auftritt, ist deformiert und nimmt die Form einer Spirale an.

Ein weiteres Beispiel ist eine Wirbelströmung in einer Rohrleitung mit variablem Querschnitt, deren Zerfall durch einen Druckanstieg in der Rohrleitung in axialer (axialer) Richtung verursacht wird. Es ist anzumerken, dass der Vorgänger der Zerstörung eines Spiralwirbels oft eine andere Art der Auflösung ist - die Blase. Es ist diese „Blase“, die sich im Flüssigkeitsstrom in der Rohrleitung bildet. Erstens erscheint eine Wirbelstruktur in Form von gepaarten Ringen, von denen sich einer stromabwärts der Blase befindet („stromabwärts“) und der andere stromaufwärts. Der Druck in der Rohrleitung steigt an, bis sich darin ein Stagnationspunkt bildet, unterhalb dessen sich die Flüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen beginnt.

Vor dem Beginn der Zerstörung wird die Blase fast symmetrisch um ihre Achse, aber dann bricht der stromabwärtige Wirbel ab und bewegt sich stromabwärts. Die Symmetrie geht verloren, der Wirbelring, der die Hochdruckzone unterhalb des Staupunkts der Strömung verlässt, wird zerstört. Der Kern des Wirbels ist spiralförmig um die Hochdruckzone gedreht - die Strömung beginnt spiralförmig zu kollabieren. Interessanterweise sind die Bedingungen, die den Übergang vom Blasenzerfall zum Spiralzerfall bestimmen, noch unbekannt, obwohl solche Strömungen in Rohren in den letzten zwanzig Jahren aktiv untersucht wurden.

1978 führten die Amerikaner J. H. Faeler und S. Leibovich dieses Experiment so durch, dass sowohl die Blase als auch der Wirbelring an derselben Stelle stabil im Fluss blieben. Und es dauerte fast zwanzig Jahre, bis eine solche Paarkonfiguration des Wirbelzerfalls mit einem leistungsstarken Computer simuliert werden konnte - nachdem eine numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichung erhalten worden war, die den Fluss einer viskosen Flüssigkeit beschreibt. Das Experiment von Fähler-Leibovich wurde von M. Weimer vom Aerodynamic Institute wiederholt, der zeigte, dass die Blase nach der Bildung eines Stagnationspunktes auf der Achse des Strömungswirbels zunächst etwas stromaufwärts „wandert“ und dann darin bleibt ein ständiger Ort.

Flugzeuge und Raumschiffe

Die Zerstörung von Wirbeln kann auch an den Flügeln von Überschallflugzeugen und Transportraumfahrzeugen auftreten, die normalerweise eine dreieckige Form haben. Solche Flügel erzeugen auf der Leeseite Wirbelsysteme - aufgrund dessen nimmt ihr Auftrieb bei hohen Anstellwinkeln (Neigung des Flügels zur Fluglinie) zu. Ein solches Wirbelsystem besteht aus einem großen Primärwirbel, zwei oder drei kleineren Sekundärwirbeln, Wirbeln dritter (und manchmal vierter) Ordnung sowie einer Scherschicht. Aufgrund des geringen Drucks im Kern des Primärwirbels nimmt der Auftrieb des Flügels nichtlinear zu.

Bei hohen Anstellwinkeln steigt der Druck in der Hauptströmung auf der Oberseite des Flügels in Richtung seiner Hinterkante an - dies beeinflusst die Struktur der Wirbelbewegung. Und wenn der Druck schnell ansteigt, bricht der Primärwirbel auf.

V. Limberg und A. Stromberg, Forscher des Aerodynamischen Instituts, haben an einem Modell eines Transportraumsystems unter Verwendung der Strömungsvisualisierungsmethode gezeigt, dass die für Wirbelströmungen in Rohren beschriebenen Wirbelzerfallsregime auch auf der Leeseite eines solchen "arbeiten" Raumfahrzeug.

Verzweigte Rohre

Die ersten Arbeiten zur Berechnung der Eigenschaften des Flüssigkeitsflusses in Rohren wurden vor mehr als 150 Jahren von G. Hagen und J. Poisel veröffentlicht. Es scheint, dass seitdem fast alles, was in diesen Strömungen geschieht, einschließlich der Bildung von Wirbelstrukturen, durch die von diesen Wissenschaftlern abgeleiteten Gleichungen beschrieben werden könnte. Bei gebogenen oder verzweigten Rohren ändert sich die Situation jedoch radikal.

Obwohl das Problem im ersten Fall nur durch die Krümmung des Rohrs kompliziert wird, verändert dies das gesamte Bild erheblich. Es ist noch schwieriger, die Strömung in verzweigten Rohren zu beschreiben - für sie kann es je nach Richtung und Intensität der Flüssigkeitsbewegung mehrere Strömungsregime gleichzeitig geben. Dieses Problem wurde 1990 von Wissenschaftlern des Aerodynamischen Instituts R. Nykes und B. Bartmann eingehend untersucht, die unter verschiedenen Winkeln verbundene Rohre verwendeten.

Ein gebogener Rohrzweig mit variablem Querschnitt erzeugt beispielsweise eine Sekundärströmung, die von Abschnitt zu Abschnitt variiert. Wenn es mit dem Hauptstrom interagiert, werden mehrere "geflochtene" Flüssigkeitsströmungslinien gebildet. Dies deutet darauf hin, dass die Wirbel in der Strömung auf die Biegung des Rohrs zurückzuführen sind, was durch die farbigen Strömungsbilder belegt wird. Eine Verdrehung der Fluidströmungsleitungen wird auch beobachtet, wenn der Zweig in einem rechten Winkel mit dem Hauptrohr verbunden ist. Die Bildung einer extrem instabilen Wirbelstruktur wird auch beobachtet, wenn die Strömung von beiden Enden des Hauptrohrs kommt.

Ringförmige und hufeisenförmige Wirbelstrukturen, die periodisch in einem verzweigten Rohr gebildet werden, bewegen sich dann zusammen mit der Hauptströmung. In diesem Fall hängt die Häufigkeit der Bildung von Wirbeln stark vom Volumenstrom der Flüssigkeit und ab reynolds-Zahlen (das Verhältnis der charakteristischen Trägheitskräfte und der Viskosität).

Wirbelwinde in einem Automotor

In den letzten Jahren wurde die Erforschung von Wirbelstrukturen in einer so wichtigen angewandten Richtung wie der Verbesserung von Kraftfahrzeugmotoren durchgeführt. Wissenschaftler versuchen, die Effizienz der Verbrennung von Autokraftstoff durch die Erzeugung von Wirbelringen zu steigern, wodurch der Kraftstoff anders als bei der herkömmlichen Einspritzung im Zylinder verteilt werden kann.

Die erste Untersuchung der Strömung in Kolbenzylindern erfolgte 1988 durch H. Weiss vom Aerodynamic Institute. Er schuf einen Prüfstand mit einem transparenten Zylinder, in den mit Hilfe eines Kolbens Wasser gesaugt und ein fluoreszierender Farbstoff durch den Schlitz des offenen Ventils injiziert wurde, um den Durchfluss zu beobachten. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass während des Saughubs zwei Wirbelringe im Zylinder gebildet wurden.

Später wurde dieses Experiment mit numerischen Methoden von A. Abdelfattah, einem Kollegen von Weiss, simuliert. Einige Jahre später gelang es Abdel Fattahu und seinen Mitarbeitern, das Problem einer effizienteren Verteilung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder zu lösen, wodurch der Kraftstoffverbrauch im Auto gesenkt werden konnte. Bis 2003 wurde diese Entwicklung im BMW Werk München auf die Stufe des industriellen Einsatzes gebracht.

Abschließend möchte ich noch einmal betonen, dass wir uns in verschiedenen Situationen mit Wirbelstrukturen auseinandersetzen müssen. Natürlich wissen wir heute nicht alles über Wirbel, und ihre Forschung wird noch viele Jahre andauern. Die Informationen aus diesem Artikel können jedoch dazu beitragen, diese schönen und nicht immer vorhersehbaren physikalischen Phänomene besser zu verstehen. Wie jede einzigartige Schöpfung der Natur können Wirbel unsere Vorstellungskraft anregen und uns ermutigen, nach Antworten auf immer mehr neue Fragen zu suchen.