ישנם שני סוגי מדחפים:

מדחף פסיעה קבועה זהו מדחף אשר זווית התקיפה שלו קבועה, את שינוי המהירות כלי השיט מבצעים על ידי שינוי מהירות סיבוב הלהבים.

מדחף פסיעה משתנה במדחף זה ניתן לשנות את זווית התקיפה של הלהבים, כך שניתן לשנות את מהירות כלי הרכב על ידי שינוי זווית התקיפה, פעולה המקטינה את בלאי המנוע (כאשר יש צורך בנסיעה לאחור אין צורך להפעלת מנוע בכיוון הפוך אלא רק בשינוי זווית התקיפה). מדחף מסוג זה מותקן גם במסוקים (כרוטור ראשי), בהם הזווית משתנה גם תוך כדי תנועת הרוטור וגם עקב פקודה ידנית. כמו כן מותקנים מדחפים כאלה במטוסי נוסעים ותובלה, כאשר היפוך הפסיעה משמש לעצירת המטוס בנחיתה, מיד לאחר הנגיעה במסלול.

אווירודינמי – משטח המייצר עילוי : כנפיים. מייצב גובה. מייצב כוון. מדחף. גוף המטוס.

 

מטוסים בעלי מוטת כנפיים ארוכה הם לרוב יעילים יותר, מפני שהם סובלים פחות מהתנגדות מושרית והמערבולות בקצות כנפיהם אינן משפיעות רבות על הכנף. עם זאת, כנפיים ארוכות משמען שלמטוס יש מומנט התמדה גדול יותר בציר האורך שלו ולכן הוא אינו יכול לפנות ולתמרן במהירות. לפיכך, למטוסי קרב ולמטוסי אירובטיקה יש מוטת כנפיים קצרה יחסית וזאת במטרה לשפר את יכולת התמרון.

מאחר שכוח העילוי שכנף מייצרת פרופורציוני לשטח הכנף, במטוסים בעלי כנפיים קצרות נדרש רוחב הכנף להיות גדול יותר. יחס אורך הכנפיים של מטוס לרוחבן חשוב מאוד בקביעת מאפייני טיסתו. מהנדסי תעופה מכנים ערך זה "יחס אורך-רוחב של הכנף".

מהירות הזרימה היחסית/רוח יחסית - זרם האוויר יכול להתקבל כאשר המטוס עומד על הקרקע ורוח נושבת מולו.אם חזקה דייה המטוס יתרומם לאוויר וייפול (כי רגע שבאוויר שוב אין זרימה יחסית).זרם האוויר יכול להתקבל מתנועת המטוס בתוך גוש האוויר. כלומר שתנאי לעילוי הינו תנועת המטוס בתוך גושהאוויר ויצירת רוח יחסית מעצם תנועתו.מהירות אוויר אמיתית – המהירות היחסית שבין גוף נע בתוך גוש אוויר, לבין גוש האוויר.כל המהירויות שלהלן הן "מהירות אוויר אמיתית", אלא אם נאמר אחרת.

מינוח של פרופילים אווירודינמיים

 

מינוח של פרופיל אווירודינמי

להלן מספר מונחים הקשורים לפרופילים אווירודינמיים:[5]

• משטח עליון (upper surface): בד"כ נתון למהירות גדולה יותר ולחץ נמוך יותר.

• משטח תחתון (lower surface): בד"כ נתון למהירות קטנה יותר ולחץ גדול יותר. הפרש הלחצים בין המשטחים תורם לעילוי.

• שפת המתקפה (leading edge): הנקודה בחלק הקדמי של הפרופיל בה העקמומיות מקסימלית (רדיוס עקמומיות מינימלי).

• שפת הזרימה (trailing edge): כמו שפת ההתקפה רק עבור החלק האחורי של הפרופיל.

• מיתר אווירודינמי (chord line): קו ישר המחבר בין שפת ההתקפה לשפת הזרימה. אורך המיתר מסומן בד"כ c. אורך המיתר הוא האורך האופייני של הפרופיל.

• קו העקימון (camber line): קו משפת ההתקפה לשפת הזרימה הנמצא במרחק שווה משני משטחי הפרופיל. צורתו תלויה בהתפלגות העובי לאורך המיתר.

• עובי הפרופיל משתנה לאורך המיתר. ניתן להעריך עובי על סמך שתי דרכים:

  • בניצב למיתר.[6] נקרא "המוסכמה הבריטית".

  • בניצב לקו העקימון.[7][8] נקרא "המוסכמה האמריקאית".

בנוסף, פרמטרים חשובים לתיאור התנהגות הפרופיל בתנועה בזורם הם:

• המרכז האאוירודינמי: המרחק לאורך המיתר משפת ההתקפה, בו המומנט איננו תלוי במקדם העילוי או בזווית ההתקפה. בנקודה זו .

• מרכז הלחץ: המרחק לאורך המיתר משפת ההתקפה, בו המומנט מתאפס.

באווירודינמיקה, פרופיל אווירודינמי הוא צורת החתך של הכנף (של פרופלור, רוטור או טורבינה). גם למפרשים מייחסים פרופיל אווירודינמי.

 

 

פרופיל אווירודינמי אופייני

צורת הפרופיל האווירודינמי היא אחד הפרמטרים החשובים המשפיעים על ביצועים של מטוס כמו יצירת כח העילוי וכח הגרר כתוצאה מזרימת אוויר על הפרופיל. גוף בעל פרופיל אווירודינמי אשר נע בזורם מייצר כוח אווירודינמי. כוח זה נגרם עקב תנועה יחסית בין הגוף והזורם. באופן כללי ניתן לחלק את התרומות לכוח זה לתרמה מלחץ על שפת הגוף (כוח עילוי) בכיוון המאונך אליה ותרומת גזירה עקב צמיגות (כוח גרר). פרופילים אווירודינמיים של כלים תת-קוליים בד"כ מתאפיינים בשפת התקפה עגולה, שפת זרימה חדה ואסימטריה בין המשטח העליון והמשטח התחתון. פרופיל בעל תפקוד דומה בו מים הם הזורם נקרא סנפירית.

העילוי על גבי הפרופיל הוא תוצאה ישירה של זווית ההתקפה שלו וצורתו הגאומטרית. כאשר הפרופיל מוטה בזווית מסוימת, ומשפיע על הזרימה המגיעה אליו, פועל כוח ההפוך בכיוונו לכיוון ההסטה של הזורם. כוח זה נקרא כוח אווירודינמי. רוב הפרופילים זקוקים לזווית הטייה כלשהי כדי ליצור עילוי, אך פרופילים אי-סימטריים יכולים לעשות זאת גם ללא זווית התקפה. ההסטה של הזורם בקרבת הפרופיל גורמת לקווי זרימה מוטים. כתוצאה מכך מקבלים הפרש לחצים בין שני צידי הפרופיל (וגם הפרשי מהירויות, עפ"י משוואת ברנולי). ע"י שימוש בעיקרון הסירקולציה, תאוריית קוטה ג'קובסקי, והפרשי המהירויות בין הצד העליון והתחתון של הפרופיל, ניתן לחשב את כוח העילוי.

 

כנפי מטוסים

 

בניגוד לכנפיים של בעלי חיים, כנפיהם של מטוסים אינן נעות, ולפיכך עליהן לספק עילוי רק עקב צורתן. עבור מטוס שנמצא בתנועה, הכנפיים דוחות כמות מסוימת של אוויר, כלומר הן מפעילות כוח על האוויר. עקב חוק הפעולה והתגובה, האוויר מפעיל על הכנפיים כוח בחזרה. כמות האוויר הנדחה מהכנפיים כלפי מטה וכלפי מעלה תלוי בצורתן ובזווית בה הן מוצבות. עילוי יתרחש כאשר הכוח שמפעיל האוויר מתחת לכנף כלפי מעלה יהיה גדול מהכוח שמפעיל האוויר מעל הכנף כלפי מטה. הלחץ מעל כנף שפועל עליה כוח עילוי יהיה קטן מהלחץ תחתיה.

בכלי טיס מודרניים, כנפי המטוס עשויות - כמו גוף המטוס עצמו - מסגסוגות אלומיניום ומגנזיום, שתי מתכות קשיחות וקלות. הכנפיים החלולות מכילות את רוב הדלק המשמש את מנועי המטוס; בתוכן עוברת רשת מסועפת של צינורות המובילים את הדלק מהכנף אל המנוע. הכנפיים משמשות במטוסים רבים לנשיאת המנועים עצמם, ולעתים גם מכלי דלק וחימוש.

כנפי מטוסים מעוצבות בצורות שונות, בהתאם לביצועים ולמהירות הנדרשת מהמטוס. כנפי דלתא, למשל, הן בצורת משולש ישר-זווית, כמו במטוסי הכפיר והלביא הישראליים וומטוסי המיראז' 3 והקונקורד הצרפתיים, כנפי דלתא יעילות במיוחד לטיסות במהירות על-קולית גבוהה. למטוסים אחדים, כגון ה- F-14, וה- F-111 של הצי האמריקני והסוחוי 17 הרוסי, כנפיים בעלות גאומטריה משתנה, המסוגלות במצבן הפרוש להיות כמעט מאונכות לגוף המטוס ובמצבן המכונס להיצמד לגוף המטוס. המצב המכונס מיועד למהירויות גבוהות, והפרוש למהירויות נמוכות. כנפיים בעלות גאומטריה משתנה משלבות את היתרונות של כנפי דלתא ושל הכנפיים המסורתיות, אולם המנגנון הגורם להן לנוע הוא כבד, יקר, מסובך ומועד לתקלות; עקב כך הופסק ייצורם של מטוסים עם כנפיים בעלי גאומטריה משתנה בשנות ה-80, וכיום מחליפות אותן טכנולוגיות חדשות.

 

ירודינמיקה

אווירודינמיקה היא ענף במכניקת הזורמים העוסק בחישוב הכוחות והמומנטים הפועלים על גוף בגלל זרימת אויר סביבו. חישוב כזה מותנה בהבנת שדה הזרימה סביב הגוף. תכונות שדה הזרימה נתונות על ידי המהירות, הלחץ, הצפיפות והטמפרטורה של האוויר בכל נקודה בסביבת הגוף ובכל זמן. אפשר למצוא את התכונות האלו באופן תאורטי או על ידי ניסוי. בניסוי מודדים את תכונות הזרימה, בדרך כלל ב נקבת רוח, אם כי יש גם אפשרות לבצע מדידות בתנאים יותר ריאליסטיים. התוצאות מוצגות על ידי גרפים או נוסחאות אמפיריות של חלק או כל תכונות שדה הזרימה. מובן שלמדידה בנקבת רוח יש מגבלות ולפעמים יש קושי להסיק ממדידה כזו מה תהיינה תכונות הזרימה כאשר הן נדרשות בתנאים אמיתיים. באופן תאורטי יש צורך לנסח משוואות המתארות את חוקי השימור של המסה, המומנטום והאנרגיה עבור שדה הזרימה הנידון. פתרון המשוואות יכול להיעשות באופן אנליטי (פתרון מתמטי מדויק של המשוואות), בעזרת הפשטות וקירובים, או על ידי חישובים מספריים (CFD).

 

מערכת אווירודינמית

מכיוון שרוב המערכות שנחקרות אינן סגורות אלא חדירות, מגדירים שני גדלים דמיוניים: "נפח בקרה" ו"מעטפת בקרה" עבור מערכות פתוחות:

נפח בקרה (Control Volume) - חלל בעל גבולות שרירותיים שמיקומו וצורתו יכולים להשתנות בזמן.

משטח בקרה (Control Surface) - שטח הפנים של נפח הבקרה.

דוגמה לכך הנה חלק מצינור שבתוכו מתקיימת זרימה. נוכל להגדיר את נפח הבקרה בתור הגליל הגדול ביותר המוכל בתוך הצינור ואז נוכל לומר שדרך שטח המעטפת לא עוברת מסה.

כוחות אווירודינמיים על מטוס

אחד מהיעדים המרכזיים של האווירודינמיקה הוא לחזות את הכוחות האווירודינמיים הפועלים על מטוס.

ארבעת הכוחות הבסיסיים הפועלים על מטוס ממונע הם: עילוי, משקל, דחף וגרר.

 

כוחות אווירודינמיים הפועלים על מטוס

המשקל הוא הכח הנוצר כתוצאה מכח המשיכה והדחף הוא הכוח שנוצר על ידי המנוע. עילוי וגרר הם כוחות הנוצרים כתוצאה מהתנועה היחסית של הגוף באוויר. עילוי מוגדר ככח אווירודינמי הפועל בניצב לזרימה היחסית של האוויר ואילו הגרר מוגדר ככח האווירודינמי הפועל במקביל לזרימה היחסית. העילוי מוגדר כחיובי כאשר הוא פונה כלפי מעלה ואילו הגרר מוגדר כחיובי כאשר הוא מופעל אחורנית.

זווית התקפה

בדיאגרמה זו החצים השחורים מייצגים את כיוון הרוח. הזווית α היא זווית ההתקפה

זווית התקפה (angle of attack-AOA), בכלי תעופה היא הזווית שבין משטח אווירודינמי מסוים (כנפיים, זנב, קנרד וכדומה) לבין כיוון הרוח היחסית בכיוונו. במילים אחרות, זווית התקפה נמדדת בין המיתר לבין כיוון התקדמותו.

קיימת הפרדה ביו זווית התקפה של כנף לזווית התקפה של מטוס, בעוד זאת של הכנף מתייחסת לזווית בין הפרופיל הממוצע בכנף למהירות הזרימה המציפה, זווית התקפה של מטוס מתייחסת לזווית הנוצרת בין הציר האורכי של מטוס לזרימה המציפה. בהינתן שהמבנה של המטוס ידוע, ניתן מזווית כללית זאת להגיע לזוויות ההתקפה הנוצרות על הכנפונים השונים.

המונח רלוונטי בעיקר לגבי התקדמות בחלל המכיל גז או נוזל. ככל שגדלה זווית ההתקפה, כך גדל כוח התגובה של הגז או הנוזל המופעל על המשטח. כיוון הכוח הוא השקול שבין כיוון ההתקדמות לזווית ההתקפה, ובמקרה של כלי טיס גדל כוח העילוי ככל שגדלה זווית ההתקפה של הכנף או להב המדחף או הרוטור, אך רק עד גבול מסוים שנקרא "זווית הזדקרות", שמעבר לו קטן כוח העילוי עד אפס.

זווית ההתקפה הגבוהה ביותר עד היום, שבה מטוס נשאר יציב לאורך יותר מ-10 שניות היא 89.8°, שהושגה על ידי סדרת המטוסים ממשפחת Su-37/Su-35 הרוסית.

שימושים

השימוש העיקרי בזויות התקפה מופיע במשואת הכוחות הנוצרים על גוף בזרימה מציפה. ככלל ניתן להגיד שככל שזווית ההתקפה גדולה יותר, הכוח שיפעל על הגוף יהיה גדול יותר, אבל בזווית התקפה גדולה, הזרימה מתנתקת מהגוף בתהליך הקרוי "הזדקרות" והגוף מאבד את הכוחות שפועלים עליו. כוח עלוי על פרופיל ניתן על ידי

 

פרופיל אווירודינמי

באווירודינמיקה, פרופיל אווירודינמי הוא צורת החתך של הכנף (של פרופלור, רוטור או טורבינה). גם למפרשים מייחסים פרופיל אווירודינמי.

 

פרופיל אווירודינמי אופייני

צורת הפרופיל האווירודינמי היא אחד הפרמטרים החשובים המשפיעים על ביצועים של מטוס כמו יצירת כח העילוי וכח הגרר כתוצאה מזרימת אוויר על הפרופיל. גוף בעל פרופיל אווירודינמי אשר נע בזורם מייצר כוח אווירודינמי. כוח זה נגרם עקב תנועה יחסית בין הגוף והזורם. באופן כללי ניתן לחלק את התרומות לכוח זה לתרמה מלחץ על שפת הגוף (כוח עילוי) בכיוון המאונך אליה ותרומת גזירה עקב צמיגות (כוח גרר). פרופילים אווירודינמיים של כלים תת-קוליים בד"כ מתאפיינים בשפת התקפה עגולה, שפת זרימה חדה ואסימטריה בין המשטח העליון והמשטח התחתון. פרופיל בעל תפקוד דומה בו מים הם הזורם נקרא סנפירית.

העילוי על גבי הפרופיל הוא תוצאה ישירה של זווית ההתקפה שלו וצורתו הגאומטרית. כאשר הפרופיל מוטה בזווית מסוימת, ומשפיע על הזרימה המגיעה אליו, פועל כוח ההפוך בכיוונו לכיוון ההסטה של הזורם. כוח זה נקרא כוח אווירודינמי. רוב הפרופילים זקוקים לזווית הטייה כלשהי כדי ליצור עילוי, אך פרופילים אי-סימטריים יכולים לעשות זאת גם ללא זווית התקפה. ההסטה של הזורם בקרבת הפרופיל גורמת לקווי זרימה מוטים. כתוצאה מכך מקבלים הפרש לחצים בין שני צידי הפרופיל (וגם הפרשי מהירויות, עפ"י משוואת ברנולי). ע"י שימוש בעיקרון הסירקולציה, תאוריית קוטה ג'קובסקי, והפרשי המהירויות בין הצד העליון והתחתון של הפרופיל, ניתן לחשב את כוח העילוי.

מדחף

מדחף אונייה בעל חמישה להבים

מדחף (פרופלור בלעז, נקרא גם רוטור בהקשר של מסוקים) הוא רכיב מכני הממיר תנועה סיבובית לדחף כדי להניע כלי רכב כגון: מטוס, אונייה, או צוללת, דרך תווך זורם, דוגמת נוזלים (למשל, מים) או גזים (למשל, אוויר), על ידי סיבובי שני להבים מעוקלים, או יותר, סביב ציר מרכזי, בדרך הדומה לסיבוב בורג בתוך חומר מוצק. בכלי טיס להבי המדחף פועלים כמו כנפיים מסתובבות ויוצרים כוח באופן המתואר בשילוב שבין משוואת ברנולי והחוק השלישי של ניוטון, כאשר הם יוצרים הפרש בלחץ האוויר על המשטח הקדמי לעומת המשטח האחורי של הלהבים ועל ידי הנעת הזורם (אוויר, במקרה של מטוס) שבו הם פוגשים, אל אחורי המדחף.

ישנם שני סוגי מדחפים:

מדחף פסיעה קבועה זהו מדחף אשר זווית התקיפה שלו קבועה, את שינוי המהירות כלי השיט מבצעים על ידי שינוי מהירות סיבוב הלהבים.

מדחף פסיעה משתנה במדחף זה ניתן לשנות את זווית התקיפה של הלהבים, כך שניתן לשנות את מהירות כלי הרכב על ידי שינוי זווית התקיפה, פעולה המקטינה את בלאי המנוע (כאשר יש צורך בנסיעה לאחור אין צורך להפעלת מנוע בכיוון הפוך אלא רק בשינוי זווית התקיפה). מדחף מסוג זה מותקן גם במסוקים (כרוטור ראשי), בהם הזווית משתנה גם תוך כדי תנועת הרוטור וגם עקב פקודה ידנית. כמו כן מותקנים מדחפים כאלה במטוסי נוסעים ותובלה, כאשר היפוך הפסיעה משמש לעצירת המטוס בנחיתה, מיד לאחר הנגיעה במסלול.

קישורים חיצוניים

 

קווי זרימה סביב פרופיל NACA 0012 בזווית התקפה בינונית

הכנפיים, המייצבים האופקיים והאנכיים של כלי טייס פנויים עם חתכים של פרופילים אווירודינמיים. פרופילים אווירודינמיים נמצאים בשימוש גם בפרופלורים של מסוק, במאווררים ובטורבינות. מפרשים הם פרופילים אווירודינמיים, וגם למשטחים התת-ימיים של סירות כצו השדרית תפקוד דומה. בעלי חיים רבים ואפילו צמחים מסוימים משתמשים בעקרונות הפרופילים האווירודינמיים. דוגמאות הן ציפורים, דגים וקיפודי ים. פרופיל אווירודינמי יכול לייצר כוח עילוי על כלי רכב ולעזרו להנעתו.

כל גוף בעל זווית התקפה הנתון לזרימה, כגון פלטה, בניין או גשר, ייצרו כוח אווירודינמי בשם עילוי, בכיוון ניצב לזרימה. בתכנון פרופילים אווירודינמיים בדרך כלל המטרה היא להגדיל את העילוי כמו שאפשר מחג גיסא ומאידף גיסא להקטין את הגרר.

מקדמי עילוי וגרר עבור פרופיל טיפוסי

משמאל ניתן לראות גרף המתאר השתנות של מקדמי עילוי וגרר בניסוי מנהרת רוח. הגרף מייצג פרופיל בעל אי סימטריות ולכן כילוי מיוצר גם בזווית התקפה אפס. בהתחלה, עם עליית זווית ההתקפה, מקדם העילוי עולה ליניארית בקירוב (בשיפוע כמעט קבוע), אך בסביבות 18 מעלות ישנה הזדקרות ומקדם העילוי נופל במהירות. נפילת מקדם העליוי מתרחשת בגלל התנתקות שכבת הגבול במשטח העליון. אפקטיבית, שינוי עובי שכבת הגבול משנה את צורת הפרופיל ומוריד את האפקטיביות של אי הסימטריות של הפרופיל ע"י הורדת הסירקולציה סביבו ובעקבות כך גם את העילוי. גדילת עובי שכבת הגבול גורמת גם להוספת גרר, וניתן לראות שבסביבת נקודת ההזדקרות ישנה גדילה מהירה במקדם הגרר.

עיצוב של הפרופיל האווירודינמי הוא שיקול משמעותי בתחום האווירודינמיקה. ישנם סוגי פרופילים שונים לתחומי תעופה שונים. פרופילים אי סימטריים מסוגלים לייצר כוח עילוי ללא זווית התקפה, בעוד שפרופילים סימטריים טובים יותר לטיסה הפוכה האופיינית למטוסי אווירובטיקה. פרופיל סימטרי של מאזנים וכנפי קצה תורם להגדלת תחום זוויות ההתקפה המותר ללא הזדקרות. בכך, זוויות התקפה רבות יכולות לבוא לידי שימוש ללא הפרדת שכבת הגבול במשטח העליון.

פרופילים של כלי טייס על-קוליים מתאפיינים בשפת התקפה חדה, ובאופן כללי מגועלות יותר מאשר פרופילים של כלי טייס תת-קוליים. שפת ההתקפה החדה גורמת לרגישות גבוהה לזוויות התקפה. על ידי הגדלת העובי של הפרופיל באזור שפת ההתקפה ניתן לגרום לזרימה על-קולית לעבור לתחום התת-קולי. לפרופילים המשמשים לטיסות על קוליות יש בד"כ עקמומיות נמוכה על מנת לאפשר טיסה מהירה יותר ללא עלייה משמעותית בגרר. בכנפי כלי טייס מודרניים, ניתן להבחין בשינוי בפרופיל האווירודינמי לאורך הכנף, וזאת כדי להתאים לכל אזור בכנף את הפרופיל המתאים לזרימה האופיינית בו.

לרוב כלי הטייס מותקנים מדפים על הכנפיים. מדף בשפת הזרימה של הפרופיל יכול לשמש במאזן, אך בניגוד למאזן, המדף יכול חלקית להיכנס לכנף כאשר הוא לא בשימוש.

לכנף המיועדת לזרימה לנימרית יש עובי מקסימלי בקו הקימור המקסימלי באמצע הכנף. ניתן בעזרת משוואות נאויה-סטוקס להראות כי בתחום הליניארי, מפל הלחצים השלילי לאורך הזרימה שקול להורדת המהירות. לכן, עם העקמומיות המקסימלית באמצע, שמירה על זרימה למינרית בחלק גדול יותר מהכנף נהיה אפשרי עבור מהירויות שיוט גבוהות יותר. אולם, בנוכחות גורמים חיצוניים כמו גשם או מפריעים על הכנף, הדבר לא עובד כי הזרימה הלמינרית כבר לא נשמרת.

פרופילי NACA הם פרופילים אווירודינמיים אשר פותחו על ידי הוועדה הלאומית המייעצת לאווירונאוטיקה של ארצות הברית. NACA הגדירה מספר משוואות המייצרות פרופילי כנף לפי הגדרה של 4 ספרות:

ספרה #1: הקימור המקסימלי באחוזים מאורך המיתר.

ספרה #2: המרחק של הקימור המקסימלי בעשרות אחוזים (מאורך המיתר) משפת ההתקפה.

ספרות #3,4: עובי הפרופיל המקסימלי באחוזים מאורך המיתר.

בעזרת ארבעת הספרות של פרופילי NACA ניתן להגדיר את הצורה הגאומטרית של הפרופיל המדובר ולהסיק על תכונותיו האווירודינאמיות. כיום, קיימות תוכניות המיועדות לתכנון פרופילי כנף עפ"י דרישות, כגון PROFOIL, XFOIL, AeroFOIL. [4]

מינוח של פרופיל אווירודינמי

להלן מספר מונחים הקשורים לפרופילים אווירודינמיים:

משטח עליון (upper surface): בד"כ נתון למהירות גדולה יותר ולחץ נמוך יותר.

משטח תחתון (lower surface): בד"כ נתון למהירות קטנה יותר ולחץ גדול יותר. הפרש הלחצים בין המשטחים תורם לעילוי.

שפת המתקפה (leading edge): הנקודה בחלק הקדמי של הפרופיל בה העקמומיות מקסימלית (רדיוס עקמומיות מינימלי).

שפת הזרימה (trailing edge): כמו שפת ההתקפה רק עבור החלק האחורי של הפרופיל.

מיתר אווירודינמי (chord line): קו ישר המחבר בין שפת ההתקפה לשפת הזרימה. אורך המיתר מסומן בד"כ c. אורך המיתר הוא האורך האופייני של הפרופיל.

קו העקימון (camber line): קו משפת ההתקפה לשפת הזרימה הנמצא במרחק שווה משני משטחי הפרופיל. צורתו תלויה בהתפלגות העובי לאורך המיתר.

עובי הפרופיל משתנה לאורך המיתר. ניתן להעריך עובי על סמך שתי דרכים:

בניצב למיתר.[6] נקרא "המוסכמה הבריטית".

בניצב לקו העקימון.[7][8] נקרא "המוסכמה האמריקאית".

בנוסף, פרמטרים חשובים לתיאור התנהגות הפרופיל בתנועה בזורם הם:

המרכז האאוירודינמי: המרחק לאורך המיתר משפת ההתקפה, בו המומנט איננו תלוי במקדם העילוי או בזווית ההתקפה. בנקודה זו 

מרכז הלחץ: המרחק לאורך המיתר משפת ההתקפה, בו המומנט מתאפס.

תורת הכנף הדקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

תורת הכנף הדקה פותחה על ידי המתמטיקאי הגרמני-אנגלי מקס מנק ונערכה על ידי האווירודינמאי הבריטי הרמן גלאורט ועוד אחרים[9], בשנות ה-20 של המאה ה-20. זוהי תאורי הפשוטה המקשרת בין זווית ההתקפה לעילוי לזרימות בלתי דחיסות ובלתי צמיגות. התאוריה עושה קירוב של הזרימה סביב הפרופיל לזרימה דו ממדית סביב פרופיל דק.

בזמן הוצאת התאוריה היא זכתה ליחס רב מהסיבה שסיפקה בסיס לתכונות חשובות של פרופילים בזרימה דו ממדית:

בפרופיל סימטרי, המרכז האווירודינמי ומרכז הלחץ נמצאים במרחק רבע מיתר משפת ההתקפה.

בפרופיל עקמומי, המרכז האווירודינמי שוכן במרחק רבע מיתר משפת ההתקפה.

השיפוע של גרף מקדם העילוי אל מול זווית ההתקפה הוא 2 \pi\! לרדיאן. הדבר נכן כאשר זווית ההתקפה מוגדרת ביחס למיתר.

תאוריית הכנף הדקה אינה לוקחת בחשבון את תופעת ההזדקרות.[10]

כתוצאה מ-3 ניתן לקבל כי מקדם העילוי עבור פרופיל עקמומי בעל מוטת כנפיים אינסופית הוא:

 

נבחו פרופיל כנף דקה. עפ"י תאוריית קוטה-ג'קובסקי:

L^\prime=-\rho_\infty V_\infty\Gamma,\,

כלומר, הכילוי ליחידת אורך שווה למכפלת הצפיפיות של הזורם, מהירות הזרימה והסירקולציה, המוגדרת ע"י:

\Gamma=\oint_{C} V \cdot d\mathbf{s}=\oint_{C} V\cos\theta\; ds\,=\int_{C}\gamma(x) d{x}

לכן, על מנת להגיע לעילוי, עלינו לדעת את פילוג הערבוליות על פני הפרופיל. נניח כי תנאי השפה של אי חדירה מתקיים לא רק על שפת הכנף אלא גם על המיתר שלה. הנחה זו סבירה אם הפרופיל "דק מספיק" ומסתכלים עליו "מרחוק מספיק". נסמן ב-w את רכיב המהירות הניצב לקו המיתר. משמעות ההנחה היא ש-w על גבי המשטח העליון של הפרופיל ועל גבי המיתר שווים (מתאחדים).

נדרוש: U_n+w(s)=0 , כאשר U_n הוא רכיב המהירות המציפה U  שמכתיבה הזרימה שמסביב לפרופיל, בכיוון ניצב למיתר, ו-s הוא פרמטר אורך שמתקדם על המשטח העליון (קו העקימון y_c(x), x הוא פרמטר אורך שמתקדם על המיתר).

ממשואות פוטנציאליות של מקור (ראה: זרימה פוטנציאלית), מידת ההשפעה על w(x) של קטע d\zeta על נקודה x:

dw=-\frac{\gamma(\zeta) d\zeta} {(x-\zeta)2 \pi}

לכן, השפעת כל המקורות על מיתר יהיו אינטגרציה:

w(x)=- \int_{0}^{c} \frac {\gamma (\zeta)}{(x-\zeta)2 \pi} d\zeta

נצי"ב את הנ"ל בדרישה שרשמנו ונקבל:

U (\alpha - \frac {dy_c(x)} {dx}=\frac {1} {2\pi}\int_{0}^{c}{\gamma (\zeta)}{(x-\zeta)/(x-\zeta)d\zeta} 

הבעיה עכשיו היא לפתור את המשוואה האינטגרלית שהתקבלה. לשם כך, נבצע החלפת משתנים:

\zeta=\frac {c} {2} (1-cos(\phi))  , x=\frac {c} {2} (1-cos(\theta)) 

כאשר \phi  הוא פרמטר משתנה ו-\theta  הוא קבוע עבור על משוואה אינטגרלית נפרדת. הוא קבוע מכיוון שבכל משוואה, x  הוא קבוע. כלומר, המשוואה היא על משתנה דמה \zeta  שאיתו מגיעים ל-\gamma(x)  עבור x  מסוים. לאחר הצבת החלפת המשתנים נקבל:

\frac {1} {2\pi} \int_{\phi=0}^{\pi}{\frac{\gamma(\theta)sin(\theta)d\theta} {cos(\phi)-cos(\theta)}}=U(\alpha-\frac{dy_c(x)}{dx}) 

ומתנאי קוטה: \gamma(\phi=\pi)=0 .

 

 

זווית התקפה חיובית

זווית התקפה זוהי הזווית בין כיוון הזרימה החופשית של האוויר (זרימה כנגד בפרופיל) לבין מיתר הפרופיל. לזווית ההתקפה חשיבות רבה מאוד, וכל שינוי בזווית ההתקפה משפיע על התכונות האווירודינמיות של פרופיל הכנף. כאשר קו זרימת האוויר מקביל למיתר, זווית ההתקפה תהיה - 0. כאשר שפת ההתקפה תעלה מעל קו זווית - 0, זווית התקפה תהיה חיובית. כאשר שפת התקפה תרד מתחת לקו - 0, זווית התקפה תהיה שלילית. עבור כל סוג פרופיל קיימת זווית התקפה מינימלית שבה נוצר כוח עילוי שהיא בין הערכים הנמוכים של זווית חיובית (1, 2 מעלות) ועד ערכים של זווית שלילית קטנות (מינוס 1, 2 מעלות). קיימת גם זווית התקפה שעבורה העילוי הוא מרבי. הגדלת זווית התקפה מעבר לזווית של עילוי מרבי תגרום להקטנה של כוח עילוי עד להזדקרות (נתק של זרימה אוויר מהפרופיל) ואיבוד העילוי.