AERODYNAMIKA PROFILŮ

Co je a k čemu je aerodynamika

Aerodynamika vyšetřuje silové účinky proudění na obtékaná tělesa nebo kanál, ve kterém se nachází. Aerodynamika profilu je speciální oblast aerodynamiky, která zkoumá 2D obtékání těles, které mají proměnné rozměry pouze ve dvou směrech – jedná se o profilovanou desku, viz Obrázek 1. Profilem je nazýván řez tímto tělesem. Popis geometrie profilů a pravidel pro jejich kreslení je uveden například v článku Tvary lopatek a průtočných částí lopatkových strojů [Škorpík, 2023].

1: Aerodynamický profil-příklad

P-rovina řezu; Ψ-proudnice ve vyšetřované rovině; A-znázornění vyšetřovaného profilu. l [m] délka profilové desky; x, y, z [m] souřadnice.

Nestlačitelná tekutina

Rychlost zvuku

Machovo číslo

Při nízkých rychlostech se plyn chová podobně jako kapalina, která je nestlačitelná, ale s rostoucí rychlostí se začíná projevovat vliv nízké rychlosti zvuku v plynech, které jsou v kapalinách mnohem vyšší. Rychlost zvuku je totiž rychlostí šíření tlakových poruch v tekutině. Navíc při nadzvukových rychlostech proudění může docházet k jevům souvisejících se skokovými změnami stavových veličin plynu, ke kterým při nižších rychlostech nedochází. Nicméně stlačitelnost plynu se na proudění významně projevuje až od rychlosti cca 0,3 Mach [Kadrnožka, 1991, s. 27]. Z toho důvodu je v tomto článku popsána teorie proudění nestlačitelného proudění a teorie stlačitelného proudění v článku Machovo číslo a efekty při proudění vysokými rychlostmi.

Odpor profilu

Při obtékaní jakéhokoliv tělesa proudem tekutiny působí tato tekutina na těleso silou. Tato síla vzniká kvůli změně hybnosti tekutiny v důsledku vloženého tělesa, změny tlaku v okolí tělesa a tření tekutiny o plochu tělesa případě kvůli dalším efektům. Složka síla ve směru nátokové rychlosti (směr volného proudu před tělesem) se nazývá odpor.

Klouzavý úhel

Úhel mezi vztlakem a odporem profilu nazýváme klouzavým úhlem. Název pochází z klouzavého letu letounu (ustálený bezmotorový let), kdy síla F působí proti směru gravitačního zrychlení a ε označuje sklon vztlaku vůči gravitačnímu zrychlení, viz Obrázek 4.

4: Princip klouzavého letu

U [m·s^-1] rychlost letounu; m [kg] hmotnost letounu; g [m·s^-2] gravitační zrychlení.

Průběh tlaku kolem profilu

Přetlaková strana

Sací strana

Vztlak

Jestliže při obtékání profilu vznikne vztlak L, pak to znamená, že tlaková diference mezi dvěma body profilu, které leží proti sobě kolmo na směr nátokové rychlosti, je různá od nuly. Na Obrázku 5 je průběh tlaku kolem profilu, u kterého vzniká vztlak. Proto rozlišujeme přetlakovou stranu a sací stranu profilu, tedy stranu profilu v průměru s vyšším tlakem a stranu v průměru s nižším tlakem. Na sací straně profilu je průměrně nižší tlak a vyšší rychlost, protože proudění na této straně má delší trajektorie v okolí profilu než na přetlakové straně profilu.

5: Změna tlaku podél osamoceného profilu

V okolí profilu je nejvyšší tlak u nátokové hrany profilu, jejíž stěna je téměř kolmá na nátokovou rychlost a proto v těchto místech dojde k prudkému snížení hybnosti ve směru nátoku a tedy poklesu dynamického tlaku a nárůstu tlaku statického. (a) průběh tlaku na sací straně; (b) průběh tlaku na přetlakové straně.

Základní profil

I symetrický neboli základní profil může vytvořit přetlakovou a sací stranu, pokud je vložen do proudu šikmo, respektive nátokový úhel je různý od nuly.

Projevy vnitřního tření v mezní vrstvě profilu

Tření tekutiny o plochy profilové desky nevytváří pouze odpor, ale také tzv. mezní vrstvu^7., ve které dochází ke ztrátě tlakové a kinetické energie tekutiny. Tato disipace energie způsobuje jednak odklon proudu za profilem a jednak může způsobyt odtržení proudu od profilu:

Deviační úhel

Protože rychlosti na sací a přetlakové straně profilu jsou různé, je různá i jejich vnitřní tření v mezní vrstvě a tedy i hybnost na odtokové hraně, kde by se oba proudy slévají. To znamená, že směr proudění těsně za profilem nemusí mít směr daný tvarem profilu, respektive směrem střední čáry profilu, protože převáží směr proudu s vyšší hybností. Odklon tohoto směru od střední čáry profilu CL se nazývá deviační úhel, Obrázek 8.

8: Deviační úhel

δ [°] deviační úhel.

Odtržení proudu

V blízkosti odtokových hran, kde má proudění v mezní vrstvě nejnižší energie, může dojít k odtržení proudu (kolaps mezní vrstvy v důsledku průniku okolní tekutiny do mezní vrstvy) od profilu a tedy i ke změně sil působící na profil – dokonce i ke ztrátě potřebného vztlaku, viz Obrázek 9. K nějakému odtržení dojde téměř vždy. Velikost odtržení se zvětšuje s nakloněním profilu vůči směru nátokové rychlosti, respektive se zakřivením profilu. Samotný proces odtržení je často přetržitý (nestacionární), po odtržení se může mezní vrstva opět stabilizovat (sníží se tlak v oblasti odtokové hrany) a záhy odtrhnout.

9: Hlavní toky pracovní tekutiny při odtržení proudu od profilu