Как работает Гидрофойл

[ALEX3M]

Вспомнил случай из детства.
я был в 3 или 4 классе.
Пацаны постарше сделали воздушного змея, и вытались е го запустить .
Прикол был в том, что они натянули края, и он стал выпуклым посередине.
Но не вверх, а вниз :)
Я им сказал , что не полетит. и он не полетел.
просто тогда я причину обьяснить не мог.
Второй прикол в том, что если я обьяснял бы сейчас, они все равно не поняли бы :)

[lop]

Сообщение от mm7

> В уравнениях ГМ сплошность среды имеет следствием фундаментальное уравнение неразрывности.

Угу. А в реальности неразрывность вовсе не фундаментальна. Жидкость переходит в газ от температуры/давления, происходит кавитация, да просто механически от неразрывного мирового океана то и дело отрываются куски воды - всплески, капли и тд и тп. И как это все учитывается в классической ГМ?

В классической теории крыла, как части классической гидромеханики - никак. Нужды небыло. Гидромеханика, как любая теория, имеет ограничения, в том числе по диапазону решаемых задач. Классическая гидромеханика имеет дело со сплошной жидкостью, граничащей с твёрдым телом, другой сплошной жидкостью или газом. В каждом из этих трёх случаев - свои граничные условия, от которых зависит поведение жидкости внутри границ. В "классической" теории крыла, выросшей из классической гидромеханики, жидкость граничит с твёрдым телом - крылом, а вне его - безграничная. Для подводного крыла к этой твёрдой границе добавляется ещё одна, между жидкостью и газом, или две: на мелководье добавляем ещё и твёрдую границу на дне. Но внутри, между этими границами жидкость остаётся сплошной. Задачи кавитации решаются в другом разделе гидромеханики, струйные течения, в том числе с брызгообразованием - в третьем, есть ещё аэродинамика больших скоростей, где сплошность, точнее - плотность среды терпит разрыв.
У молекулярно-кинетической теории вроде бы тот же объект изучения, что и у гидродинамики, которая газ считает жидкостью, то есть сплошной средой, но в МКТ это не вовсе не сплошная среда, а пустое пространство, внутри которого летают "шарики". Как у Ньютона. И математические инструменты у двух этих теорий совершенно разные.

Да, НС не молекулы считает. Но все равно мешем делят среду на кусочки. Пирамидки, кубики.

И что? У самолёта и у крысы есть хвост, значит это одно и то же?

> И да, "проблемы крыла" или "причин возникновения ПС" у аэродинамиков, даже не маститых нет уже более 100 лет.

Есть-есть проблема. Я смотрел их лекции. И что:
- ньютоновское перенаправление потока дном пластины - отвергнуто
- объяснение разницей длины путей с верхней и нижней сторон, с вытекающим из него Бернулли - отвергнуто. потоки не сходятся вместе. Верхний обгоняет нижний.
- объяснение ПС даунвошем вызванным эффектом Коанда - тоже отвергнуто (не помню почему).

Это не проблемы аэродинамиков, а проблемы мифов, засранных мозгов обывателей в результате "популяризаторства" авиации в начале прошлого века.
Как объяснить какому-нибудь... не крестьянину/фермеру даже с двумя классами церковно-приходской школы, а курсанту-лётчику со средним образованием, почему самолёт летает? Прочесть ему курс линейной алгебры, дифференциальных уравнений в частных производных, теорию функций комплексных переменных?
Это когда аэродинамика ещё только развивается, а аэродинамиков в стране меньше чем пальцев на двух руках? А объяснять, хоть как-то, надо. Вот и вступают в дело популяризаторы, "объясняющие" теорию крыла на пальцах.
Лекции, которые ты смотрел, это не дискуссии аэродинамиков, а попытки хоть чуть-чуть расчистить это нагромождение мифов посредством более квалифицированного популяризаторства среди тех же... неспециалистов.

И что остается?
Как объяснишь, например почему верхний поток обгоняет нижний?
Жуковский-Кутта это не объяснили, а просто представили это как циркуляцию.
А почему это происходит - кто нибудь объяснил?

Разумеется. Тот же Жуковский тогда же и объяснил, на основании теоремы Гельмгольца о сохранении интенсивности вихрей. Когда крыло только начинает двигаться, эта интенсивность равна нулю. Из-за вязкости воздух не может обогнуть заднюю кромку крыла без отрыва, поэтому с задней кромки срывается вихрь, у нас его называют разгонным, у вас - starting vortex. Но, по упомянутой теореме, вместе с разгонным вихрем образуется равный ему по интенсивности, но обратный по направлению вихрь вокруг крыла, так называемый присоединённый вихрь, который и сохраняется после разгона при движении крыла с постоянной скоростью. Вот благодаря этому присоединённому вихрю и создаваемой им циркуляции скорости (не путать с циркуляцией воздуха в системе вентиляции/кондиционирования) и возникает разность скоростей над и под крылом, благодаря которой "верхний поток обгоняет нижний".

Сообщение от ALEX3M

При простейшем случае, нулевом угле атаки плосковыпуклого крыла, верхний поток не обгоняет нижний, может даже несколько притормаживать. При этом ПС будет.
Рассмотрите это как двуижение крыла через неподвижную жидкость.
Частицы снизу не меняют положения, разве что крыло несколько сместит их за собой, в силу трения.
...

Это не так. В отличие от ньютоновских шариков, на "частицы снизу" действует давление (кроме касательных напряжений из-за вязкости). Изменение давления в жидкости передаётся во все стороны, в том числе и против потока. Поэтому, когда верхняя часть крыла при начале движения начинает изменять давление над собой, сверху, то давление снизу крыла тоже меняется, вызывая изменение траектории частиц и под крылом, бывшее ранее (далеко перед крылом) прямолинейным. Твоя "геометрическая" теория этого не учитывает, значит она не в состоянии правильно рассчитать ни скорости на поверхности крыла, ни соответствующее им распределение давлений по поверхности, ни получающуюся в результате подъёмную силу. А теория крыла - в состоянии.

Сообщение от Urry1

А какие паруса у нас S- образные? С летучкой? Или без? Для меня это открытие. Поясняю свои сомнения: s- образность крылу придают нервюры, в нашем случае латы. Если на левом галсе парус S-образный, то на правом он будет С-образный. Как это решается? Летучка— она набивает по гику. Как S-образность достигается?

У меня была пара слаломных парусов (после Ершова) 5,5 и 6,5, пошитых Сашей Лебедевым ещё в средине 90-х. Твист у них было небольшой, по сравнению с современными, но у них S-образность задавалась кроем паруса. Люверсы были обычными, без всяких вырезов. 6,5 был плосковат, слабовато тянул при разгоне, хотя разогнавшись тянул очень хорошо, проскакивая закисоны. А 5,5 внешне казался наоборот, слишком пузатым. Но из-за своей формы тянул изумительно и по низам, и на скорости. Парусов с более широким диапазоном, чем у 5,5 я не встречал. В сильный ветер менял его на меньший только из-за широкого мачткармана - если упадёшь, то при водном старте приходилось долго воду выливать из паруса.
Можно с латами поэкспериментировать: укоротить центральную трубчатую часть, а заднюю, более мягкую часть латы сделать подлинее. Резать рабочие латы не предлагаю, но если есть возможность сделать какой-то дополнительный комплект, или пару-тройку средних лат, то...

[mm7]

Сообщение от lop

У молекулярно-кинетической теории вроде бы тот же объект изучения, что и у гидродинамики, которая газ считает жидкостью, то есть сплошной средой, но в МКТ это не вовсе не сплошная среда, а пустое пространство, внутри которого летают "шарики". Как у Ньютона. И математические инструменты у двух этих теорий совершенно разные.

Почему "шарики" должны обязательно летать в пустоте?
Можно же задать "прилепляемость" их друг к другу, что смоделирует вязкость.
Много чего можно смоделировать, фазовые переходы и тп

Сообщение от lop

Разумеется. Тот же Жуковский тогда же и объяснил, на основании теоремы Гельмгольца о сохранении интенсивности вихрей. Когда крыло только начинает двигаться, эта интенсивность равна нулю. Из-за вязкости воздух не может обогнуть заднюю кромку крыла без отрыва, поэтому с задней кромки срывается вихрь,

Вот с этого места подробнее. Зачем верхнему потоку огибать заднюю кромку? Там же не вакуум, там нижний поток. (В котором даже давление больше, т.к. его скорость меньше. Но об этом потом.)
Или имеется ввиду огибание снизу-вверх?

[ALEX3M]

Сообщение от lop

Это не так. В отличие от ньютоновских шариков, на "частицы снизу" действует давление (кроме касательных напряжений из-за вязкости). Изменение давления в жидкости передаётся во все стороны, в том числе и против потока. Поэтому, когда верхняя часть крыла при начале движения начинает изменять давление над собой, сверху, то давление снизу крыла тоже меняется, вызывая изменение траектории частиц и под крылом, бывшее ранее (далеко перед крылом) прямолинейным. Твоя "геометрическая" теория этого не учитывает, значит она не в состоянии правильно рассчитать ни скорости на поверхности крыла, ни соответствующее им распределение давлений по поверхности, ни получающуюся в результате подъёмную силу. А теория крыла - в состоянии.

Увас есть другая теория, обьясняющая увеличение ПС именно на выпуклых поверхностях?

[lop]

Сообщение от mm7

Почему "шарики" должны обязательно летать в пустоте?
Можно же задать "прилепляемость" их друг к другу, что смоделирует вязкость.
Много чего можно смоделировать, фазовые переходы и тп

Шарики могут лежать друг на друге. При абсолютном нуле, по Кельвину. А когда им сообщают энергию извне, они начинают подпрыгивать, всё выше и выше. Это называется температура. Прилепляемость и много чего ещё можно смоделировать. Только зачем? Из-за органического неприятия гидромеханики?

Вот с этого места подробнее. Зачем верхнему потоку огибать заднюю кромку? Там же не вакуум, там нижний поток. (В котором даже давление больше, т.к. его скорость меньше. Но об этом потом.)
Или имеется ввиду огибание снизу-вверх?

Верхнему - незачем. А нижний хочет: в нём давление высокое, а в верхнем - низкое. А частицы жидкости имеют привычку из зоны высокого давления двигаться в зону низкого. Вот они и пытаются обогнуть заднюю кромку снизу вверх. Но вязкость и инерция им мешают сделать это без отрыва потока, как это происходит (теоретически) в идеальной, то есть, невязкой жидкости.
По сути дела условие Кутты - Жуковского есть скрытое следствие вязкости в невязкой (при дальнейшем рассмотрении) жидкости. То есть, если бы жидкость была действительно невязкой, то разгонный вихрь бы не образовывался, не образовывался бы и присоединённый вихрь, не было бы циркуляции скорости вокруг крыла и не было бы подъёмной силы.

Сообщение от ALEX3M

Увас есть другая теория, обьясняющая увеличение ПС именно на выпуклых поверхностях?

У меня (и не только) есть теория крыла, объясняющая как возникновение, так и увеличение или уменьшение ПС на поверхностях любой (ну, или почти любой) формы, в том числе и выпуклых.

[ALEX3M]

Сообщение от lop

У меня (и не только) есть теория крыла, объясняющая как возникновение, так и увеличение или уменьшение ПС на поверхностях любой (ну, или почти любой) формы, в том числе и выпуклых.

И эта теория основана именно на движении потока по окружности.

[mm7]

Сообщение от lop

Шарики могут лежать друг на друге. При абсолютном нуле, по Кельвину. А когда им сообщают энергию извне, они начинают подпрыгивать, всё выше и выше. Это называется температура. Прилепляемость и много чего ещё можно смоделировать. Только зачем? Из-за органического неприятия гидромеханики?

молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. Связь довольно слабая. Но именно она определяет вязкость, а так же липучесть к другим телам. Например из которых сделано судно или крыло.

гидромеханика работает на более высоком уровне, используя статистические показатели, такие как давление, температура, вязкость, скорость потока...

А сами эти показатели проявляются тем, как молекулы взаимодействуют.
Т.е. именно это причина всех явлений, таких как подъемная сила, сопротивление и тп.

С другой стороны сами молекулярные взаимодействия относительно просты. Их проще запрограммировать.
Но так как ресурсов на каждую молекулу не наберешь, то можно задать свойства "шарикам". Или кубикам. И необязательно чтобы они летали в пустоте. В РБ пространство делится на кубики (или квадратики в 2-Д)
И каждый может содержать нечто, воду, воздух, кусочек корпуса судна, или крыла... Ну и алгоритм считает взаимодействия каждого с соседями, и по результатами переназначает кубики. Например кубик принадлежал корме, но она уехала, на этот кубик назначили воду, посчитали в нем давление, вектор скорости, можно температуру, плотность и тп. Похоже на НС. Но попроще. И погрубее. Точность увеличивается с уменьшением размера кубиков.

Это не из-за органического неприятия гидромеханики.
А скорее от того, что хочется быстрой симуляции. Желательно в риалтайме. А то запустил я как-то симуляцию лодки посчитать (по НС) - 3 дня ждал.

Сообщение от lop

Верхнему - незачем. А нижний хочет: в нём давление высокое, а в верхнем - низкое. А частицы жидкости имеют привычку из зоны высокого давления двигаться в зону низкого. Вот они и пытаются обогнуть заднюю кромку снизу вверх. Но вязкость и инерция им мешают сделать это без отрыва потока, как это происходит (теоретически) в идеальной, то есть, невязкой жидкости.
По сути дела условие Кутты - Жуковского есть скрытое следствие вязкости в невязкой (при дальнейшем рассмотрении) жидкости. То есть, если бы жидкость была действительно невязкой, то разгонный вихрь бы не образовывался, не образовывался бы и присоединённый вихрь, не было бы циркуляции скорости вокруг крыла и не было бы подъёмной силы.

С вязкостью понятно. Еще и инерция массы тоже влияет, когда вода огибает острую заднюю кромку, нехилые ускорения получаются...

Но давайте сначала. "в нём (нижнем потоке) давление высокое, а в верхнем - низкое.".
Это мы знаем. Но почему в верхнем - низкое?
Почему там скорость стала высокая?
Ну начало двигаться крыло. Ну верхняя часть у него горбом. (допустим плоскодонное).
Так наоборот, казалось-бы, этот горб должен буровить перед собой воду, толкать, увеличивать давление.
А снизу, горба нет, вода течет свободно, но почему-то скорость там падает и давление повышается. Как так?

Опять-же - все пишут - начинается циркуляция. А как так она начинается? Причем "в гору". Через горб. А не наоборот, через плоское брюхо?

[latad]

Видимо, надо учесть и обратное воздействие того, что происходит за крылом, на параметры среды вокруг крыла. И эта обратная связь действует пока скорости дозвуковые.
Как это всё делают в численных методах я не знаю, но мне кажется, что задачу можно сильно упростить, если применить математику теории поля, а уж затем переходить к численным методам..

[Urry1]

Ничего себе наворотили... без ящика водки не разобраться...

[ALEX3M]

Да все очень просто.
Надо уметь наблюдать за природой.
Например, когда быстро мешаете ложкой воду в кастрюле, посередине уровень воды снижается а по краям - увеличивается.
Это значит, что давление изменилось. По краям стало выше, а посередине - уменьшилось.
Можно провести эксперимент- раскрутить воду настолько быстро, чтобы показалось дно:)
Или такое природное явление, как смерч- вращающаяся воздушная масса имеет зону сниженного давления внутри. Причём настолько сниженного, что это пылесос поднимает довольно крупные и тяжёлые предметы.
Так что, когда поток воздуха или воды огибает препятствие по выпуклой кривой, вы просто вспомните, что на этой поверхности давление будет пониженным.

[Urry1]

Сообщение от ALEX3M

Да все очень просто.
Надо уметь наблюдать за природой.
Например, когда быстро мешаете ложкой воду в кастрюле, посередине уровень воды снижается а по краям - увеличивается.
Это значит, что давление изменилось. По краям стало выше, а посередине - уменьшилось.
Можно провести эксперимент- раскрутить воду настолько быстро, чтобы показалось дно:)
Или такое природное явление, как смерч- вращающаяся воздушная масса имеет зону сниженного давления внутри. Причём настолько сниженного, что это пылесос поднимает довольно крупные и тяжёлые предметы.
Так что, когда поток воздуха или воды огибает препятствие по выпуклой кривой, вы просто вспомните, что на этой поверхности давление будет пониженным.

Это я понимаю, с детства с самолётами химичил, и уже 10 лет как пытаюсь « понять» погоду в силу своих увлечений. Тяжело, мозги деградируют. Залез в умные книжки, там интегралы,системы, уравнения, Коши-Лагранж, Лаплас, Гельмгольц, Фурье. Ещё в институте на вышмате волосы на ж...пе рвал, как экзамен сдать... А тут снова: Вихревая, лопастная теория, и теория движения тела в несжимаемой идеальной жидкости. Визуально согласен, трёхмерно в объёме понимаю, но блъ все доказательства по выводу формул— это для меня взрыв мозгов. Возможно, за пять лет я это сам осилил бы, но не вижу важного смысла. Ощущаю себя тупым пнём.

[ALEX3M]

Сообщение от Urry1

Это я понимаю, с детства с самолётами химичил, и уже 10 лет как пытаюсь « понять» погоду в силу своих увлечений. Тяжело, мозги деградируют. Залез в умные книжки, там интегралы,системы, уравнения, Коши-Лагранж, Лаплас, Гельмгольц, Фурье. Ещё в институте на вышмате волосы на ж...пе рвал, как экзамен сдать... А тут снова: Вихревая, лопастная теория, и теория движения тела в несжимаемой идеальной жидкости. Визуально согласен, трёхмерно в объёме понимаю, но блъ все доказательства по выводу формул— это для меня взрыв мозгов. Возможно, за пять лет я это сам осилил бы, но не вижу важного смысла. Ощущаю себя тупым пнём.

а зачем вдаваться глубоко в детали, если не заниматься проектированием?
Основных принципов для пользователя вполне достаточно.

[latad]

Сообщение от ALEX3M

а зачем вдаваться глубоко в детали, если не заниматься проектированием?
Основных принципов для пользователя вполне достаточно.

Даже для проектирования вполне достаточно уже готового образца и основных принципов, типа пропорциональности ПС квадрату скорости и тд.

[mm7]

Да. Все эти формулы не объясняют причину возникновения явления, а просто подводят под них математический аппарат, чтобы точнее угадывать результат.
А пока что, с моей точки зрения, центробежно-вязкостная "теория" объясняет само явление.
Крыло, двигаясь вперед, заставляет поток огибать профиль по дугам, и там из-за того, что вода имеет массу возникает центробежное ускорение, частицы воды стремятся отлетать в радиальном направлении. Но им не дает этого сделать вязкость, межмолекулярные силы, (или вакуум), которые удерживают молекулы по радиусу от периферии к центру вплоть до поверхности крыла.
Они как грузик, крутящийся на веревочке, который тянет в сторону. Масса потока, идущая по кривой - грузик. Межмолекулярные связи (или вакуум) - вязкость - веревочка.

Года 2 назад я даже пробовал считать ПС фойла по этой гипотезе. Получилось. Но толщину слоя я подгонял под реальную ПС. Толщина получилась где-то 10-15 см. Что вполне согласуется с практикой. Если ехать на глубине менее 10-15 см, то ПС фойла сильно уменьшается.
( естественно, считал примитивно, по Ньютоновски на уровне 6-го класса. Но приближенно все сходится)

С другой стороны, согласно теории циркуляции, профиль не обязательно должен быть выпуклым. Главное чтобы создавалась "циркуляция скорости". Т.е. разница скоростей потоков, сверху скорость больше снизу меньше.
Т.е. ПС может создать даже тонкая плоская пластина при УА=0.
Надо ее сделать сверху гладкой, а снизу шершавой. И должно поднимать. Как-бы сделать эксперимент? Но думаю, в данном случае поднимать будет только нижняя часть. Т.к. там будет турбуленция, скорость уменьшится, молекулы набуровятся, давление поднимется.
Вернее молекулы набуровятся, и поэтому давление поднимется и, как побочный эффект, скорость уменьшится. А сверху всё как обычно, ламинарный или слабо турбулированный поток, без уменьшения давления и увеличения скорости.
Т.е. я к чему, вместо циркуляции скорости, надо-бы говорить о "циркуляции давления". Т.к. оно первично, а скорость вторична. Т.е. "бернулли" наоборот.
Или даже о "циркуляции сопротивления" - снизу больше, сверху меньше. Т.к., в данном случае, сопротивление вызывает нагромождение молекул с повышением давления и уменьшением скорости.


> Основных принципов для пользователя вполне достаточно.

Птицы и насекомые вообще даже принципов не знают. А пользуются. Да еще как! :)

[latad]

Подозреваю, что при плоской пластине будет всё наоборот, тянуть будет шершавая сторона, потому что она заставит поток огибать пластину дальше от неё, создав зону застоя и/или турбулентности в непосредственной близи от поверхности.
Этим эффектом пользуются и на плавниках, делая поверхность шершавой и заставляя поток воды скользить по воде, сцепленной с поверхностью, а не по плавнику.