Perusaerodynamiikkaa

2.1 Nostovoiman syntyminen

Siiven tärkein tehtävä on synnyttää konetta ilmassa pitävä nostovoima. Nostovoima syntyy siipeen ilmavirran suunnan muuttamisen vastavaikutuksena. Suunnan muutoksen suuruus ja lentonopeus määrittelevät syntyvän voiman suuruuden.

 

Kuva: Virtauksen suunnan muuttamisesta syntyy nostovoima. V1 on vapaan virtauksen suunta ja V2 on siiven vaikutuksesta taipunut suunta. Nostovoima määritellään syntyvän kohti­suoraan vapaata vir­tausta vastaan ja vastus vapaan virtauksen suuntaan.

2D virtaus

Seuraavassa tarkastellaan lähemmin nostovoiman syntyä käyttämällä hyväksi aikaisemmin mainittua Bernoullin lakia ja painejakautumaa äärettömän pitkän lieriön ympärillä eli 2D-virtausta. Ensiksi oletetaan, että virtaus on kitkatonta (vasen kuva) ja sen jälkeen otetaan huomioon kappaleen aiheuttama kitka, joka synnyttää vastusta sekä muuttaa virtauksen luonnetta kappaleen pinnan välittömässä läheisyydessä ja varsinkin kappaleen takana, jossa esiintyy enemmän tai vähemmän turbulenssia (oikean puoleinen kuva).

Kuva. Kitkattoman ja kitkallisen virtauksen käyttäytyminen lieriön ympärillä. Yläosassa virtaviivat ja alaosassa painejakauma. Vasemmalla kitkattomassa virtauksessa ei synny nostovoimaa eikä vastusta, koska painejakaumat lieriön ympärillä kumoavat toisensa. Kitkallisessa virtauksessa lieriön taakse muodostuu pyörteinen vanavirtaus, joka aiheuttaa alipaineen kasvun lieriön takana. Kitkatonta virtausta kutsutaan usein myös ”potentiaalivirtaukseksi”, mikä viittaa virtauslaskelmissa käytettyyn termiin.

Kun edellisen kuvan lieriö pannaan pyörimään myötäpäivään, niin lieriön pinnan välittömässä läheisyydessä oleva virtaus saa saman nopeuden kuin lieriön pinta. Tämä sirkulaatioksi kutsuttu nopeus summautuu ympäröivään virtaukseen. Sirkulaation lisääminen nostaa etupuolella liikkuvia virtaviivoja ylemmäksi, jolloin patopiste siirtyy alemmaksi aiheuttaen jopa kitkattomassa virtauksessa nostovoiman ilman vastusta. Kun lisäksi ilman viskositeetista johtuva vastus otetaan huomioon, niin saadaan todellinen virtaustilanne, jossa on sekä nostovoimaa että vastusta. 

Kuva. Lieriön pyöriminen aiheuttaa virtauksen kääntymisen ennen ja jälkeen lieriön. Yläpinnalla nopeus kasvaa ja alapinnalla hidastuu. Kitkattomassa virtauksessa virtaviivat ovat symmetrisesti pystyakselin suhteen, jolloin vaakavoimat tasapainottavat toisensa mutta pystysuunnassa yläpinnan alipainealue kasvaa ja synnyttää nostovoiman. Kitkallisessa virtauksessa lieriön taakse syntyvä pyörteinen vanavirtaus aiheuttaa epäbalanssia vaakasuunnassa synnyttäen painevastusta. Kuvasta nähdään, että virtaus kääntyy ylös ennen lieriötä ja alas lieriön jälkeen. Näille suunnan muutoksille on annettu nimet ylöstaite ja alastaite (upwash ja downwash). Pallopeleistä tuttu kierrepotku tai -lyönti aiheuttaa kaarevan lentoradan, joka on käytännön esimerkki tämän teorian paikkansa pitävyydestä.

Tätä pyörivän sylinterin nostovoimaa synnyttävää ominaisuutta on käytetty hyväksi ns. Flettner-purjeessa, joka on pyörivä sylinteri purjeen tilalla. Google: Flettner rotor. Pallopeleissä vastustajaa pyritään hämäämään lyömällä kierteinen pallo, jolloin sen rata kaartuu kierteen suunnasta riippuen. 

 Siipiprofiilin nostovoiman synty

Kuva: Virtaus ja painejakauma siiven ympärillä. Jos virtaus olisi kitkaton, niin taempi patopiste olisi siiven yläpinnalla mutta kitkallisessa virtauksessa se siirtyy jättöreunaan. Tämä vastaa lieriöesimerkissä sitä, että lieriö pyörii, mutta nyt ilman kitka siirtää taemman patopisteen jättöreunaan, mikä aiheuttaa sirkulaation. Siiven alapinnalla virtaus hidastuu ja yläpinnalla kiihtyy, mikä vastaa lieriön pyörimisen vaikutusta. Virtauksen taipumista ennen siipeä ylös kutsutaan ylöstaitteeksi ja siiven jälkeen alastaitteeksi.

 

Lentokoneen siiven nostovoiman syntyminen vastaa pyörivän lieriön tapausta. Kun siiven kohtauskulma kasvaa niin etummainen patopiste siirtyy hieman alaspäin ja takimmainen patopiste pyrkii siiven ylä­pinnalle. Tällöin virtaus joutuisi kuitenkin kiertämään takaa siiven yläpinnalle. Ilman sisäinen kitka estää tällaisen nopean kiepsahduksen vastakkaiseen suuntaan ja taempi patopiste pysyy jättöreunassa. Sakkausilmiössä tämä virtauksen kiepsahdus siiven yläpuolelle toteutuu. Kuvassa esitetään siiven ympäri tapahtuva virtaus kitkattomassa ja kitkallisessa virtauksessa.

3D virtaus

Edellä olevissa virtauskuvissa virtaus on ennen ja jälkeen lieriön vapaan virtauksen suuntainen, mikä pitää paikkansa vain äärettömän pitkälle lieriölle. Todellisessa tilanteessa virtaus muuttaa lieriön takana suuntaansa alaspäin sitä enemmän mitä suurempi nostovoima ja mitä lyhyempi lieriö eli siipi. 

Kuva: Virtauksessa siiven takana virtaus taittuu alaspäin. Kohtauskulma on vapaan virtauksen ja jänteen välinen kulma. Suhteellisen virtauksen suunta on tulo- ja jättö­virtauksen suunnan keskiarvo, eli noin puolivälissä alas taittuneen virtauksen ja vapaan virtauksen suunnasta. Äärellisen siiven tapauksessa virtauksen suunnan muutoksen suuruus riippuu paikasta ja siiven ominaisuuksista. Tästä seuraa myös, että suhteellisen virtauksen suunta ei ole vakio pitkin siipeä, mikä myös on syy siihen, että on sovittu nostovoiman suunnaksi kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan, koska se on selkeä suunta ja sama koko siiven pituudella.

NOSTOVOIMA SYNTYY KOHTISUORAAN PYÖRIMISAKSELIA[1] JA SUHTEELLISTA VIRTAUSTA VASTAAN.

Mutta on sovittu, että nostovoima on kohtisuorassa vapaata virtausta vastaan ja vastus vapaan virtauksen suuntainen. Näin on sovittu koska suhteellisen virtauksen suunta on vaikea määritellä mutta vapaan virtauksen suunta on aina saatavilla.

Siiven pituuden vaikutuksesta nostovoimaan