Met behulp van deze stromingswetten kan men onder andere verklaren: -hoe draagkracht bij een vliegtuigvleugel ontstaat -hoe men de vliegsnelheid bepaalt -waarom de vorm van de luchtinlaat van een straalmotor divergerend is -hoe de trekkracht bij een propeller onstaat
Lage en hoge snelheden
Sinds de ontwikkeling van vliegtuigen, die snelheden kunnen bereiken groter dan de snelheid van het geluid, moet onderscheid gemaakt worden tussen lage en hoge snelheden. Hoge snelheden worden aangegeven met het getal van Mach. Het getal van Mach is genoemd naar Oostenrijkse professor van de 19e eeuw Ernst Mach. Het getal van Mach geeft geen snelheid aan, maar de verhouding tussen twee snelheden. Het getal van Mach geeft de verhouding aan tussen de werkelijke vliegsnelheden en de plaatselijke geluidsnelheid. Daar vliegtuigen op verschillende hoogtes vliegen, moet men van de plaatselijke geluidssnelheid spreken, doordat de geluidssnelheid afhankelijk is van de temperatuur.
In formulevorm:
Vwerkelijk M= --------------------- Vgeluid
Vwerkelijk = werkelijke vliegsnelheid (m/s) Vgeluid = plaatselijke geluidssnelheid (m/s) M = getal van Mach (-)
Wanneer de vliegsnelheid de geluidssnelheid nadert, treden compressie en expansieverschijnselen (verdichtingen en verdunningen) van de lucht op. Deze hebben een grote invloed op het stromingsgedrag rondom een vliegtuig.
Ideale stroming
Wanneer een vliegtuig met een bepaalde snelheid door de lucht beweegt, zullen er compressieverschijnselen optreden. Zelfs bij lage luchtsnelheden treden deze compressieverschijnsele al op. Bij stromende vloeistoffen treden deze compressie- verschijnselen nauwelijks op, doordat een vloeistof haast niet sasmendrukbaar is.
Tot ±550 km/h kan men een luchtstroom als onsamendrukbaar beschouwen, zoals bij een vloeistof. Als men de lucht als onsamendrukbaar beschouwt, maakt men dus bewust een fout. Maar tot ±550 km/h is deze fout niet dan ±5%. Gaat de snelheid echter groter worden dan 550 km/h dan gaat de gemaakte fout steeds groter worden en kan men de lucht niet meer als onsamendrukbaar beschouwen.
De tweede vereenvoudiging die men maakt is de verwaarlozing van de wrijving. Door de onderlinge snelheidsverschillen in stromende lucht zullen de luchtdeeltjes elkaar beinvloeden. Tot ±550 km/h mag men deze wrijving verwaalozen.
onsamendrukbare, wrijvingsloze lucht wordt beschouwd zich te gedragen als een ideale vloeistof. Een ideale vloeistof is onsamendrukbaar en beweegt wrijvingsloos.
Verder maakt het geen enkel verschil of het viegtuig zich beweegt door stilstaande lucht of omgekeerd de lucht met een even grote snelheid langs het stilstaande vliegtuig stroomt. Het effect is hetzelfde.
Het zichtbaar maken van stromingsverschijnselen
Doordat lucht niet zichtbaar, zijn er verschillende methoden ontwikkled om stromingsveschijnselen zichtbaar te maken. Hoe een luchtstroom om of op een voorwerp zich gedraagt, kan op de volgende manieren zichtbaar worden: -Met behulp van rook of verstoven poeder. Het beeld dat ontstaat geeft de stroming rondom het voorwerp weer.
-Door een oliemengsel op het te onderzoeken oppervlak te smeren. Dit geeft alleen informatie over hoe de stroming zich op het oppervlak zich gedraagt.
-Door bevestiging van draadjes op het oppervalk (tufts) Deze geven plaatselijk de stromingsrichting aan.
-Door kleurstof aan een vloeistof toe te voegen. Deze kleurstof geeft het stormingspatroon om het voorwerp weer.
-Met behulp van de optische methode (sliertensysteem) Met de optische methode kunnen plaatselijk veranderingen van de dichtheid van de lucht zichtbaar worden gemaakt. Deze methode wordt toegepast bij hoge snelheden. Iedereen heeft wel eens op een warme, zonnige dag boven een asfaltweg de lucht zien trillen. Doordat de dichtheid van de warme lucht boven het asfalt kleiner is, zullen de erop vallende lichtstralen worden afgebogen. In een luchtstorming, waarbij de snelheid die van het geluid nadert of hoger is dan de geluidssnelheid, kan plaatselijk de dichtheid van de lucht sterk veranderen. Een erop vallende lichtstraal zal daardoor dan afbuigen. De mate van afbuiging wordt bepaald door de dichheidsverandering en wordt via een kleurspectrum zichbaar gemaakt. Het gedeelte met toenemende dichtheid wordt door een andere kleur weergegeven, dan het gedeelte met afnemende dichtheid.
Hulpmiddelen bij het tekenen van stromingspatronen:
Een luchtstroom kan men zichtbaar maken met behulp van getekende stroomlijnen.
Een stroomlijn een lijn, waarvan in elk punt de raaklijn aangeeft welke bewegingsrichting de luchtdeeltje daar op dat ogenblik hebben.
Behalve de stromingsrichting kan men met getekende stroomlijnen ook de snelheidsverandering van een stroming aangeven. Wordt de doorgang kleiner, dan gaan de stroomlijnen naar elkaar toe. De snelheid neemt dan toe. Wordt de doorgang groter, dan gaan de stroomlijnen van elkaar af en neemt de snelheid af. Stroomlijnen snijden elkaar nooit.
Stromingssoorten:
Stromingen zijn te onderscheiden in:
-Laminaire stromingen -Turbulente strmoingen
Laminaire stroming:
Dit is een storming, die in evenwijdige lagen is opgebouwd. Het snelheidsverschil tussen de lagen onderling is klein, zodat de deeltjes door een andere laag niet veel gestoord worden. Deze stroming kan men weergeven met stroomlijnen. Bij dunne vleugels zal de stroming om de vleugel langer laminair blijven dan bij dikke vleugels.
Turblunete stroming
Als het snelhedisverschil tussen de lagen te groot wordt treedt rotatie en daardoor werveling op. De stroming wordt dan turbulent genoemd. Deze stroming kan men niet weergeven met behulp van stroomlijnen. Bij dikke vleugels zal de stroming om de vleugel vrij snel turbulent worden.
Laminaire en turbulente stromingen kunnen weer onderscheiden owrden in een: - stationaire stroming - niet starionaire stroming
Stationaire stroming:
Een stationaire stroming is een stroming, waarbij het stromingsbeeld per plaats niet verandert met de tijd. Een stationaire stroming is daarom weer te geven door middel van stroomlijnen.
Niet-stationaire stroming:
Bij een niet-stationaire stroming verandert het beeld met de tijd en is daardoor niet meer voor te stellen door middel van stroomlijnen.
Stroombuizen:
Wanneer men een willekeurige bundel stroomlijnen uit een stroming licht, vormt deze bundel een stroombuis. Er verandert daarbij niets aan de stroming.
Een stroombuis is een buis, die ontstaat door van een bundel stroomlijnen de buistenste in gedachten te vervangen door een vaste wand.
Afhankelijk van het stromingsbeeld, zal de stroombuis recht of gebogen zijn. Neemt de doorsnede in de stromingsrichting gezien toe, dan is dit een divergerende stroombuis en neemt de doorsnede af, dan is dit een convergerende stroombuis.
Statische drukmeting bij een vliegtuig:
Ondanks alle voorzorgen, is de statische drukmeting bij een vliegtuig niet geheel zuiver. Het is namelijk heel moeilijk om de statische druk op een plaats waar een ongestoorde luchtstroming heerst, te meten. De afwijking die op de meetplaats ontstaat moet exprimenteel bepaald worden.
Eisen waaraan de statische drukopeningen moeten voldoen: - de statische meetopeningen moeten loodrecht op de strmoingsrichting staan - de statische meetopeningen moeten in de ongestoorde stroming liggen - de openingen moeten kleiner dan 0,5 mm zijn - de openingen mogen niet dichtvriezen - ze moeten dubbel uitgevoerd zijn in verband met het slippen van het vliegtuig
Stuwpunt:
Bij elk voorwerp in een luchtstroming, is aan de voorzijde een bepaald punt te vinden, waar een stroomlijn loodrecht van dat voorwerp staat en waar de stroming zich splitst. Deze stroomlijn wordt de scheidingsstroomlijn genoemd. Vanaf dit punt gezien verwijderen de stroomlijnen zich van elkaar. In dit punt komen de luchtdeeltjes tot stilstand, waarna zij sterk van richting veranderen om hun weg te vervolgen.
Volgens Bernoulli geldt voor elk punt van een stroomlijn:
p0 + ½ r.V0 2 = p1 + ½r. V12
Omdat v1 = 0 m/s is :
p0 + ½r . V0 2 = p1=ptot
In punt 1 is de druk maximaal, alle snelheidsenergie is omgezet in drukenergie. Dit punt wordt daarom het stuwpunt genoemd.
Bij voorwerpen in de luchtstroming, zoals vleugels, staartvlakken en schroefbladen, zal elke doorsnede, gezien in de stromingsrichting, een stuwpunt hebben, er is dan sprake van een nauw aaneengesloten rij stuwpunten. Een stuwpunt is, wat ligging betreft, geen vast punt. De ligging wordt bepaald door de stand van het voorwerp ten opzichte van de aanstromingsrichting, de vorm van het voorwerp en de stroomsnelheid.
Snelheidsmeting bij een vliegtuig:
De snelheidsmeting wordt gedaan met behulp van een pitotbuis, genoemd naar de uitvinder Henry Pitot, een Franse natuurkundige uit de 18e eeuw. Deze pitotbuis is een gekalibreerde meetbuis, die de drukverandering doorgeeft die door de luchtsnelheid veroorzaakt wordt.
In de pitotbuis wordt de snelheid tot nul gereduceerd, zodat in de buis de totale druk (statische druk + stuwdruk) heerst. Deze wordt vergeleken met de apart gemeten statische druk. Het drukverschil dat met behulp van de pitotbuis wordt bepaald is dan de stuwdruk (q).
Met behulp van de manometer kan men de stuwdruk meten. De druk op de manometer is : links : ps + q
rechts: ps - ---------- q
Het gemeten drukverschil (stuwdruk) is afhankelijk van de luchtsnelheid en de luchtdichtheid.
q = Dp = ½ . r . v2
In het vliegtuig wordt niet zoals hiervoor een vloeistofmanometer aangesloten, maar een membraanmeter (snelheidsmeter), waarvan de drukschaal vervangen wordt door een snelheidsschaal. De totale druk (ps + q) wordt in het membraan toegelaten, de statische druk pskomt rondom het membraan te staan.
Bij grote vliegtuigen zitten de statische drukopneningen op een andere plaats dan de pitotbuis.
Eisen waaraan de plaats van de pitotbuis moet voldoen: -hij moet evewijdig aan de stromingsrichting geplaatst zijn -hij moet in de ongestoorde stroming geplaatst zijn -hij mag niet dichtvriezen
Het onstaan van draagkracht bij een vliegtuig:
Wanneer een vleugel in een stroming wordt geplaatst, zal de lucht boven en onder de vleugel stromen. Door toepassing van de stromingswetten kan het ontstaan van draagkrach verklaard worden.
