ماهی‌واره

(تغییرمسیر از ماهیواره)
Aerofoil.svg

ایروفیل یا ماهی‌واره[۱] یا هَوابُر یا اِیرفُویل نام شکل ویژه‌ای است که مقطع بال هواپیما یا برخی از تیغه‌های صنعتی مثل ملخ‌ها و پروانه‌ها دارند.

چهار نیروی وارد بر هوابر۱-مقاومت هوا (درگ) ۲- بالا برنده (لیفت) ۳-جلو برنده (تراست) ۴- وزن
نمونه‌هایی از انواع هوابرد به کار رفته در سازه‌های مختلف همچنین در طبعیت مانند دلفین

جسمی که این شکل را داشته باشد با حرکت در شاره‌ای مانند هوا یا آب (برپایه اصل برنولی) نیروی برآر ایجاد می‌کند. عامل اصلی پرواز هواپیما همین شکل ماهیواره مقطع بال آن است که با حرکت در هوا و ایجاد نیروی برآری که بیشتر از نیروی وزن هواپیما (و در جهت مخالف نیروی وزن) است باعث پرواز هواپیما می‌شود.

قسمت جلویی ایرفویل لبه حمله نامیده می‌شود و اولین محل تماس با هوا می‌باشد و از نظر طراحی ظرافت و حساسیت بالایی دارد. قسمت انتهایی، لبهٔ فرار نامیده می‌شود و مانند یک لبهٔ تیز است و در انتهای این محل هوای قسمت بالایی و قسمت پایینی به یکدیگر می‌رسند. روی آن «سطح روئین» یا «انحنای رویی» نامیده می‌شود و زیر آن «سطح زیرین» یا «انحنای زیرین» نامیده می‌شود.

در مهندسی هوافضا ایرفویل جایگاه ویژه‌ای دارد. به طوری که پایه اساس پرواز و بهینه‌سازی آن از مطالعه روی ایرفویل‌ها آغاز شد. برادران رایت هم قبل از اولین پرواز مطالعات و آزمایشاتی روی ایرفویل‌های مختلف داشتند و توسط تونل بادی که خودشان ساخته بودند دست به آزمایش می‌زدند.

بررسی اجمالیویرایش

بال ها ، تثبیت کننده های افقی و عمودی یک هواپیما با بال ثابت با مقاطع عرضی ایرفویل ساخته می شوند ، و همچنین پره های روتور هلی کوپتر. ایرفویل در پروانه ها ، فن ها ، کمپرسورها و توربین ها نیز یافت می شود. بادبان ها نیز ایرفویل هستند و سطح زیر آب قایق های بادبانی مانند تخته میانی و فلکه از نظر سطح مقطع شبیه به هم هستند و با همان اصول ایرفویل کار می کنند. موجودات شنا و پرنده و حتی بسیاری از گیاهان و ارگانیسم های ساکن از هواپیماهای هوایی استفاده می کنند: نمونه های متداول آن بال پرندگان ، بدن ماهی ها است. بال هواپیما به شکل فویل می تواند نیروی رانشی را بر روی اتومبیل یا وسیله نقلیه موتوری دیگر ایجاد کند و باعث بهبود کشش شود.

هنگامی که باد توسط جسمی مانند صفحه صاف ، ساختمان یا عرشه پل انسداد یابد ، جسم کشش و همچنین یک نیروی آیرودینامیکی عمود بر باد را تجربه خواهد کرد. این بدان معنا نیست که جسم به عنوان ایرفویل واجد شرایط باشد. ایرفویل ها اشکال بالابرنده بسیار کارآمدی هستند ، که می توانند نسبت به صفحات مسطح با همان اندازه از همان ناحیه ، بالابر تولید کنند و با کشیدن قابل توجهی کمتر قادر به تولید بالابر هستند. ایرفویل ها برای استفاده در طراحی هواپیماها ، ملخ ها ، پره های روتور ، توربین های بادی و سایر کاربردهای مهندسی هوانوردی قابل استفاده هستند.

منحنی لیفت و درگ به دست آمده در آزمایش تونل باد در سمت راست نشان داده شده است. منحنی نشان دهنده یک ایرفویل با یک کمربند مثبت است بنابراین برخی از لیفت ها با زاویه صفر حمله تولید می شوند. با افزایش زاویه حمله ، بالابر در یک رابطه تقریباً خطی افزایش می یابد که شیب منحنی بالابر نامیده می شود. در حدود 18 درجه این ایرفویل متوقف می شود و بالابر به سرعت فراتر از آن می افتد. افت بالابر را می توان با عملکرد لایه مرزی سطح فوقانی توضیح داد ، که از سطح فوقانی در زاویه اصطبل و پشت آن جدا شده و به شدت ضخیم می شود. ضخامت جابجایی لایه مرزی ضخیم شده ، شکل ایرفویل را تغییر می دهد ، بویژه میزان کمتری را که باعث کاهش جریان و بالابر می شود ، کاهش می دهد. لایه مرزی ضخیم تر نیز باعث افزایش زیادی در کشش فشار می شود ، به طوری که کشش کلی به شدت در نزدیکی و عبور از نقطه اصطکاک افزایش می یابد.

طراحی ایرفویل یکی از جنبه های اصلی آیرودینامیک است. ایرفویل های مختلف رژیم های مختلف پرواز را ارائه می دهند. ایرفویل های نامتقارن می توانند با زاویه صفر حمله باعث ایجاد لیفت شوند ، در حالی که یک ایرفویل متقارن ممکن است برای پروازهای معکوس مکرر مانند هواپیماهای ایروباتیک مناسب باشد. در منطقه آیلرون ها و نزدیک نوک بال می توان از ایرفویل متقارن برای افزایش دامنه زاویه های حمله برای جلوگیری از چرخش-چرخاندن استفاده کرد. بنابراین می توان از طیف وسیعی از زاویه ها بدون جداسازی لایه مرزی استفاده کرد. ایرفویل های زیرصنعتی دارای یک لبه گرد هستند که به طور طبیعی نسبت به زاویه حمله حساس نیستند. سطح مقطع دقیقاً دایره ای نیست: شعاع انحنا قبل از رسیدن بال به حداکثر ضخامت افزایش می یابد تا احتمال جدایی لایه مرزی به حداقل برسد. این باعث کشیده شدن بال می شود و نقطه حداکثر ضخامت را از لبه جلو به عقب منتقل می کند.

ایرفویل های مافوق صوت از نظر زاویه ای بسیار بیشتر هستند و می توانند دارای یک لبه جلوی بسیار تیز باشند که به زاویه حمله بسیار حساس است. یک ایرفویل فوق بحرانی حداکثر ضخامت خود را نزدیک به لبه جلو دارد تا طول زیادی داشته باشد تا جریان مافوق صوت را به آرامی به سرعت زیر صوت شوک دهد. عموماً چنین ایرفویل های ترانسونیک و همچنین ایرفویل های مافوق صوت دارای کامبر کم برای کاهش واگرایی کشش هستند. بالهای هواپیمای مدرن ممکن است دارای بخشهای مختلف ایرفویل در امتداد دهانه بال باشند ، هر یک برای شرایط هر بخش از بال بهینه شده است.

دستگاه های بالابر متحرک ، فلپ ها و گاهی اوقات اسلت ها ، تقریباً در هر هواپیما روی ورقه های هوا نصب می شوند. فلپ لبه عقب مانند aileron عمل می کند. با این حال ، اگر از آن استفاده نشود ، می توان آن را تا حدی به بال جمع کرد.

بال جریان جریان دارای حداکثر ضخامت در خط کمبر میانی است. تجزیه و تحلیل معادلات Navier-Stokes در رژیم خطی نشان می دهد که یک گرادیان فشار منفی در طول جریان همان اثر کاهش سرعت را دارد. بنابراین با داشتن حداکثر کمبر در وسط ، حفظ جریان آرام روی درصد بیشتری از بال با سرعت کروز بالاتر امکان پذیر است. با این حال ، برخی از آلودگی های سطح جریان آرام را مختل کرده و آن را متلاطم می کند. به عنوان مثال ، با باران روی بال ، جریان متلاطم خواهد بود. تحت شرایط خاص ، بقایای حشرات روی بال باعث از بین رفتن مناطق کوچک جریان آرام نیز می شود.[۲] قبل از تحقیقات ناسا در دهه های 1970 و 1980 ، جامعه طراحی هواپیما از تلاش های کاربردی در دوران جنگ جهانی دوم فهمید که طراحی بال های جریان جریان با استفاده از تلورانس های ساخت معمول و نقص سطح عملی نیست. این باور پس از توسعه روشهای جدید تولید با مواد کامپوزیت (به عنوان مثال ایرفویلهای جریان جریان آرام توسط F. X. Wortmann برای استفاده با بالهای ساخته شده از پلاستیک تقویت شده با الیاف) تغییر یافت. روشهای فلزی ماشینکاری شده نیز معرفی شدند. تحقیقات ناسا در دهه 1980 ، کاربردی بودن و سودمند بودن طرح های بال جریان جریان را نشان داد و راه را برای کاربردهای جریان آرام روی سطوح عملیاتی مدرن هواپیما ، از هواپیماهای عمومی زیر صوتی هواپیمای عمومی گرفته تا هواپیماهای حمل و نقل بزرگ ترانسونیک ، تا طرح های مافوق صوت باز کرد. [۳]

برای تعریف ایرفویل ها طرح هایی طراحی شده است - نمونه آن سیستم NACA است. از سیستم های مختلف تولید ایرفویل نیز استفاده می شود. نمونه ای از ایرفویل هدف کلی که کاربرد گسترده ای پیدا می کند و سیستم NACA را از قبل قدمت می بخشد ، Clark-Y است. امروزه با استفاده از برنامه های رایانه ای می توان ایرفویل ها را برای عملکردهای خاص طراحی کرد.

اصطلاحات ایرفویلویرایش

اصطلاحات مختلف مربوط به ایرفویل در زیر تعریف شده است:[۴]

  • سطح مکش (به عنوان مثال سطح فوقانی) به طور کلی با سرعت بالاتر و فشار استاتیک پایین تر مرتبط است.
  • سطح فشار (a.k.a. سطح پایین) نسبتا سطح مکش دارای فشار استاتیک نسبتاً بالاتری است. شیب فشار بین این دو سطح به نیروی بالابری تولید شده برای یک ایرفویل خاص کمک می کند.

هندسه ایرفویل با اصطلاحات مختلفی شرح داده شده است:

  • لبه جلو نقطه ای در قسمت جلوی ایرفویل است که دارای حداکثر انحنا (حداقل شعاع) است. [۵]
  • لبه عقب به طور مشابه به عنوان نقطه حداکثر انحنا در عقب ایرفویل تعریف می شود.
  • خط آکورد خط مستقیمی است که لبه های پیشرو و انتهایی را به هم متصل می کند. این بعد مرجع بخش ایرفویل است.

شکل ایرفویل با استفاده از پارامترهای هندسی زیر تعریف شده است:

  • میانگین خط کمبر یا خط متوسط محل نقاط در میانه راه بین سطح بالا و پایین است. شکل آن به توزیع ضخامت در امتداد آکورد بستگی دارد.
  • ضخامت یک ایرفویل در امتداد آکورد متفاوت است. ممکن است به هر دو روش اندازه گیری شود:
  1. ضخامت عمود بر خط کامبر اندازه گیری می شود. [۶] [۷] این امر بعضاً به عنوان "کنوانسیون آمریکا" توصیف می شود ؛ [۶]
  2. ضخامت عمود بر خط وتر اندازه گیری می شود. [۸] این امر بعضاً به عنوان "کنوانسیون انگلیس" توصیف می شود.

برخی از پارامترهای مهم برای توصیف شکل ایرفویل ، پارچه و ضخامت آن است. به عنوان مثال ، یک ایرفویل از سری 4 رقمی NACA مانند NACA 2415 (که به صورت 2 - 4 - 15 خوانده می شود) یک ایرفویل با کمبر 02/0 وتر واقع در وتر 0.40 ، با وتر حداکثر 0.15 را توصیف می کند.

سرانجام ، مفاهیم مهمی که برای توصیف رفتار ایرفویل هنگام حرکت در مایع استفاده می شود عبارتند از:

  • مرکز آیرودینامیکی ، که به ترتیب آکوردی است که لحظه فشار دادن در آن مستقل از ضریب بالابر و زاویه حمله است.
  • مرکز فشار که محلی با آکورد است که لحظه فشار آن در آن صفر است.

منابعویرایش

  1. «ماهی‌واره» [حمل‌ونقل هوایی] هم‌ارزِ «aerofoil»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. جواد میرشکاری، ویراستار. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. پارامتر |عنوان= یا |title= ناموجود یا خالی (کمک)
  2. «Croom, C. C.; Holmes, B. J. (1985-04-01). Flight evaluation of an insect contamination protection system for laminar flow wings».
  3. «Holmes, B. J.; Obara, C. J.; Yip, L. P. (1984-06-01). "Natural laminar flow experiments on modern airplane surfaces"».
  4. Hurt, H. H., Jr. (January 1965) [1960]. Aerodynamics for Naval Aviators. U.S. Government Printing Office, Washington, D.C.: U.S. Navy, Aviation Training Division. pp. 21–22. NAVWEPS 00-80T-80.
  5. Houghton, E.L.; Carpenter, P.W. (2003). Butterworth Heinmann (ed.). Aerodynamics for Engineering Students (5th ed.). p. 18.
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ Houghton, E. L.; Carpenter, P.W. (2003). Butterworth Heinmann (ed.). Aerodynamics for Engineering Students (5th ed.). p. 17.
  7. Phillips, Warren F. (2010). Mechanics of Flight (2nd ed.). Wiley & Sons. p. 27.
  8. Bertin, John J.; Cummings, Russel M. (2009). Pearson Prentice Hall (ed.). Aerodynamics for Engineers (5th ed.). p. 199.