Профиль Клайна – Фоглемана

Профиль Клайна-Фоглемана или профиль KF представляет собой простую конструкцию профиля с одной или несколькими ступенями по длине крыла. Первоначально он был разработан в 1960-х годах для бумажных самолетиков.

В 21 веке профиль KF вновь вызвал интерес среди любителей-строителей радиоуправляемых самолетов из-за простоты конструкции. ^{[ 1 ]} Но он не был принят для полноразмерных самолетов, способных перевозить пилота, пассажиров или другую значительную полезную нагрузку.

История

Профиль KF был разработан Ричардом Клайном и Флойдом Фоглманом.

В начале 1960-х годов Ричард Клайн хотел создать бумажный самолетик, который мог бы выдерживать сильный ветер, подниматься высоко, самостоятельно выравниваться, а затем входить в длительное планирование вниз. После многих экспериментов ему удалось достичь этой цели. Он подарил бумажный самолетик Флойду Фоглману, который видел, как он летал и сопротивлялся сваливанию. Затем двое мужчин подали заявку на патент на ступенчатый профиль крыла.

Дальнейшее развитие привело к появлению двух патентов и семейства аэродинамических профилей, известных как профиль KF и профиль KFm (от модифицированного Клайна-Фоглмана). Два патента, патент США № 3,706,430 и патент США № 4,046,338, относятся к введению ступеньки либо в нижней части (KFm1), либо в верхней части (KFm2) аэродинамического профиля , либо в верхней и нижней части (KFm4). Вариации включают аэродинамические профили с двумя ступенями вверху (KFm3) или двумя ступенями сверху и одной снизу (KFm7).

Утверждается, что цель ступеньки состоит в том, чтобы позволить некоторой части вытесненного воздуха попасть в карман позади ступеньки и стать частью формы аэродинамического профиля в виде захваченного вихря или вихревого прикрепления. Предполагается, что это предотвращает отделение и поддерживает поток воздуха над поверхностью аэродинамического профиля.

Прием

2 апреля 1973 года журнал Time опубликовал статью «Бумажный самолетик» . ^{[ 2 ]} о бумажном самолетике и его профиле Клайна-Фоглмана.

Также в 1973 году программа CBS 60 Minutes показала 15-минутный сюжет о профиле KF. CBS повторно запустила шоу в 1976 году. ^{[ нужна ссылка ]}

В 1985 году Клайн написал книгу под названием «Совершенный бумажный самолетик» . ^{[ 3 ]} Чтобы рекламировать книгу, Клайн отправился в Килл-Девил-Хиллз, Северная Каролина , место, где братья Райт впервые совершили полет и совершили свой первый пилотируемый полет на высоте 122 футов (37 м). Это событие снимала съемочная группа Good Morning America. Самый длинный полет Клайна на его бумажном самолетике составил 401 фут 4 дюйма (122,33 м).

Независимые научные испытания

Профиль KFm2, показывающий предполагаемый вихрь ламинарного потока

В 1974 году исследование, финансируемое НАСА, вызванное заявлениями Клайна и Фогельмана и получившим в результате национальное освещение, показало, что аэродинамический профиль имеет худшее отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению , чем аэродинамический профиль с плоской пластиной, при испытаниях в аэродинамической трубе. ^{[ 4 ]}

В 1990-е годы, после истечения срока действия первоначальных патентов , исследователи вернулись к теме ступенчатых крыльев. В исследовании 1998 года Фати Финаиша и Стивена Уизерспуна из Университета Миссури были протестированы многочисленные конфигурации ступеней в аэродинамической трубе. ^{[ 5 ]} Хотя многие конфигурации ступеней ухудшали характеристики крыла, многообещающие результаты были достигнуты с обращенными назад ступенями на нижней поверхности крыла, что в некоторых случаях демонстрировало значительное увеличение подъемной силы без значительного снижения сопротивления. Однако исследователи обнаружили, что одна конфигурация не может быть лучшим решением для любого угла атаки и скорости полета; вместо этого они пришли к выводу, что «во время одного маневра могут потребоваться совершенно разные конфигурации». Идея работает, заключили Финайш и Уизерспун, но только при активной автоматической реконфигурации формы ступенек во время полета. Исследование 2008 года, проведенное Фабрицио Де Грегорио и Джузеппе Фрайоли из CIRA и Римского университета в Италии, развило эту идею дальше. ^{[ 6 ]} Аэродинамические крылья моделей, использованные в испытаниях в аэродинамической трубе, были оснащены многочисленными небольшими отверстиями, через которые можно было продувать или активно всасывать воздух. Они пришли к выводу, что захваченный вихрь, образованный полостью или ступенькой, не может удерживаться на месте без такого активного контроля. Просто пассивно полагаться на форму крыла было недостаточно — вихрь отделился бы, что, возможно, привело бы к худшим характеристикам, чем исходный неступенчатый профиль крыла. Но когда для стабильного удержания вихря на месте были использованы активные средства управления, результаты оказались «действительно обнадеживающими».

Тематическое исследование, проведенное в рамках данного исследования, было сосредоточено на БПЛА RQ-2 Pioneer, используемом со ступенчатым профилем крыла, путем сравнения его аэродинамических характеристик с обычным профилем крыла NACA 4415, первоначально использовавшимся на этом самолете. Основная цель тематического исследования состояла в том, чтобы определить и наметить график этапов полета БПЛА Pioneer с использованием ступенчатой конфигурации профиля крыла и одновременного применения активного управления потоком для получения улучшенных аэродинамических характеристик по сравнению с обычным крылом NACA 4415, первоначально использовавшимся и, следовательно, улучшить летно-технические характеристики, такие как дальность и выносливость самолета. ^{[ 7 ]}

Применение профиля KF сегодня

Плохие показатели аэродинамического качества при испытаниях в аэродинамической трубе привели к тому, что на сегодняшний день профиль KF не использовался ни на одном полноразмерном самолете. Но профиль KF и производные от него «ступенчатые» профили в последние годы приобрели популярность в мире радиоуправляемых моделей самолетов из пеноматериала. Низкие числа Рейнольдса позволяют ступенчатым профилям создавать значительную подъемную силу при возникающем сопротивлении, что делает их все более популярными среди любителей радиоуправления.

Простая форма аэродинамического профиля KF хорошо подходит для изготовления листов из различных пенопластов, обычно из пенополистирола ( EPS) или вспененного полипропилена (EPP). Полученное ступенчатое крыло может иметь улучшенные характеристики и летные характеристики по сравнению с более простым крылом с плоской пластиной, используемым в некоторых радиоуправляемых моделях. Профили, показанные в этой статье, являются примерами профилей, используемых в моделях из пенопласта с радиоуправлением.

Первый пилотируемый самолет профильного базирования KF успешно поднялся в воздух в 1987 году. ^{[ нужна ссылка ]} Ричард Вуд в Канаде. (Журнал Recreational Flyer Magazine, ноябрь декабрь 1991 г.) Максимальная скорость была выше, а сваливание было медленнее. ^{[ нужны разъяснения ]}(Журнал Recreational Flyer. Ноябрь / декабрь 1991 г.). Профиль был испытан на сверхлегком самолете Vector 600.

Профиль KF был применен к ветряной турбине Дарье с использованием захваченного вихря. Эксперименты показали, что ротор KF демонстрирует более высокий статический и динамический крутящий момент при низком значении Рейнольдса и лучшие характеристики в условиях ветра ниже 0,8 м/с. ^{[ нужны разъяснения ]}. Видится потенциальное решение для самозапуска ветряной турбины Дарье.

Первый человек, совершивший полет на аэродинамическом профиле Клайна Фогельмана, совершил 7 июля 1987 г. в Эссексе, Онтарио, Канада, Ричард (Дик) Вуд. Это первая и единственная известная попытка поставить этот профиль на полноразмерный самолет. После обсуждения с изобретателем Диком Клайном было решено сделать по две выемки на каждом крыле. Это привело к положительному побочному эффекту для крыла, заключающемуся в поддержании воздушного потока, прикрепленного к крылу, на больших углах атаки. Vector 600 Ultralight был восстановлен из авиационной ткани, в нем были встроены выемки, но они были закрыты. Первые полеты проводились с закрытыми выемками для создания обычного аэродинамического крыла. В последующих полетах выемки были разрезаны и обнажены. Было отмечено увеличение максимальной скорости и снижение скорости сваливания. Регулярный рейс, похоже, не пострадал. https://www.youtube.com/watch?v=A1zy57S5DUQ

Патенты

Патент США 3,706,430 AIRFOIL FOR AIRCRAFT , подан 17 марта 1970 г., выдан в декабре 1972 г.
Патент США 4046338 Профиль самолета с улучшенным устройством создания подъемной силы , подан 14 октября 1975 г., выдан 6 сентября 1977 г.

См. также

Ссылки

^ Пример обсуждения на форуме RC Groups.
^ «Наука: трюк с бумажным самолетиком» . ВРЕМЯ. 2 апреля 1973 г. Архивировано из оригинала 24 октября 2008 года . Проверено 13 мая 2012 г.
^ Ричард Клайн (1985). Совершенный бумажный самолетик: с пошаговыми инструкциями для семи различных моделей . Саймон и Шустер. ISBN 978-0-671-55551-1 .
^ Ламсдейн, Эдвард (15 декабря 1974 г.). «Исследование секции профиля Клайна-Фоглемана для применения в лопастях несущего винта» (PDF) .
^ Аэродинамические характеристики профиля со ступенчатым вихрем для увеличения подъемной силы, Журнал аэрокосмической техники, январь 1998 г.
^ «Управление потоком на профиле большой толщины с помощью захваченной вихревой полости, 14-й международный симпозиум по применению лазерных методов в механике жидкости, Лиссабон, июль 2008 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2012 г. Проверено 13 мая 2012 г.
^ Вуна, Ранганадхан (2012). Улучшение аэродинамических характеристик ступенчатых профилей. Численное и экспериментальное исследование (1-е изд.). Саарбрюккен: Академическое издательство LAP LAMBERT. стр. 45–54. ISBN 978-3-659-26600-3 .

Внешние ссылки

2022 ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА DARRIEUS С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ

Проектирование и многоперспективные исследования производительности ветряной турбины с вертикальной осью H-Дарье с помощью вычислительной гидродинамики, принятой с использованием подходов с движущейся системой отсчета | Международный журнал низкоуглеродных технологий | Оксфорд Академик

Усиленные аэродинамические профили с плоской задней частью основаны на аэродинамических профилях Клайна-Фоглмана, которые внутри были разделены на 12 подклассов. Профиль Клайна-Фоглемана, иногда известный как профиль KF, представляет собой базовый профиль с одной или несколькими ступенями по длине крыла. В начале 1960-х годов была построена серия аэродинамических профилей KF, которые впервые использовались в бумажных самолетах. Благодаря своей простой конструкции, высокой скороподъемности и устойчивости к ветру они в настоящее время широко используются в самолетах с дистанционным управлением. Поскольку конструктивные профили базового и усовершенствованного профилей сопоставимы, данное исследование было проведено с целью проведения обширных исследований двух типов профилей. Вычислительная гидродинамика (CFD) — это предлагаемый подход для изучения характеристик различных профилей конструкции HDVAWT. CFD — это универсальный подход для решения широкого спектра сложных задач, поскольку он в значительной степени зависит от компьютерных систем для решения вынужденных задач в реальном времени. ANSYS Workbench 17.2 использовался для выполнения численного 3D-моделирования всех предлагаемых конструкций профилей, включая профиль NACA 0018 и серию модифицированных Клайном-Фоглманом профилей NACA 0018. Это было сделано для повышения мощности и эффективности Darrieus VAWT с использованием H-ротора.

По сравнению с профилем NACA 0018, профиль KFm3 с толщиной ступеньки 12% и прямоугольной задней кромкой продемонстрировал эффективность 47% при скорости ветра 6,65 м/с и скорости вращения 120 об/мин. Профиль KFm3 также показал лучшие результаты при тестировании на скорости 80 и 162 об/мин. Таким образом, окончательный вариант HDVAWT был представлен для приложений реального времени, что и является основной целью данной работы; Кроме того, предлагаемый HDVAWT превосходит все существующие ветряные турбины с вертикальной осью.

. Модели 6 и 7 показали лучшие результаты в этом комплексном исследовании. Модель 6 превосходит стандартную модель на 13,96%, тогда как Модель 7 превосходит базовую модель на 47,04%. В результате предполагается, что Модель 7 (лучшая модель) превосходит другие модели, и эта же модель доработана как лучший экстрактор энергии ветра и приемлемая модель для реализации в реальном времени. Предлагаемая седьмая модель HDVAWT работает лучше, чем традиционные и другие предложенные модели. В ходе этой обширной проверки были реализованы многочисленные рабочие обстоятельства, и было обнаружено, что седьмая модель абсолютно готова к использованию.

https://academic.oup.com/ijlct/article/doi/10.1093/ijlct/ctac055/6590200

изображение0.png

[1] Пример обсуждения на форуме RC Groups.

[2] «Наука: трюк с бумажным самолетиком» . ВРЕМЯ. 2 апреля 1973 г. Архивировано из оригинала 24 октября 2008 года . Проверено 13 мая 2012 г.

[3] Ричард Клайн (1985). Совершенный бумажный самолетик: с пошаговыми инструкциями для семи различных моделей . Саймон и Шустер. ISBN 978-0-671-55551-1 .

[4] Ламсдейн, Эдвард (15 декабря 1974 г.). «Исследование секции профиля Клайна-Фоглемана для применения в лопастях несущего винта» (PDF) .

[5] Аэродинамические характеристики профиля со ступенчатым вихрем для увеличения подъемной силы, Журнал аэрокосмической техники, январь 1998 г.

[6] «Управление потоком на профиле большой толщины с помощью захваченной вихревой полости, 14-й международный симпозиум по применению лазерных методов в механике жидкости, Лиссабон, июль 2008 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2012 г. Проверено 13 мая 2012 г.

[7] Вуна, Ранганадхан (2012). Улучшение аэродинамических характеристик ступенчатых профилей. Численное и экспериментальное исследование (1-е изд.). Саарбрюккен: Академическое издательство LAP LAMBERT. стр. 45–54. ISBN 978-3-659-26600-3 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]