Hoe vlieghoeken turbulentie en wervelvorming beïnvloeden

Nieuw onderzoek laat zien hoe verschillende vlieghoeken de wervels beïnvloeden die zich achter kegels in de lucht vormen. Dit zou kunnen helpen bij het ontwerpen van stabielere raketten en hogesnelheidsvliegtuigen.

Het onderzoek van het FAMU-FSU College of Engineering is gepubliceerd in Journal of Aircraft.

Wanneer een vliegtuig tijdens de vlucht scherp kantelt, stroomt de lucht eromheen niet soepel. De lucht verdraait zich tot krachtige, wervelende stromingen die het hele toestel kunnen destabiliseren. Deze wervelstructuren, ook wel vortices genoemd, kunnen zich onvoorspelbaar gedragen en er soms voor zorgen dat vliegtuigen naar één kant trekken of onverwacht roteren. In extreme gevallen kunnen ze kritieke onderdelen zoals sensoren of vleugelkleppen beschadigen.

“Vliegtuigen in de lucht worden blootgesteld aan extreme krachten, en naarmate de snelheid en de manoeuvreerbaarheid toenemen, worden deze krachten sterker”, aldus medeauteur Rajan Kumar, hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde en Lucht- en Ruimtevaarttechniek van het Florida Center for Advanced Aero-Propulsion. “Deze studie helpt ons de cruciale verschijnselen die verantwoordelijk zijn voor deze krachten te begrijpen, zodat ingenieurs efficiëntere en stabielere ontwerpen kunnen maken.”

Hoe het werkt

Vortices komen vaak voor, maar onder bepaalde omstandigheden kunnen ze catastrofaal worden. Bij hoge snelheden kan zelfs de kleinste beweging grote gevolgen hebben.

Terwijl de kegelvormige neus van een vliegtuig door de lucht beweegt, vormen zich vortices erachter. Naarmate de invalshoek van het vliegtuig, oftewel de hellingshoek ten opzichte van de luchtstroom, toeneemt, verandert het gedrag van deze wervels. Bij een lage invalshoek blijft de luchtstroom in evenwicht en voorspelbaar. Boven een kritische hoek kunnen wervels echter groot en instabiel worden. Wanneer dit gebeurt, vertraagt ​​de lucht abrupt en kan deze zich in verschillende patronen verspreiden.

Deze verandering creëert ongelijkmatige wervelstromen, of asymmetrische wervels, die ongewenste zijwaartse en rotatiekrachten genereren, waardoor het vliegtuig van koers raakt. In situaties met hoge risico’s, met name militaire operaties, kan zelfs een kleine afwijking betekenen dat een doelwit wordt gemist of dat de controle volledig verloren gaat.

Wat ze ontdekten

Om de overgang van stabiele naar asymmetrische wervels beter te begrijpen, combineerde het team van Kumar experimentele tests met computersimulaties om complexe luchtstromen te modelleren en te bepalen wanneer en hoe instabiliteit ontstaat.

Ze simuleerden de luchtstroom over een kegelvormig object dat met een snelheid net boven de geluidssnelheid (Mach 1,1) beweegt, bij drie invalshoeken: 15, 25 en 30 graden.

• Bij een hoek van 15 graden valt de hoofdwerveling van de lucht uiteen in een complex patroon dat lijkt op twee in elkaar verstrengelde spiralen, die zich vervolgens splitsen in vele dunne, verwarde strengen wervelende lucht.
• Bij 25 en 30 graden ziet het patroon er anders uit. De wervel draait zich uiteen in een enkel spiraalpatroon, wat wijst op een nog sterkere instabiliteit.
• Naarmate de invalshoek toenam, nam ook de asymmetrie van de wervel toe. De luchtstroom veranderde van gestructureerd en voorspelbaar naar instabiel en grillig, wat illustreert hoe snel de controleomstandigheden in de praktijk kunnen verslechteren.

Vortexafbraak

De studie toont aan dat toenemende instabiliteiten binnen de luchtstroom optellen tot grotere verstoringen. Naarmate kleine secundaire wervels ontstaan ​​en interageren met primaire wervels, versmelten ze tot grotere structuren die het evenwicht van het vliegtuig verstoren.

Ook bleek dat het wervelgedrag afhangt van verschillende factoren die met elkaar in wisselwerking staan, waaronder de grootte van de wervels en hun oriëntatie ten opzichte van het vliegtuig. Samen bepalen deze elementen hoeveel kracht er op het voertuig wordt uitgeoefend en hoe moeilijk het wordt om het te besturen.

Kumar en zijn team breiden hun onderzoek nu uit naar wervelgedrag bij hogere snelheden en onderzoeken transsonische besturingsmethoden die vliegtuigen in staat zouden kunnen stellen om in realtime te reageren op instabiliteit, mogelijk met behulp van vooruitgang in kunstmatige intelligentie en geautomatiseerde systemen.