17. Turbulatorji

Učinek ostrega prednjega robu je podoben kot žica turbulatorja v glavnem toku pred prednjim robom. Podoben učinek dobimo s trakom, ki ga pritrdimo za prednji rob in ima lahko različne oblike in velikosti. V vsakem primeru moramo ustvariti majhen ločitveni mehurček, kateremu sledi turbulenten tok. Premajhen turbulator ne ustvari prehoda, če pa je prevelik, lahko sproži ločitev toka.
Na določeni razdalji je laminarna mejna plast primorana preiti v turbulentno, vendar je pomembno, da se ne loči od površine. Profil s turbulatorjem ali ostrim prednjim robom dopušča tok zraka, ki se giblje proti glavnemu toku, prehod pa se zgodi v točki najmanjšega tlaka. Tanjši profil lahko ločitev odpravi na zgornji strani. Pri velikem vpadnem kotu je na spodnji strani ločitev nemogoča, ker se prehod zgodi v zastojni točki, tok pa lepo sledi po površini profila. Pri manjših vpadnih kotih je na spodnji strani prehod za prednjim robom in je nepritrjen še vedno pred zadnjim robom.

LOČITVENI MEHURČEK
Schmitz ni podrobno raziskal velikost ločitvenih mehurčkov na njegovih profilih. Profil Gö 801, ki ga je preizkušal Kraemer, je manjše debeline (10 %) kot N-60 (12,6 %). Zaradi tega ima nekoliko manjši premer prednjega roba, vendar večjo ukrivljenost (7 % na globini 40 % – N-60 4 % na globini 40 %). Zaradi tega je bolj podoben tanki ukrivljeni plošči, njegovo kritično Re število pa je nekoliko nižje kot pri profilu N-60. Podrobno merjenje, narejeno v Charwatu na Univerzi v Kaliforniji v letih 1956-57, je bilo na profilu Seredinsky. Profil ima zelo majhen premer prednjega roba (0,7%), ločitveni mehurček pa je podoben kot na profilu Gö 801. Ta profil je oblikoval Seredinsky po predlogu Schmitza. Prednost majhnega prednjega roba je zapolnil z izboklino na spodnji strani, da je dovolj prostora za nosilec krila. Ločitveni mehurček se je oblikoval na približno 35 do 40 % globine tetive. Naraščanje vpadnega kota proti 7° povzroči pomikanje ločitvenega mehurčka naprej. Ločitev turbulentnega toka se zgodi na zadnjem delu, ki je pomemben za porušitev vzgona. Oblikovanje, učinek in pomikanje ločitvenega mehurčka ima zelo velik pomen. Mehurček je dovolj velik, da ukloni zračni tok čez njega po daljši poti, prav tako, kot bi bil profil bolj ukrivljen. To pa povzroči višji vzgonski koeficient. Uspešno povečanje ukrivljenosti skupaj z mehurčkom in pomikanje naprej ima posledico povečati naklon vzgonske krivulje. Takšen učinek se najbolje pokaže na majhnih prostoletečih modelih, ki brezciljno blodijo po zraku. Premikanje ločitvenega mehurčka z njegovim učinkom ter spreminjanje vpadnega kota se med letom dopolnjujeta. Ostro spremenljiv tlak nad profilom povzroča spremembo momenta krila (poglavje 7) na že zelo ukrivljenem profilu krila. Histerezna zanka je vzrok za preoblikovanje ali pok ločitvenega mehurčka. Tak model je v območju kritičnega Re števila v mirnem ozračju stabilen, lahko pa postane nestabilen pri vetrovnem ozračju. Ta pojav se poveča pri krilih, ki imajo zelo občutljiv moment krila, kar je lastnost kril z veliko vitkostjo. To lahko premagamo s profilom z manjšim premerom prednjega roba in primerno ukrivljenostjo profila.
Pri debelejših profilih krila lahko učinek zelo izboljšamo z uporabo turbulatorja. Tudi Schmitz je uporabljal turbulatorje v obliki navadne žice, montirane pred prednji rob. V praksi žico lahko nadomesti tudi tanek prožen plastični trak, ki ga montiramo na krilo tako, da lahko preizkusimo različne lege in ugotovimo najboljši rezultat. Če pa je izbran profil, ki leti v kritičnem Re številu, turbulator nima veliko učinka.

TURBOLENTNI PROFILI
Sigurd Isaacson in Georges Benedek sta oblikovala celo serijo profilov, ki se uporabljajo na modelih. Profili so tanki in predvideni za majhne hitrosti pri turbulentni mejni plasti. Ti profili so zelo popularni in jih uporablja veliko prostoletečih modelov.
Seredinsky tip krila je podoben profilu kot ga imajo ptice.

Razdelitev toka na profilu Seredinsky

Čeprav ga je dokaj težko izdelati je lahko uspešen pri manjših modelih ali krilih z veliko vitkostjo. Prednji rob je podoben kot pri ukrivljeni plošči, vendar pa je profil zelo tanek za vgradnjo močnejšega nosilca. Nekateri Benedekovi profili so predvideni za gradnjo Jedelsky, katerih trdnost je moč zgraditi iz polne balse spredaj in tanke nad zadnjim delom. Oblika se utrdi s prečnimi rebri. Na žalost podatki iz vetrovnika niso bili objavljeni.

Profil Jedelsky

OSVEŽEVANJE MEJNE PLASTI
Martyn Presnell je v vetrovniku v Hatfieldu ravno tako proučeval učinek motilnega traku na prosto letečih modelih. Testno krilo je imelo profil Benedek 6356b in je bilo zgrajeno na enak način kot so grajeni tipični F1A jadralni modeli.

Profil Benedek 6365b s turbulatorjem

Rebra iz balse in prekrito s svilenim papirjem. Eno krilo pa je bilo v celoti prekrito z oplato iz balse. Test je vseboval merjenje vzgona in upora ter ponazoritev toka. Ta zapleten test s pomočjo pigmenta petroleja na površini krila je odkril obnašanje mejne plasti. Kjer je bila mejna plast turbulentna je petrolej hitreje izhlapel. Znotraj laminarnega ločitvenega mehurčka je bilo izhlapevanje manjše zato je bilo vidno gibanje tekočine proti toku. V popolnoma laminarnem toku je petrolej ostal dalj časa in pokazal smer gibanja s tokom zraka. Na ta način je bilo enostavno določiti točko ločitve, ločitveni mehurček in nepritrjen tok za vsak vpadni kot. (Podoben primer lahko opazimo pozno zvečer ali zjutraj, ko na krilo pade rosa. Kjer je tok laminaren rosa ostane, kjer pa je turbulenten rosa izgine.)
Presnelli je dodal turbulator na razdalji 5% tetive krila od prednjega roba. To je bil trak iz lepljive plastike debeline 0,15 in širine 0,75 mm. Kot je pričakoval sta se vzgon in upor izboljšala pri Re manjšem od 40.000, čeprav je bil ločitveni mehurček še vedno navzoč.
Michael Selig je s svojo ekipo na univerzi v Illinoisu opravil sistematičen test z več turbulatorji, katerega rezultati so bili objavljeni leta 1997. Na risbi je odmerjen efekt upora pri različno debelem turbulatorju.

Meritve upora na profilu E 374 z enojnim in večkratnim turbulatorjem pri Re številu 100.000

Na profilu Eppler 374 pri Re 100.000 je uporabil trak širine 12,7 mm in debeline 0,05 mm, ki ga je lepil enega na drugega in tako postopno povečeval debelino. Kot je prikazano na diagramu debelina narašča od 0,05 pa do 0,56 mm (11 plasti).
Osnovna krivulja prikazuje upor na čistem profilu brez turbulatorja. Turbulator na globini tetive 46% je ustvari zelo malo vpliva, čeprav je debel do 0,5 mm. Na globini tetive 13 in 30% pa se pokaže že zelo velik učinek. Tu se je šele pokazalo kakšen učinek ima ozek trak kot turbulator. Upor se je s turbulatorjem zmanjšal za približno 25%. Takšno uporabo so predlagali tudi na krilih, ki so prekrita s plastično folijo saj se pojavi velika razlika upora pri tem Re številu. Debelejši turbulatorji so pokazali boljše rezultate, vendar je zelo malo razlike med lego turbulatorja na globini tetive 13 in 30%.
Rezultate z večkratnimi turbulatorji je podkrepil tudi Pressnell in so prikazani na drugem diagramu. K ozkemu traku na globini 46% je dodal še en trak na 38% globine tetive, ki ga je postopoma zviševal do debeline 0,45 mm. Upor se je zmanjšal in ga prikazuje krivulja pod številko 2. Dodal je tretji trak na globini 30% (številka 3) in dobil še boljše rezultate. Tudi četrti trak na globini 22% je prispeval k izboljšanju, ko pa je dodal še peti trak na globini 13% je dobil najboljši rezultat (številka 5). Ugotovil je, da že tanek trak naredi veliko spremembo, vendar je bolje uporabiti nekoliko debelejši trak. Razložiti te rezultate ni lahko. Dodajanje trakov na globino tetive od 22 do 38% uspešno zmanjšuje upor dokler ne postavimo traku na globino 13%. Toda en trak na globini 30% ima skoraj tak učinek kot večkraten turbulator. Tudi če dvignemo Re število na 200.000 vidimo, da so zelo majhne razlike med posameznim turbulatorjem ali več skupaj.

Pri višjih Re številih ima debelina turbulatorja lahko drugačne rezultate, saj povečevanje turbulatorja lahko začne povečevati upor. Vse to je skladno z verjetnim. Turbulatorji v obliki motilnih trakov so koristni za majhne in počasne modele. Pri višjih vrednostih Re števila pa se ne zdijo koristni.
Zadnja risba je nastala pri testih iz Illinoisa. Prikazuje profil SD 7037 pri Re 200.000, ki je že v osnovi oblikovan tako, da v čim večji meri zmanjša ločitveni mehurček. Rezultati so pokazali, da turbulator nima učinka ali pa je celo škodljiv.

Podatki profila Eppler 374 so nepopolni, ker so upoštevali le en vpadni kot profila. Podatki Pressnellija pa so narejeni pri veliko nižjem Re številu, vendar na različnem profilu. Lahko povzamemo, da lahko uporabimo turbulator na profilu kjer je bil ta že uspešno uporabljen. Montiramo ga nekje na globini tetive od 10 do 30% in debeline 0,4 mm. Več turbulatorjev se lahko pokriva s spremembo vpadnega kota. Potrebno je še veliko raziskovalnega dela toda Selig je ugotovil, da je delo zelo zapleteno saj je potrebno raziskati veliko različnih profilov pri različnih vpadnih kotih in široki paleti Re števil.

VPLIV STRUKTURE POVRŠINE
Med klasično gradnjo ima krilo lahko že vgrajen turbulator v obliki vdolbine ali neravnin na površini. To ima lahko včasih dobre učinke in samo na ta način lahko razložimo nekatere dobre lastnosti majhnih modelov. Kraemer je delal teste na profilu Gö 801, ki je bil prekrit s papirjem. Pod kritični tok je prevladal do Re števila 42.000 in se lahko primerja z istim profilom s turbulatorjem v obliki žice. Največ zaslug za podobne rezultate nosi univerza v Stuttgartu. Dr. Althaus je v poročilu (Profilpolaren für den Modelflug, Vol. 2) prikazal enake rezultate na prosto letečih modelih. Pokazalo se je, da včasih vzorna gradnja lahko le škoduje. Preprosto prekrit prvi rob je lahko bolj zmogljiv kot vzorna površina, zlasti če ima profil velik polmer prednjega roba. Na tem mora biti poudarek, saj se veliki in hitri modeli izogibajo podkritičnim Re številom. Tu nepravilna površina ali prednji rob le zmanjšujeta vzgonski koeficient.

DRUGE OBLIKE TURBULATORJEV
Najbolj znan je ozek trak saj je bilo z njim narejeno največ testov v vetrovnikih. Modelar včasih namesti tudi debelejši trak, včasih balso 1 ali 1,5 mm, kjer debelina ni primerna. Tak turbulator lažje ustvari ločen tok kot izboljša pogoje v mejni plasti.

CIK-CAK TURBULATOR
Za turbulator se lahko uporabi tudi ozek trak v cik-cak obliki. Testi na univerzi Delft so pokazali, da ima cik-cak trak boljši učinek pred ločitveno točko kot raven trak. Razmak cik-cak oblike je podan s poskusom na določenem krilu. Najboljši rezultat je dosežen ko se nahaja v natančnem razmerju med neprisiljeno težnjo toka znotraj ločitvenega mehurčka in valovitem vrtincu. Modelarju so takšni podatki nedosegljivi, zato je poskus edini ki pripelje do dobrega rezultata. Vendar pa za to potrebujemo škarje s cik-cak rezom različnih velikosti, da lahko preizkusimo več različnih trakov.

PNEVMATSKI TURBULATORJI
Naluknjanost površine krila lahko prav tako kot trak deluje kot turbulator. Zračni tlak v notranjosti krila je ponekod večji kot na zgornji površini, zato skozi luknjice pronica v mejno plast. To moti tok in ga spreminja v turbulentnega. Ta učinek je prvi opazil M. M. Gates v vetrovniku leta 1950. Tudi prava jadralna letala uporabljajo podobne turbulatorja, predvsem na spodnji strani krila blizu zadnjega roba, kjer se ponavadi pojavi ločitveni mehurček, ali vzdolž pregiba flapov. Visok tlak se proizvaja skozi majhno dovodno odprtino pod krilom, ki ustvarja tlak v komori krila. Luknje so navrtane na majhnih razmakih pred ločitvenim mehurčkom, tako se vbrizgava v mejno plast svež zrak in tako zmanjšuje upor profila. Vendar pa je takšen način turbulatorja težko vzdrževati, saj morajo biti majhne luknjice ves čas čiste.

UČINEK ŠUMA
Pri merjenju mejne plasti v vetrovniku lahko zaradi šuma pride do hitre spremembe mejne plasti. Šum ustvarja ventilator ali motor vetrovnika in razdraži zgodnji prehod iz laminarnega v turbulentni tok. Celo zvok med testom lahko vpliva na rezultate. Narejeni so bili tudi zamotani testi z umetno narejenim zvokom, s katerim so poskušali kontrolirati ločitev toka in porušitev vzgona. Zvok je serija majhnih stisnjenih valov zraka in to lahko spremeni mikroskopsko razburkanost toka ob krilu. Prav tako kot šum tudi nihanje površine krila lahko povzroči spremembo v mejni plasti. V praksi lahko tudi hrup motorja in elise povzroči hitrejši prehod v turbulentni tok.

Objave iz iste kategorije: