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後退翼の翼端失速について
お世話になります。 後退翼は翼端から失速が起こりますが、 理由に工学の本には、 気流が翼端方向に流れ、翼端部の境界層が厚くなるため 翼端から失速すると書いてあります。 （他の理由、例えばテーパーとかはこの場合考えないとして） 境界層が厚くなるということは、 「層流境界層より乱流境界層の方が厚いため、」 翼端部が乱流境界層になると考えて、 より剥離しにくくなると思ってしまうのですが、 （ボルティックジェネレータとか...） どこの理解に問題があるのでしょうか？ そもそもとんちんかんな質問なのかもしれませんが、 どなたかどうぞご教授下さい。
- 物理学
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>境界層が厚くなるということは、「層流境界層より乱流境界層の方が厚いため、」 翼に接している空気の速度は“０”です。 翼から遠ざかるにしたがってその流速は外気の流れに近づきます。 翼に接したところから外気の流速と同じ速度になる直前までを、境界層と呼んでいます。 境界層には、層流境界層と乱流境界層とがあります。 したがって、「層流境界層より乱流境界層の方が厚い」ということにはなりません。 どちらかです。 ここが間違っています。 翼端失速は、翼上面の圧力より下面の圧力が勝るため、翼下面の空気が翼上面に回り込み境界層を剥離させるというのが一般的です。 境界層が厚くなれば、当然、層流境界層、乱流境界層のいかんを問わず、剥離しやすくなります。 したがって、「気流が翼端方向に流れ、翼端部の境界層が厚くなるため翼端から失速すると」書かれていると思われます。 >翼端部が乱流境界層になると考えて、より剥離しにくくなると思ってしまうのですが 確かに、乱流境界層は層流境界層にくらべ、剥離しにくいのは事実です。 しかし、上記の通り、境界層が厚くなると境界層剥離がし易くなり、翼端失速を起こし易くなります。 層流境界層が乱流境界層に変化するのではありません。 レイノルズ数が大きくなると層流境界層から乱流境界層へと境界層遷移します。 レイノルズ数は、同じ空気、同じ翼の場合は、マッハ数に比例するようです。
補足
回答ありがとうございます。 ＞「層流境界層より乱流境界層の方が厚い」ということはない。 なるほど、そうなんですか。 工学の本には、どれも乱流境界層の方が厚く描かれているので、 そうなんだろなぁと思っていました。 ただ乱流境界層の方が厚いのは、主流との流れのエネルギーの授受が 行われるため乱流になるわけで、 混ざり合わない層流境界層に比べ、乱流境界層は混ざり合う？ため 基本的には厚めになるのではないかなぁと思っています。 ところで揚力の発生原理は、後付の理由と言われるベルヌーイの定理 から翼上下面の静圧の圧力差で生まれるようですが、 回答を読んでいくと、揚力は境界層の差から発生すると 書かれていることに気づきました。 確かに主流は関係ないですからね。 ということは、層流境界層であろうが乱流境界層であろうが 境界層が厚くなるということは、それだけ上下面の圧力差が 大きくなっているため失速しやすくなる。 という解釈で合っているでしょうか？ また、境界層剥離の原理で考えると 主流に比べて遅い境界層は、上面の曲率のある面を流れるとき あるところで流速最大で、それより下流に行くと逆圧力で流れにくくなります。 翼面から遠いところは、流速が大きく慣性が大きいので逆圧力勾配に打て勝って下流まで流れていきますが、 翼面近くでは、流速が小さいので慣性は小さく圧力に打ち勝って下流へ 流れることが困難になり、ついに剥離する。 ということは、境界層が厚くなると遅い流れの部分が大きくなって、 小さい慣性力の層が増える。 だから、逆圧力勾配に打ち勝ちにくくなって、剥離しやすくなる。 ということになるのでしょうか？？ 前進翼が、翼根から失速する理由も同じですよね？ 少し理由が分かってきたような気がします。 回答ありがとうございました。
- isa-98
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高々度では高速の流速が発生しますが、地表付近では弱まります。 これを車の洗車で考えれば 水流は外では高いですが、塗装面では遅くなり、指で落ちる汚れすら落ちない状態となります。（こすらなければならない。） また、山と山の間からの風は突風となり 方向性の乏しい乱流とはなりません。 境界層厚さを地表の高度に置き換えれば、 中高度まで吹いているのと、高々度まで吹いているのとでは 突風と強風ぐらいの違いとなります。 ここにビル、山を置けば、 突風では剥離しづらい（進行性が極めて強く、空気すら引き連る） 強風では剥離しやすい。（進行性が弱く、巻き返しや無風となる。） となるのではないでしょうか？ 更に図ので展開すれば、 Yを１００とした場合には、表層のV０はほぼ０になる。 または、逆向きになりませんか？ つまり、上空は東向きだが、地表では西向きの風となる。 と言うたとえです。
補足
再度の回答ありがとうございます。 中高度では突風になり、流れが速く剥離しづらい。 高々度では強風になり、流れが遅く剥離しやすい。 ということですね。 後退角を大きくしていくと、気流を翼弦方向と翼端方向に 向かう流れに分けて考えることができるようですが、 （そのため翼に作用する流れが遅くなって、音速以上に飛べる） 気流が翼端方向にどんどん流れてきたら、 その増えた流れの量をさばくために、流速が速くなるわけではないので 境界層が厚くなる。 No.1さんの回答から、厚い境界層≠乱流境界層ではないと考えて、 厚くなった層流境界層が剥離しやすくなる。 （この場合、厚い境界層が剥離しやすい説明にはなっていないような） 厚くなると突風から強風になるというのは、なんとなく分かるのですが 流量も増えているから強風に速度が落ちるのでしょうか？ 増えた流量をさばくため厚くなるのであって、速度は落ちない？ ＞更に図で展開すれば 以下の説明がよく分かりませんでした。 しかし、翼端か剥離するのは事実ですし まだよく理解できません。。 回答、ありがとうございました。
- isa-98
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地表で考えれば十分解決出来ると思います。
補足
回答ありがとうございます。 地表？ 風が地表を流れる、大きいスケールでイメージすれば、 答えが出てくるということでしょうか。 う～ん、わかりません。 ありがとうございました。
- funflier
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私も教科書に書いてある以上のことは解りませんが、多分、 ＞境界層が厚くなるということは、「層流境界層より乱流境界層の方が厚いため、」 翼端部が乱流境界層になると考えて ～ とのことですが、「境界層が厚くなる ＝ 境界層遷移して乱流になる 」 あるいは 「厚い境界層 ＝ 必ず乱流境界層 」 ではないからだと思います。 後退翼の話では厚くなった層流境界層がそのまま剥離することによる失速が問題 になるのではないでしょうか。 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A2%83%E7%95%8C%E5%B1%A4 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A2%83%E7%95%8C%E5%B1%A4%E9%81%B7%E7%A7%BB http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B9%B1%E6%B5%81%E7%BF%BC
お礼
回答ありがとうございます。 「厚い境界層 ＝ 必ず乱流境界層」 ではないということですね。 確かに必ず乱流境界層になるって考えるのは間違ってるかもしれませんね。 剥がれやすい層流境界層が、厚くなってさらに剥がれやすくなった？ ってことでしょうか...。 そうすると、厚い層流境界層はなぜ『より』剥がれやすくなるのでしょう...。 難しいです。 ありがとうございました。
補足
再度回答、ありがとうございます。 理解が遅く申し訳ありません。 ＞「境界層剥離」はもともと表面近くで逆流域が発生し、 ＞渦を巻いて流れる伴流の上に境界層がある状態のことを指しているので、 ＞例えば薄い層であれば表面近くすぐ上に速い流れがある訳ですが、 ＞厚い層では層の外側から次第に減速していって表面まで達するので ＞比較的遅い流れの占める領域の幅が広い筈です。 ＞この方が逆流が発生しやすいとは解釈できないでしょうか。 ＞圧力勾配云々で考えるよりややこしくないとは思うのですが。 境界層剥離とは、「伴流の上に境界層がある状態のこと」とは しりませんでした。言われてみたら剥離（特に初期？）の上はすぐ主流 というわけではありませんね。 どうやら私は、境界層剥離の基本が理解できていないようです。 確かに層が厚いと、比較的遅い流れの占める領域が広く逆流が発生しやすい と考えることができますね。 No8さまの ＞やがて、境界層が厚くなるにつれ、 ＞自由流付近の境界層の一部が縦方向の渦となって、 ＞平板(翼)後縁付近で境界層の下に潜り込むような動きをし、 ＞ついには、平板(翼)後縁の境界層を剥離させ始めます。 との説明とあわせると更に納得できるような気がします。 境界層が厚くなると剥離しやすい答えを得られたようで、 ほんとうにご丁寧にありがとうございました。 時間が遅くて、まずはNo6さままでの補足とさせて頂きます。