Waarom overtrekt een vleugel?
Ik wil hier iets dieper ingaan op waarom een vleugel eigenlijk overtrekt.
Allereerst laat ik daarvoor een afbeelding zien van de drukverdeling rond een profiel:
Dit is een grafiek die de drukverdeling laat zien van het NACA0012 profiel (symmetrisch profiel) dat onder een invalshoek van 4 graden in een luchtstroming staat. Op de 0-lijn is de druk gelijk aan de druk in de vrije stroming. +1 (onderop de vertikale druk-as) is de maximale druk die mogelijk is in stromende lucht. Die druk wordt bereikt op het stuwpunt, het punt waar de luchtstroom totaal tot stilstand komt tegen het profiel. Dit is het punt waar de deeltjes die bovenlangs gaan en die onderlangs gaan van elkaar scheiden. Alles boven de 0-lijn is onderdruk, hoe meer boven de lijn, hoe lager de druk. De bovenste lijn in de grafiek is de druk op de bovenzijde van het profiel (daar heerst dus over het grootste deel van de koorde onderdruk, de onderste lijn is de druk op de onderzijde van het profiel, die zit meest rond de 0-lijn (druk in de vrije stroming).
Wat laat deze grafiek zien? Aan de onderzijde zit net achter de neus een positieve drukpiek, het stuwpunt (zie hierboven). Net daarachter neemt de druk weer af om rond de 0-lijn te blijven hangen.
Aan de bovenzijde van het profiel zit rond de vleugelneus een hele grote negatieve drukpiek. De luchtdeeltjes moeten hier om de vleugelneus heen stromen, met een hele grote kromming. Daarvoor is een grote onderdruk nodig. Daarachter neemt de druk weer snel toe, maar hij blijft een stuk lager dan de druk aan de onderzijde van het profiel. Verder naar achteren blijft de druk langzaam doorstijgen tot de achterlijst.
Wat laat dit ons zien? De luchtdeeltjes worden aan de bovenzijde van het profiel even heel erg versneld om om de vleugelneus te stromen. Daarna moeten ze tegen een steeds verder toenemende druk (de lijn daalt, de onderdruk wordt steeds minder, dus feitelijk is dit een toenemende druk) in stromen. Je kan je voorstellen dat dat moeilijk is. Als de invalshoek toeneemt neemt ook de negatieve drukpiek rond de vleugelneus toe en ook de helling van de druklijn over de bovenzijde van het profiel neemt verder toe. De drukgradient waar de deeltjes tegenin moeten wordt dus steeds groter, en het wordt steeds moeilijker voor de deeltjes om tegen deze toenemende druk in te komen.
Als de drukgradient aan de bovenkant van het profiel groot genoeg wordt, dan gebeurt het volgende:
De deeltjes vlabij de vleugelhuid gaan steeds langzamer stromen door de steeds toenemende druk waar ze tegening stromen. Op een gegeven ogenblik vallen de deeltjes stil, en nog iets verderop gaan ze gewoon terugstromen langs het profiel. De stroming is nu losgelaten en ziet er ongeveer als volgt uit:
Als de invalshoek toeneemt, neemt ook de gradient van de druk langs de bovenzijde van de vleugel steeds verder toe. Er is dus een kritische invalshoek waarbij de stroming niet meer tegen de toenemende druk inkomt en loslaat van de vleugel. Bij deze invalshoek overtrekt de vleugel dus.
Laminaire of turbulente grenslaag
Het maakt nogal uit of de grenslaag laminair of turbulent is. Bij een laminaire grenslaag bewegen alle deeltjes ongeveer parallel aan elkaar langs de vleugel. Bij een turbulente grenslaag gaat het veel chaotischer en bewegen de deeltjes kris-kras door elkaar. Een laminaire grenslaag heeft de neiging veel eerder stil te vallen in een positieve drukgradient. In een turbulente grenslaag wordt nl steeds nieuwe energie van buiten naar de vleugelhuid gebracht door de deeltjes die uit de buitenste regionen van de grenslaag naar binnen komen. Zodoende kan een turbulente grenslaag veel langer tegen een positieve drukgradient instromen. Natuurlijk zitten er grenzen aan en laat ook een turbulente grenslaag uiteindelijk los, maar die grenzen liggen een stuk verder dan bij een laminaire grenslaag. Als de grenslaag niet op tijd turbulent wordt dan kan het dus zijn dat de vleugel bij een hele lage invalshoek al overtrekt, de kritische invalshoek bij een laminaire stroming is veel lager dan bij een grenslaag die wel op tijd turbulent wordt. Een stroming die te lang laminair blijft treedt vooral op bij lage Reynoldsgetallen, zie voor een uitleg hierover een ander draadje.
In een laminaire grenslaag kan al vroeg op de vleugel loslating optreden, waarna de grenslaag turbulent wordt en toch weer aan gaat liggen aan de vleugel. Je hebt dan een kleine 'loslaatblaas' waarin de stroming tijdelijk is losgelaten van de vleugel. Dit ziet er ongeveer als volgt uit:
Deze laminaire loslaatblaas verstoort de drukverdeling een beetje. In de eerste figuur is een soort kleine bobbel te zien in de drukverdeling op de bovenkant van het profiel rond 25% koorde, daar zit een laminaire loslaatblaas. De loslaatblaas kan voorkomen worden door op een plek voor de blaas de grenslaag naar turbulent te forceren met een klein obstakel, bijv een reepje tape. Die tape heeft wat weerstand, maar toch is het beter dan wanneer je een loslaatblaas hebt.
