Anisotrop friktion - ett sätt att förhindra separation?

Sammanfattning

En slät yta som förses med längsgående rillor får ett minskat

friktionsmotstånd i strömmande medier. Ytor med denna struktur används i

många olika applikationer, allt från segelbåtar och simdräkter till

flygplan. Även naturen har upptäckt dessa egenskaper. Hajar har en

ytstruktur i sitt skin som är av liknande karaktär och med samma egenskaper.

Hajskinnet har också en anisotrop friktionsegenskap med ökad friktion i ena

riktningen. I detta examensarbete har det undersöks, genom experiment, om

den anisotropa friktionen hos ett hajskinn kan förhindra bildandet av

separation bakom krökta ytor.

Turbulenta skalberäkningar gjordes för att kunna välja och anpassa

försöksutrustningen. En vindtunnel ansågs mest lämpad till experimenten, men

den hade ursprungligen inte tillräckligt bra strömningskvalitet. En

strömriktare, vars uppgift är att räta ut strömningen och sänka

turbulensintensiteten, byggdes därför. Jämförelser mellan körningar med och

utan strömriktare visar att strömningskvalitén blev avsevärt bättre och

hamnade på en acceptabel nivå.

Vid experimenten användes två olika vingprofiler med olika egenskaper. Den

första som provades får en separationspunkt som från bakkanten långsamt

förflyttar sig framåt med ökad anfallsvinkel. Försök med hajskinn monterat

på vingens bakkant jämfördes med en slät vinge. Resultatet blev att skinnet

påskyndade separationen, vilket resulterade i en minskad lyftkraft. En orsak

till detta kan vara att skinnet ändrade form efter montering och fick en

skrovlig yta vars ojämnheter var en faktor 5-10 gånger större än

ytstrukturen, vilket påverkar strömningen på ett negativt sätt. För att få

en klar bild över hur strömningsförloppet såg ut gjordes visualiseringar med

rök. Bilder som togs på förloppet visar separationspunktens förflyttning

framåt längs vingen med ökad anfallsvinkel.

Den andra vingen har ett linjärt ökande lyft fram till det att

framkantsseparation inträffar. Därför gjordes försöken med hajskinn monterat

i vingens framkant. Med skinnet klarade vingen högre anfallsvinklar innan

total separation uppstod, men med en minskad lyftkraft. Detta fenomen är

svårförklarat då en ökad anfallsvinkel, när total separation uppkommer, som

regel även ger ett ökat lyft.

Vid fortsatt arbete rekommenderas mätningar med PIV (Particle Image

Velocimetry). Fördelen med PIV mätningar är att man får en bild av

strömningsfältet i ett plan och man kan då se små förändringar i

hastighetsfältet.

Då hajskinnet var svårhanterligt vid experimenten kan man istället försöka

tillverka och använda sig av artificiella ytor med samma egenskaper. Dessa

ytors struktur kan man skala till lämplig storlek beroende på vilken

försöksutrustning som ska användas.