ایرفویل ها در واقع سازه هایی هستند که با هدف ایجاد نیروی برآ به هنگام حرکت درون سیال ساخته میشوند.این سازه ها معمولا در توربین ها،بال هواپیما ها،ملخ هواپیما ها و توربو ماشین ها استفاده میشوند.امروز قصد داریم تا با قسمت های اصلی و ساختار ایر فویل ها و نحوه کارکرد آن ها بپردازیم و سپس چند نمونه از ایر فویل ها را مورد برسی قرار دهیم.
ایرفویل ها در شکل ها و اندازه های مختلفی ساخته میشوند اما همگی ساختاری مشخص و از پیش تعیین شده ای دارند که در تمام آن ها یکسان است و برای ساختن ایرفویل مناسب می بایست ابتدا ساختار آن را شناخته و با پارامتر های موثر آشنا شد.
شکل اول یک ایرفویل نا متقارن است که به عنوان بال هواپیما استفاده میشود.همانطور که در شکل مشاهده می کنید دارای قسمت های مختلفی است که به برسی هرکدام خواهیم پرداخت.
لبه حمله (Leading Edge)
به قسمت جلویی ایر فویل که اولین محل تماس سیال با این ساختار است را لبه حمله گویند.این بخش هوای ورودی را به دو قسمت تقسیم کرده و به صفحات بالایی و پایینی سازه هدایت میکند که از لحاظ آیرودینامیکی بسیار حائز اهمیت است.
زاویه حمله(angle of attack)
زاویه حمله در واقع زاویه بین جریان عادی سیال که به سازه برخورد میکند و وتر ایر فویل است که در ایرفویل های متقارن این زاویه صفر میباشد.
لبه فرار (Trailing Edge)
قسمت انتهایی ایرفویل است جایی که صفحه پایینی و بالایی سازه به هم میرسند. در واقع آخرین قسمت از این ساختار است که سیال با آن برخورد دارد و مانند لبه حمله عضو حساس تحلیل های آیرودینامیکی محسوب میشود.
خط وتر(chord line)
به طور ساده خط مستقیمی است که مرکز انحنای لبه حمله را به لبه مرکز انحنای لبه فرار متصل میکند و معمولا با حرف C نمایش داده میشوداین خط در ایرفویل های تخت مانند ایرفول ملخ ها تقریبا به صفحه زیرین چسبیده است که با انحنا گرفتن آن مانند ایرفویل های متقارن به مرکز سازه نزدیک میشود.
خط انحنا(camber line)
خط انحنا خطی است که هر نقطه از آن به یک اندازه از دو صفحه بالایی و پایینی باشد.یعنی این خط سازه ایرفویل را به دوقسمت مساوی در راستای طول تقسیم میکند که در ایرفویل های متقارن این خط بر خط وتر مطابق است.این نوع ایرفویل ها به ایرفویل های انحنا دار معروفند.
نحوه عملکرد ایرفویل
برای ساده تر شدن موضوع را با مثال هواپیما پیش میبریم.هواپیما ها برای بلند شدن از سطح زمین نیاز به یک نیروی بالا برنده یا به اصطلاح لیفت دارند که وظیفه تولید این نیرو بر عهده ایرفویل بال هواپیما است.با عبور هوا از روی ایرفویل ،هوا به دوصفحه بالایی و پایینی هدایت میشود که با توجه به تفاوت انحنای این دو صفحه سرعت سیال در این دوقسمت نیز متفاوت است به این صورت که سرعت بر روی صفحه بالایی بیشتر و درنتیه فشار هوا کمتر است و برای صفحه پایینی برعکس عمل میکند.
این امر باعث میشود که صفحه پایینی نیروی رو به بالا یا به اصطلاح برآ تولید کرده و صفحه زیرین نیروی مکش ایجاد میکند.با بیشتر شدن سرعت هواپیما و بیشتر شدن زاویه حمله سرعت عبور سیال از ایرفویل بیشتر شده و تفاوت سرعت روی دو صفحه بیشتر میشود و درنهایت موجب غلبه بر نیروی وزن هواپیما شده و هواپیما از زمین بلند میشود.
این روند برای تمامی ایرفویل ها صادق است اما در ایرفویل ملخ ها و توربین ها نیروی برآ ایجاد شده موجب چرخش ملخ و توربین میشود.
مرکز فشار(pressure center)
نقطه‌ای بر روی خط وتر که فرض میشود برآیند تمام نیروهای وارده به ایرفویل در آن نقطه وارد میشود.اما با توجه به تغییر سرعت و زاویه حمله و درنتیجه آن تغییر برآیند نیرو مرکز فشار نیز روی وتر متغیر است و ثابت نیست و به همین دلیل جابجایی زیاد،در محاسبات مهندسی استفاده نمیشود.
مرکز آیرودینامیک(aerodynamic center)
با توجه به گفته‌های قبل فهمیدیم که با تغییر سرعت عبور سیال از روی سازه توزیع فشار روی سطح هم متغیر خواهد بود و درنتیجه مرکز فشار نیز ثابت نیست.مرکز فشار درواقع برآیند نیرویی است که باعث اعمال گشتاور آیرودینامیکی به سازه میشود که مقدار ثابتی ندارد و این امر نکته خوبی در تحلیل‌های آیرودینامیکی نیست.بنابراین برای این کار نیازمند نیرویی هستیم که در تمام مدت روی ایرفویل نقطه ثابتی داشته باشد.
به‌صورت تئوری و آزمایشگاهی ثابت‌شده که در یک‌چهارم طول وتر از طرف لبه حمله، گشتاور آیرودینامیکی تقریباً ثابت است.این نقطه به مرکز آیرودینامیکی معروف است.
نیروهای وارد بر ایرفویل
با حرکت سیال بر روی سطح سازه 4 نیروی بالابرنده(lift) ،نیروی وزن(weight)، نیروی جلوبرنده(trust) و نیرو بازدارنده (drag) به سازه اعمال میشود.
نیروی بازدارنده حاصل اصطکاک بدنه ایر فویل با هوا است.
جهت این نیرو همواره به سمت عقب بوده و سعی در متوقف کردن حرکت دارد که باید نیروی جلوبرنده ایجادشده توسط موتور بر آن غلبه نماید.چنانچه نیروهای بازدارنده و وزن بر نیروی برآ غلبه کنند حالت STALL پیش می‌آید بدین معنی که هواپیما همچون یک قطعه‌سنگ بر روی زمین سقوط خواهد کرد.
انواع ایرفویل
همانطور که گفته شد این سازه ها برای مصارف مختلفی نظیر هواپیما،توربین و… استفاده میشود که هرکدام طراحی های متفاوتی دارند.طراحی ایرفویل کار بسیار مشکلی است که شرکت‌ها و کشورهای اندکی توانایی این کار رادارند و معمولاً این شرکت‌ها ایرفویل های مخصوص خود را طراحی و نام‌گذاری می‌کنند که برای مثال می‌توان به ایرفویل های NACA series 4, 5, 6 – Eppler – Clarck – AH (Althaus) – Boeing اشاره کرد.
