När en fågel i flykt landar, den utför en snabb pitch-up-manöver under sittningsprocessen för att undvika att överskrida grenen eller telefonledningen. Inom aerodynamik, den åtgärden producerar ett komplext fenomen som kallas dynamiskt stall. Även om många flygplan med fasta vingar tål liknande snabba manövrar, ett fordon som utsätts för denna dynamiska stallprocess är inte tillförlitligt kontrollerbart. Motiverad av bristen på detaljerad förståelse, Forskare från University of Illinois tog en djupdykning i fysiken kring dynamiskt stall så att det kan användas fördelaktigt och tillförlitligt av flygplan.

"Det finns komplexa turbulensflödesstrukturer i spel. Vi vet att en stor virvel bildas i framkanten av vingen och leder till mycket stora ökningar av lyftkraften såväl som ökningar i luftmotstånd. Efter att den dynamiska stallvirveln lämnar vingens närhet , det finns en mycket kraftig minskning av lyftkraften såväl som ökningar i luftmotståndet och vi har ett mycket svårt att kontrollera flödesfält, sa Philip Ansell, biträdande professor vid institutionen för rymdteknik vid College of Engineering vid U of I.

Ansell sa att problemet har studerats vid låga hastigheter, även känd som låga Reynolds-tal. Reynolds siffror hänvisar till förhållandet mellan hur snabbt vingen går, vingstorleken, och viskositeten av luftflödet runt den. I den här studien, han och hans doktorand Rohit Gupta tittade på högre hastigheter, fortfarande underljud, men en storleksordning högre än hastigheten för fågel- eller insektsflygning. Vid högre hastigheter blir processen betydligt oorganiserad och svår att förstå.

En del av studien involverade vindtunnelexperiment med en bäryta, som är ett tvärsnitt av en vinge. Aerofoilformen sträcktes vägg i vägg över vindtunneln.

"Motorn används i vindtunneltestning för att producera en mycket snabb pitch-up-rörelse av bärytan. Vi mätte trycket med högfrekventa givare över ytan. Utifrån det karakteriserade vi några av de mycket fina detaljerna i trycksvängningarna som hända under denna mycket ostadiga process, "Vi använde också en höghastighetslaser och ett kamerasystem för att mäta flödeshastigheten för att få hela kartan över mätningar över hela ytan och hur flödet utvecklas över tiden."

Ansell sa att en av fokuspunkterna i denna studie var att förstå de turbulenta fluktuationerna i luftflödet, frekvensen av den fluktuationen, och den rumsliga skalan och storleken på dessa fluktuationer.

"Vi observerade att de dynamiska stallvortexstrukturerna som vi ser vid låga hastigheter, vi ser inte på samma sätt i höga hastigheter. I virveln vid högre hastigheter finns det istället små flödesstrukturer. Virveln är pepprad med mindre drag i flödet. Så den här klassiska virveln beter sig inte som en gigantisk struktur. Den är faktiskt sammansatt av små ögonblickliga små virvlar som kollektivt agerar tillsammans för att bete sig som en större skala. Det är en del av fysiken som vi fortfarande försöker slå in våra hjärnor runt."

Enligt Ansell, Målet är att testa Reynolds siffror upp till en miljon för att ta reda på när de storskaliga virvelfunktionerna börjar bete sig i de små virvlarna. För jämförelse, en 737 har en ökning med cirka 20 miljoner.

För att förstå fysiken i vad som händer i flödet, Ansell sa att de kan titta på sätt att interagera med och kontrollera det för att få ut önskvärda egenskaper i en större skala och använda det med fördel.

En ansökan kan vara att landa ett flygplan på en kortare landningsbana.

"Jag behöver veta när den virveln kommer att bildas och få det ökade lyftet och sedan få det att på något sätt kvarstå över ytan för att ge mig en högre lyftförmåga till, säga, landa på ett hangarfartyg. I andra fall kanske jag vill förhindra att virveln överhuvudtaget bildas, och det finns sätt som jag kan använda aktivering för att interagera med flödet och förhindra att virveluppkomsten och den dynamiska stoppprocessen inträffar, sa Ansell.

Studien, "Ostadigt flödesfysik för det dynamiska stall i luftytan, " skrevs av Rohit Gupta och Phillip Ansell. Det visas i AIAA Journal .