Que fenômeno causa o aumento do arrasto com a chuva?

Enquanto Peter Kämpf já comentou os efeitos, vou dar uma olhada nos números. Não espere que esses cálculos sejam previsões exatas, e sim os piores casos para saber a magnitude dos seguintes efeitos:

• Aumento de massa devido a quedas de chuva
• Forças devido a quedas atingindo a asa
• Early trip da camada limite

Depois de deduzir algumas equações, eu as alimentarei com os dados de dois aviões diferentes.

Aumento de massa devido a quedas de chuva

A camada de orvalho que você encontra em seu avião pela manhã pode atingir uma altitude máxima de 0,8 mm. Pingos de chuva, que não preenchem a superfície da asa completa, geralmente não excedem 2 mm de diâmetro. Portanto, uma altura média distribuída de $ h_W = 1mm $ para a água na asa ainda deve ser a pior previsão possível.

$$ m_ {Drops} = \ rho_ {W} \ cdot A \ cdot h_W $$

$ A $ é a área projetada da aeronave no plano horizontal e $ \ rho_W $ densidade da água.

Forças devidas a quedas na asa

As intensidades de precipitação normais são de cerca de 5 mm / hora e já falamos de chuva violenta com taxas de precipitação superiores a 50 mm / hora. Mas vamos tomar a maior taxa medida: $ I_R = 38mm / min $.

As gotas caem normalmente com $ v_ {Drop} = 10m / s $.

Para simplificar o cálculo, assumirei a chuva vertical e, uma vez que uma gota atinja o avião, ela se fixará nela. Na realidade, você não acelera cada queda na velocidade do avião nem diminui sua velocidade vertical para 0.

i) Arrastar aumento

$$ \ Delta D = \ rho_ {W} \ cdot I_R \ cdot A \ cdot v_ {avião} $$

ii) Diminuir o aumento

$$ \ Delta L = \ rho_ {W} \ cdot I_R \ cdot A \ cdot v_ {Descartar} $$

Para calcular o arrasto total ($ D = C_D \ cdot \ frac {\ rho_ {Ar}} {2} V ^ 2 \ cdot A $) usei $ C_D = 0.035 $. $ V $ é a velocidade de cruzeiro da aeronave.

Early trip da camada limite

Embora seja possível encontrar polares de aerofólios em busca de chuva na Internet, vou primeiro olhar para um diagrama de "influência de bugs" onde você pode ver o efeito de pequenos distúrbios no nariz sem outros efeitos sobrepostos. Bugs e pingos de chuva são semelhantes em tamanho, portanto a comparação deve ser válida.

Fonte

O polar acima mostra como o arrasto pode dobrar (aumento de 100%) apenas por causa de algumas pequenas perturbações na borda principal. Tenha em mente que nos perfis modernos, o efeito provavelmente será menor. O próximo polar é de um aerofólio de aeronaves de transporte.

Fonte

Embora não seja tão importante quanto no aerofólio de planadores, o coeficiente de resistência aerodinâmica aumenta (resultados experimentais) em todo lugar, pelo menos, uma porcentagem de dois dígitos.

Aviões

Eu peguei dois aviões com cargas de asa realmente diferentes: A1 seria algo entre os dois modelos Solar Impulse e A2 um único motor de quatro lugares como um Cessna 172. As últimas três linhas dão a diferença de resistência, sustentação e massa como descrito acima como uma porcentagem de seu valor total.

|                       |            A1 |     A2 |
|-----------------------+---------------+--------|
| Mass m [kg]           |          1600 |   1000 |
| Area A [m^2]          |           210 |     20 |
| Wing loading [kg/m^2] |           7.6 |     50 |
| Cruise speed V [m/s]  |            20 |     58 |
| Lift L [N]            |         15696 |   9810 |
| Drag D [N]            |          1800 |   1323 |
| Drops mass mW [kg]    |           210 |     20 |
| Drag increase dD [N]  |          2660 |    703 |
| Lift decrease dL [N]  |          1330 |    127 |
|-----------------------+---------------+--------|
| dD/D [%]              |           147 |     53 |
| dL/L [%]              |           8.5 |    1.3 |
| mW/m [%]              |            13 |      2 |
|-----------------------+---------------+--------|

RESUMO

Para um avião GA normal, a massa de água nas asas e a sustentação diminuem a influência devido às gotas de chuva que atingem a asa, mesmo considerando as piores condições possíveis são baixas porcentagens de dígito único.

Enquanto o aumento de arrasto devido a quedas atingindo a asa é relevante no caso extremo que eu tomei aqui, sob condições normais, ele deve estar abaixo das porcentagens de dígito único também.

Por outro lado, o aumento do arrasto devido ao início da abertura da camada limite é de pelo menos uma porcentagem de dois dígitos, com coeficientes de alta elevação ainda mais.

Aviões com menor carga de asas são mais afetados pela precipitação.

    

Faça um Schempp-Hirth Janus ou um PIK-20 na chuva. O efeito será dramático. Certifique-se de ter algum lugar para pousar nas proximidades! Em ambos os planadores, a sua taxa de afundamento triplicará e a velocidade mínima aumentará em cerca de 20 km / h, portanto, certifique-se de chegar rápido para pousar enquanto a asa ainda estiver molhada.

O motivo é o aerofólio, o Wortmann FX 67-170. Com 17% de espessura relativa e uma camada limite laminar muito longa, a recompressão não pode ser manipulada por uma camada limite que tenha sido desarmada perto do bordo principal. A conseqüência é a separação de fluxo já em ângulos moderados de ataque se a asa estiver sujo de bugs ou chuva. O desempenho do voo muda drasticamente.

Em seguida, faça o mesmo com um Discurso de Schempp-Hirth ou um ASW-20 . A velocidade do afundamento aumentará, mas o efeito é muito menos dramático e a velocidade mínima mal aumentará.

Não há uma regra geral, e duas das três razões que você suspeita são, de fato, os principais efeitos: A massa adicionada do filme aquático sobre todas as superfícies superiores e o início da abertura da camada limite. Em grandes aeronaves, onde a transição acontece perto da borda principal, a diferença feita pela chuva é muito pequena. Pode até ajudar aumentando o empuxo do motor: a chuva resfriará o ar e, ao absorver calor, a vaporização diminuirá o aumento de temperatura no compressor de um motor a jato. Note que muitos dos primeiros jatos early injeção de água usada para aumentar o empuxo do motor em aeródromos quentes e altos.

Para aeronaves pequenas com relações de volume para superfície menores, o aumento de massa é mais perceptível e, se o aerofólio for otimizado para arrasto mínimo em condições limpas, a transição inicial afetará uma mudança radical em alguns casos. Os aerofólios da maioria das aeronaves não são tão sensíveis à chuva. Normalmente, essas aeronaves voam VFR e a queda na visibilidade causada pela chuva será o maior efeito.