Measurements of the development of the velocity fields in a propeller wake

يبدو أن مستقبل الطيران يتطلع إلى الماضي، ليس للتخلي عن التقدم، بل لإيجاد مسار أكثر استدامة. يعيد المهندسون زيارة المروحة (البروبيلر)، وهي تقنية لطالما طغت عليها المحركات النفاثة، لتشغيل الجيل القادم من الطائرات قصيرة ومتوسطة المدى. والهدف هو إنشاء نظام يتم فيه توزيع مراوح متعددة على طول أجنحة الطائرة، وهو تصميم يمكن أن يحسن الرفع والكفاءة بشكل كبير. ومع ذلك، ولإنجاح هذا الأمر، يجب على العلماء فهم "النهر الخفي" من الهواء الذي تتركه المروحة الدوارة وراءها. هذا الأثر ليس فضاءً فارغاً؛ بل هو فوضى مضطربة ودوامات من الطاقة تتفاعل مع الجناح الذي تتبعه. فإذا كان الهواء فوضوًا للغاية، فقد يؤدي ذلك إلى إفساد التدفق السلس اللازم لكفاءة الوقود، وإذا كان متوقعاً للغاية، فقد يسبب اهتزازات خطيرة. إن فهم كيفية تحرك هذا الهواء، والتفافه، واستقراره بدقة هو المفتاح لفتح الطريق أمام طريقة طيران أكثر هدوءاً ونظافة وكفاءة.

في جامعة شتوتغارت، وضع فريق من الباحثين هدفاً لرسم خريطة لهذا المشهد غير المرئي. فقد بنوا تجربة في نفق هوائي لمراقبة ما يحدث للهواء بعد مروره عبر ثلاث مراوح مختلفة مكونة من شفرتين. صُممت كل مروحة لتعمل تحت ظروف محددة، بشفرات ذات عروض وسرعات دوران مختلفة، ومع ذلك كان الهدف منها جميعاً إنتاج نفس القدر من الدفع الأمامي. لم يكتفِ الفريق بالتخمين للنتائج، بل قاسوها بدقة عالية. وباستخدام مسبار متخصص يمكنه استشعار ضغط الهواء من خمس زوايا مختلفة، تحركوا عبر الأثر على مسافات متفاوتة خلف المروحة، ملتقطين سرعة واتجاه الهواء عند آلاف النقاط. كما قاموا بقياس القوى الفيزيائية المؤثرة على المروحة وهيكل دعمها، مقارنين بياناتهم الواقعية بالتصاميم الحاسوبية الأصلية المستخدمة لبناء الشفرات.

قدمت النتائج صورة واضحة لكيفية تطور أثر المروحة أثناء انتقالها نحو الأسفل (في اتجاه التيار). بالقرب من المروحة، يكون الهواء مزيجاً فوضوياً من الدوامات عالية السرعة والتغيرات الحادة في الاتجاه. ومع ابتعاد الهواء، تبدأ هذه السمات الحادة في التلاشي، وهي عملية تُعرف بالتبدد. وجد الباحثون أن الهواء لا يتباطأ بشكل موحد فحسب؛ بل إن جيوب الهواء عالية السرعة تنتشر وتفقد شدتها. وكان أحد أكثر الملاحظات لفتاً للنظر هو كيفية تأثير هيكل الدعم، أو "البيلون" (pylon)، الذي يحمل المروحة على التدفق. فبينما تدور المروحة، فإنها تدفع الهواء باتجاه البيلون، مما يخلق تفاعلاً معقداً حيث ينقسم الهواء ويدور حول عمود الدعم. ويتسبب هذا التفاعل في جعل الدوامات الطرفية (tip vortices) —وهي أنابيب الهواء الدوامية التي تنبعث من أطراف الشفرات— تتصرف بشكل مختلف اعتماداً على أي جانب من البيلون تقع عليها. فالدوامة الموجودة في الجانب الخلفي من البيلون تتفكك وتختفي بشكل أسرع بكثير من تلك الموجودة في الجانب الأمامي.

كما كشفت الدراسة أن تصميم شفرة المروحة هو ما يحدد طبيعة الأثر. فالمروحة ذات الشفرات الأكثر عرضاً، والتي دارت ببطء أكثر، خلقت انفجارات أكثر حدة من الاضطراب عند أطراف الشفرات مباشرة. ومع ذلك، فإن المروحة ذات الشفرات الأكثر ضيقاً، والتي دارت بسرعة أكبر، خلقت مساحة أوسع من الاضطراب المرتفع. تشير هذه النتيجة إلى أن السرعة التي تمر بها الشفرات عبر نقطة معينة لا تقل أهمية عن حجم الشفرات نفسها. فعندما تدور الشفرات بسرعة كبيرة، يكون لدى الهواء الموجود بينها وقت أقل للاستقرار والهدوء قبل وصول الشفرة التالية. وبناءً على ذلك، يظل الأثر بأكمله أكثر اضطراباً على مساحة أكبر، حتى لو كانت ذروة الشدة عند أي نقطة مفردة أقل. وهذا التمييز أمر بالغ الأهمية للمهندسين الذين يصممون طائرات ذات أجنحة صفائحية (laminar wings)، والتي تعتمد على هواء سلس وغير مضطرب للحفاظ على كفاءتها.

بينما أكدت قياسات القوة أن المراوح أنتجت الدفع المتوقع، كانت البيانات المتعلقة بـ "عزم الدوران" —وهو قوة الالتواء المطلوبة لتدوير المروحة— أكثر تعقيداً. فالاهتزازات الناتجة عن تفاعل المروحة مع البيلون جعلت من الصعب عزل عزم الدوران الصافي عن القوى الأخرى المؤثرة على هيكل الدعم. وخلص الباحثون إلى أنه بالنسبة للتجارب المستقبلية، يجب أن يكون هيكل الدعم أكثر صلابة بشكل ملحوظ، أو يجب نقل معدات القياس إلى داخل غطاء المروحة، للحصول على قراءة نظيفة. ورغم هذا التحدي، فقد حققت قياسات السرعة نجاحاً. وقارن الفريق بين قياساتهم الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية ووجدوا أن النماذج تطابقت مع البيانات الواقعية بشكل جيد جداً، لا سيما فيما يتعلق بكيفية تغير سرعة الهواء مع ابتعاده عن المروحة. وهذا الاتفاق يمنح العلماء الثقة في أن نماذجهم الحاسوبية يمكن استخدامها للتنبؤ بسلوك تكوينات الطائرات الأكثر تعقيداً دون الحاجة لبناء نموذج فيزيائي لكل اختبار.

في نهاية المطاف، توفر هذه الأبحاث خريطة تفصيلية لرحلة الهواء بعد مغادرته للمروحة. فهي توضح أن الأثر هو بيئة ديناميكية حيث يعمل شكل الشفرة وسرعة الدوران معاً لتحديد مقدار الاضطراب الذي يتم إنتاجه والمسافة التي ينتقلها ذلك الاضطراب. وتشير النتائج إلى أن مجرد جعل الشفرات أعرض أو تدويرها بشكل أسرع ليس حلاً واحداً يناسب الجميع؛ إذ إن التفاعل بين الاثنين يخلق بصمة فريدة في الهواء. وبالنسبة لصناعة الطيران، التي تسعى جاهدة لدمج أنظمة الدفع الموزعة في تصميمات الطائرات الجديدة، فإن هذه الرؤى تعد حيوية. فهي تسمح للمهندسين بالتنبؤ بمكان كون الهواء سلساً ومكان كونه مضطرباً، مما يضمن أن الجيل القادم من الطائرات التي تعمل بالمراوح يمكنها الطيران بكفاءة دون أن يؤدي أثرها إلى إفساد أداء الأجنحة التي تتبعها.