دوامات أطراف الأجنحة

الدوامات الطرفية هي أنماط دائرية من الهواء الدوار تتشكل خلف الجناح أثناء توليده للرفع . ^{[ 1 ] : 5.14} ويُعدّ هذا الاسم غير دقيق، لأن مراكز هذه الدوامات تقع قليلاً إلى الداخل من أطراف الجناح . ^{[ 2 ] : 369} وتُسمى الدوامات الطرفية أحيانًا بالدوامات الخلفية أو الدوامات الناتجة عن الرفع، لأنها تحدث أيضًا في نقاط أخرى غير أطراف الجناح. ^{[ 1 ] : 5.14} في الواقع، تتشكل الدوامات الخلفية عند أي نقطة على الجناح حيث يتغير الرفع على امتداده (وهي حقيقة موصوفة ومُقاسة بنظرية خط الرفع )؛ وتتجمع في النهاية لتشكل دوامات كبيرة بالقرب من طرف الجناح، أو عند حافة أجهزة الرفرفة ، أو عند أي تغيرات مفاجئة أخرى في شكل الجناح .

ترتبط الدوامات الطرفية للأجنحة بالسحب المستحث ، وتوليد تيارات الهواء الهابطة ، وهي نتيجة أساسية لتوليد الرفع ثلاثي الأبعاد. ^{[ 1 ] : 5.17، 8.9.} يُعدّ الاختيار الدقيق لهندسة الجناح (وخاصةً طول الجناح )، بالإضافة إلى ظروف الطيران، من أساليب التصميم والتشغيل لتقليل السحب المستحث.

تشكل الدوامات الطرفية للأجنحة المكون الرئيسي لاضطراب الدوامات . واعتماداً على رطوبة الغلاف الجوي المحيط، بالإضافة إلى هندسة الطائرة وحمل الجناح، قد يتكثف الماء أو يتجمد في مركز الدوامات، مما يجعلها مرئية.

عندما يُولّد الجناح قوة رفع ديناميكية هوائية ، ينتج عن ذلك منطقة هبوط بين الدوامتين. ^{[ 3 ] [ 2 ] : 8.1.1 [ 4 ]}

يمكن تناول الرفع ثلاثي الأبعاد وظهور الدوامات عند أطراف الأجنحة باستخدام مفهوم الدوامة الحذوية ، ووصفها بدقة باستخدام نظرية لانشستر-براندتل . وبناءً على هذا المنظور، تُعدّ الدوامة الخلفية امتدادًا للدوامة المرتبطة بالجناح والمتأصلة في توليد الرفع.

ترتبط الدوامات الطرفية للجناح بالسحب المستحث ، وهي نتيجة حتمية لتوليد الرفع ثلاثي الأبعاد. وتقلل الحركة الدورانية للهواء داخل الدوامات الطرفية المتولدة (والتي توصف أحيانًا بأنها "تسرب") من زاوية الهجوم الفعالة للهواء على الجناح.

تصف نظرية خط الرفع انفصال الدوامات الخلفية كتغيرات في توزيع الرفع على امتداد الجناح. بالنسبة لامتداد جناح ومساحة سطح محددين، يتم الحصول على أقل مقاومة مستحثة مع توزيع رفع بيضاوي . بالنسبة لتوزيع رفع ومساحة سطح جناح محددين ، تقل المقاومة المستحثة مع زيادة نسبة العرض إلى الطول .

ونتيجة لذلك، فإن الطائرات التي تتطلب نسبة رفع إلى سحب عالية ، مثل الطائرات الشراعية أو طائرات الركاب طويلة المدى ، عادةً ما تمتلك أجنحة ذات نسبة عرض إلى طول عالية. إلا أن هذه الأجنحة لها عيوب فيما يتعلق بالقيود الهيكلية والقدرة على المناورة، كما يتضح من الطائرات المقاتلة والبهلوانية التي عادةً ما تتميز بأجنحة قصيرة وسميكة على الرغم من انخفاض الكفاءة.

من الطرق الأخرى لتقليل السحب المستحث استخدام الجنيحات الصغيرة ، كما هو الحال في معظم الطائرات الحديثة. تزيد هذه الجنيحات من نسبة العرض إلى الطول الفعالة للجناح، مما يغير نمط وحجم الدوامة . ويؤدي ذلك إلى تقليل الطاقة الحركية في تدفق الهواء الدائري، وبالتالي تقليل كمية الوقود المستهلكة لأداء شغل على الهواء الدوار .

بعد أن أبدت وكالة ناسا قلقها إزاء تزايد كثافة الحركة الجوية وما قد يترتب عليها من حوادث مرتبطة بالدوامات الهوائية في المطارات، أجرت تجربة في نفق الرياح بمركز أبحاث ناسا أميس باستخدام طائرة من طراز 747، حيث تبين إمكانية تغيير وضعية الأجنحة في الطائرات الموجودة لتقسيم الدوامة الهوائية إلى ثلاث دوامات أصغر وأقل إزعاجًا. وشمل ذلك بشكل أساسي تغيير إعدادات الأجنحة الخارجية، ويمكن نظريًا تطبيق هذه التقنية على الطائرات الموجودة. ^{[ 5 ]}

قد تكون مراكز الدوامات مرئية أحيانًا عندما يتكثف الماء الموجود فيها من غاز ( بخار ) إلى سائل . وقد يتجمد هذا الماء أحيانًا، مكونًا جزيئات جليدية.

يُعد تكثف بخار الماء في دوامات أطراف الأجنحة أكثر شيوعًا في الطائرات التي تحلق بزوايا هجوم عالية ، مثل الطائرات المقاتلة في مناورات عالية التسارع ، أو الطائرات المدنية التي تقلع وتهبط في الأيام الرطبة.

التكثيف والتجمد الديناميكي الهوائي

تدور مراكز الدوامات بسرعة فائقة، وهي مناطق ذات ضغط منخفض للغاية. في التقريب الأول ، تتشكل هذه المناطق ذات الضغط المنخفض مع تبادل حراري ضئيل مع المناطق المجاورة (أي بشكل أديباتي )، لذا تنخفض درجة الحرارة المحلية فيها أيضًا. ^{[ 6 ]} إذا انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الندى المحلية ، يتكثف بخار الماء الموجود في مراكز دوامات أطراف الأجنحة، مما يجعلها مرئية. ^{[ 6 ]} قد تنخفض درجة الحرارة حتى إلى ما دون نقطة التجمد المحلية ، وفي هذه الحالة تتشكل بلورات جليدية داخل المراكز. ^{[ 6 ]}

تُحدد حالة الماء (أي ما إذا كان يتخذ شكلاً صلباً أو سائلاً أو غازياً) بدرجة حرارته وضغطه . فعلى سبيل المثال، في حالة التحول من الحالة السائلة إلى الغازية، توجد عند كل ضغط "درجة حرارة تحول" خاصة .${\displaystyle T_{c}}$بحيث إذا كانت درجة حرارة العينة أعلى بقليل${\displaystyle T_{c}}$ستكون العينة غازًا، ولكن إذا كانت درجة حرارة العينة أقل بقليل من${\displaystyle T_{c}}$ستكون العينة سائلة؛ انظر إلى التحول الطوري . على سبيل المثال، عند الضغط الجوي القياسي ،${\displaystyle T_{c}}$درجة حرارة التحول هي 100  درجة مئوية  =  212 درجة فهرنهايت. ${\displaystyle T_{c}}$يقلّ مع انخفاض الضغط (وهذا يفسر سبب غليان الماء عند درجات حرارة أقل في المرتفعات العالية وعند درجات حرارة أعلى في طنجرة الضغط ؛ انظر هنا لمزيد من المعلومات). في حالة بخار الماء في الهواء،${\displaystyle T_{c}}$تُسمى درجة الحرارة الموافقة للضغط الجزئي لبخار الماء بنقطة الندى . (يحدث التحول من الحالة الصلبة إلى السائلة أيضًا عند درجة حرارة تحول محددة تُسمى نقطة الانصهار . بالنسبة لمعظم المواد، تنخفض نقطة الانصهار أيضًا مع انخفاض الضغط، على الرغم من أن جليد الماء على وجه الخصوص - في شكله I _h ، وهو الأكثر شيوعًا - يُعد استثناءً بارزًا لهذه القاعدة .)

تُعدّ مراكز الدوامات مناطق ذات ضغط منخفض. عندما يبدأ مركز الدوامة بالتشكّل، يكون بخار الماء في الهواء (في المنطقة التي ستتشكّل المركز) في الحالة البخارية، مما يعني أن درجة الحرارة المحلية أعلى من نقطة الندى المحلية. بعد تشكّل مركز الدوامة، ينخفض ​​الضغط داخله عن الضغط المحيط، وبالتالي تنخفض نقطة الندى المحلية.${\displaystyle T_{c}}$انخفضت درجة حرارة نقطة الندى عن القيمة المحيطة. وبالتالي، فإن انخفاض الضغط بحد ذاته من شأنه أن يُبقي الماء في صورة بخار: كانت نقطة الندى الأولية بالفعل أقل من درجة حرارة الهواء المحيط، وقد أدى تشكل الدوامة إلى خفض نقطة الندى المحلية أكثر. ومع ذلك، مع تشكل لب الدوامة، فإن ضغطه (وبالتالي نقطة ندىه) ليس الخاصية الوحيدة التي تنخفض: فدرجة حرارة لب الدوامة تنخفض أيضًا، بل ويمكن أن تنخفض بمقدار أكبر بكثير من انخفاض نقطة الندى.

في التقريب الأول ، يُعدّ تكوين نوى الدوامات عمليةً كظيمة حرارياً ، أي عملية لا يحدث فيها تبادل حراري. في هذه العملية، يصاحب انخفاض الضغط انخفاض في درجة الحرارة، وفقاً لمعادلة الحالة التالية :

${\displaystyle {\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.}$^{[ 6 ]}

هنا${\displaystyle T_{\text{i}}}$و${\displaystyle p_{\text{i}}}$تمثل درجة الحرارة والضغط المطلقين في بداية العملية (وهي هنا تساوي درجة حرارة وضغط الهواء المحيط)،${\displaystyle T_{\text{f}}}$و${\displaystyle p_{\text{f}}}$تمثل درجة الحرارة والضغط المطلقين في لب الدوامة (وهي النتيجة النهائية للعملية)، والثابت${\displaystyle \gamma }$تبلغ حوالي 7/5  =  1.4 للهواء (انظر هنا ).

وبالتالي، فعلى الرغم من أن نقطة الندى المحلية داخل مراكز الدوامات تكون أقل من نقطة الندى في الهواء المحيط، إلا أن بخار الماء قد يتكثف مع ذلك - إذا أدى تشكل الدوامة إلى خفض درجة الحرارة المحلية إلى ما دون نقطة الندى المحلية الجديدة. ^{[ 6 ]}

بالنسبة لطائرة نقل نموذجية تهبط في مطار، تكون هذه الشروط كما يلي:${\displaystyle T_{\text{i}}}$و${\displaystyle p_{\text{i}}}$لها قيم تتوافق مع ما يسمى بالشروط القياسية ، أي${\displaystyle p_{\text{i}}}$ =  1 ضغط جوي = 1013.25 مليبار = 101      ${\displaystyle \,}$325 باسكال و ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ =  293.15 كلفن (أي ما يعادل 20 درجة مئوية = 68 درجة فهرنهايت). الرطوبة النسبية مريحة وتبلغ 35% (نقطة الندى 4.1 درجة مئوية = 39.4 درجة فهرنهايت). هذا يُقابل ضغطًا جزئيًا لبخار الماء قدره 820 باسكال = 8.2 مليبار. في قلب الدوامة، يكون الضغط (             ${\displaystyle p_{\text{f}}}$) ينخفض ​​إلى حوالي 80٪ من الضغط المحيط ، أي إلى حوالي 80000  باسكال  . ^{[ 6 ]}

تُعطى درجة الحرارة في لب الدوامة بالمعادلة أعلاه كما يلي:${\displaystyle T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{\text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},}$أو 0.86  درجة مئوية  =  33.5  درجة فهرنهايت.

بعد ذلك، ينخفض ​​الضغط الجزئي للماء في مركز الدوامة بما يتناسب مع انخفاض الضغط الكلي (أي بنفس النسبة المئوية)، ليصل إلى حوالي 650  باسكال  =  6.5  مليبار. ووفقًا لحاسبة نقطة الندى، ينتج عن هذا الضغط الجزئي نقطة ندى محلية تبلغ حوالي 0.86  درجة مئوية؛ بعبارة أخرى، فإن نقطة الندى المحلية الجديدة تساوي تقريبًا درجة الحرارة المحلية الجديدة.

لذا، تُعد هذه حالة هامشية؛ فلو كانت الرطوبة النسبية للهواء المحيط أعلى قليلاً (مع بقاء الضغط الكلي ودرجة الحرارة كما هما)، لارتفعت نقطة الندى المحلية داخل الدوامات، بينما بقيت درجة الحرارة المحلية ثابتة. وبالتالي، ستكون درجة الحرارة المحلية أقل من نقطة الندى المحلية، ومن ثم سيتكثف بخار الماء داخل الدوامات. وفي ظل ظروف معينة، قد تنخفض درجة الحرارة المحلية في لب الدوامات إلى ما دون نقطة التجمد المحلية ، وفي هذه الحالة ستتشكل جزيئات الجليد داخل لب الدوامات.

تعتمد آلية تكثف بخار الماء في دوامات أطراف الأجنحة على التغيرات الموضعية في ضغط الهواء ودرجة حرارته. ويختلف هذا عن حالة أخرى معروفة لتكثف الماء مرتبطة بالطائرات: وهي آثار التكثيف الناتجة عن عوادم محركات الطائرات. ففي حالة آثار التكثيف، لا يتغير ضغط الهواء ودرجة حرارته الموضعية بشكل ملحوظ؛ بل المهم هو احتواء العادم على كلٍ من بخار الماء (مما يزيد من تركيز بخار الماء الموضعي ، وبالتالي ضغطه الجزئي، مما يؤدي إلى ارتفاع نقطة الندى ونقطة التجمد) والهباء الجوي (الذي يوفر مراكز لتكوين نوى التكثف والتجمد). ^{[ 7 ]}

تقول إحدى النظريات حول طيران الطيور المهاجرة إن العديد من أنواع الطيور الكبيرة تطير في تشكيل على شكل حرف V بحيث يمكن لجميع الطيور باستثناء الطائر القائد الاستفادة من الجزء الصاعد من دوامة طرف جناح الطائر الذي يسبقه. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

صرح ألبيون باورز، وهو عالم متقاعد من وكالة ناسا، في مقاطع فيديو على يوتيوب أن الدوامة تتشكل عند 75% من نصف الامتداد، وأنهم يتقاطعون بأجنحتهم (طائر في المقدمة، طائر في الخلف) عند هذه النقطة، مما يدل بالضبط على أنهم يستفيدون من هذا: كل طائر يطير في التيار الصاعد الخارجي للطائر الذي أمامه.

تُشكل الدوامات الهوائية عند أطراف الأجنحة خطرًا على الطائرات، لا سيما أثناء مرحلتي الهبوط والإقلاع . وتعتمد شدة الدوامة على حجم الطائرة وسرعتها ووضعيتها (وضعية الأجنحة، إلخ). وتُنتج الطائرات الثقيلة، التي تُحلّق ببطء مع طيّ الأجنحة وعجلات الهبوط، أقوى الدوامات. ^{[ 10 ]} ويمكن للطائرات النفاثة الكبيرة أن تُولّد دوامات هوائية تستمر لعدة دقائق، وتنجرف مع الرياح.

تُناقش الجوانب الخطرة لدوامات أطراف الأجنحة غالبًا في سياق اضطراب الدوامات الهوائية . فإذا تبعت طائرة خفيفة طائرة ثقيلة مباشرةً، فإن اضطراب الدوامات الهوائية الناتج عن الطائرة الثقيلة قد يُسبب دورانًا للطائرة الخفيفة بسرعة تفوق قدرة الجنيحات على مقاومتها . وعلى الارتفاعات المنخفضة، وخاصةً أثناء الإقلاع والهبوط، قد يؤدي ذلك إلى اضطراب لا يمكن السيطرة عليه. (مصطلحا "خفيفة" و"ثقيلة" نسبيان، وقد انقلبت حتى الطائرات النفاثة الأصغر حجمًا بسبب هذا التأثير). ويسعى مراقبو الحركة الجوية إلى ضمان مسافة كافية بين الطائرات المغادرة والقادمة من خلال إصدار تحذيرات للطيارين بشأن اضطراب الدوامات الهوائية.

بشكل عام، لتجنب الدوامات الهوائية، يكون إقلاع الطائرة أكثر أمانًا إذا كان قبل نقطة دوران الطائرة التي أقلعت قبلها. مع ذلك، يجب توخي الحذر للبقاء في اتجاه الريح (أو بعيدًا عن) أي دوامات هوائية ناتجة عن الطائرة السابقة. عند الهبوط خلف طائرة، يجب أن تبقى الطائرة فوق مسار طيران الطائرة السابقة وأن تهبط على مسافة أبعد على المدرج. ^{[ 11 ]}

يتدرب طيارو الطائرات الشراعية بشكل روتيني على الطيران في دوامات أطراف الأجنحة عند تنفيذ مناورة تُسمى "محاصرة الدوامة". تتضمن هذه المناورة الهبوط من وضعية مرتفعة إلى وضعية منخفضة خلف طائرة السحب. يلي ذلك تشكيل شكل مستطيل عن طريق تثبيت الطائرة الشراعية عند نقاط مرتفعة ومنخفضة بعيدًا عن طائرة السحب قبل الصعود مرة أخرى عبر الدوامات. (لأسباب تتعلق بالسلامة، لا تُجرى هذه المناورة على ارتفاع أقل من 1500 قدم فوق سطح الأرض، وعادةً ما يكون هناك مدرب حاضر). نظرًا للسرعات المنخفضة نسبيًا وخفة وزن كلتا الطائرتين، فإن الإجراء آمن ولكنه يُعطي إحساسًا بقوة الدوامات وموقعها. ^{[ 12 ]}

• 
  طائرة EA-6 براولر مع تكثف في قلب دوامات أطراف أجنحتها وأيضًا على الجزء العلوي من أجنحتها.
• 
  تتشكل الدوامات عند نهايات شفرات المروحة، كما هو موضح في طائرة DHC-5 Buffalo هذه .
• 
  مركز الدوامة الممتد من طرف رفرف طائرة تجارية مع تمديد رفرف الهبوط.
• 
  دوامات طرف الجناح من نموذج نفق الرياح لطائرة سيسنا 182 .
• 
  دوامات أطراف الأجنحة الظاهرة في دخان الشعلة المتخلف عن طائرة سي-17 غلوب ماستر 3. والمعروفة أيضاً باسم ملائكة الدخان.
• 
  تتميز طائرة MV-22 Osprey ذات الدوار المائل بحمل قرصي عالٍ ، مما ينتج عنه دوامات مرئية في أطراف الشفرات.
• 
  حساب أويلر لدوامة طرفية مستقرة. تكشف ألوان الخطوط الكنتورية والسطح المتساوي عن الدوامية.
• 
  لقد مرت طائرة من طراز بوينغ 747 للتو عبر طبقة ثابتة من الدخان، والتي تظهر دواماتها اللاحقة، في منشأة الدوامات في مركز لانغلي للأبحاث .
• 
  طائرة لوكهيد مارتن إف-35 لايتنينغ الثانية أثناء الانعطاف، تظهر دوامات طرف الجناح.

• فهرس مقالات الطيران
• نسبة العرض إلى الارتفاع (الجناح)
• نظرية المؤامرة المتعلقة بالمسارات الكيميائية
• عدم استقرار الغراب
• نظريات هيلمهولتز
• دوامة حدوة الحصان
• السحب الناتج عن الرفع
• تشكيل حرف V
• دوامة
• اضطراب الدوامات

• فيديو من مركز درايدن لأبحاث الطيران التابع لناسا يُجري اختبارات على الدوامات الطرفية للأجنحة:
  • سي-5 جالاكسي :
  • لوكهيد إل-1011 :
• دوامات أطراف الأجنحة أثناء الهبوط - فيديو على يوتيوب