ظاهرة الانهيار في ديناميكا السوائل

ظاهرة الانهيار في ديناميكا السوائل

في مجال ديناميكا السوائل، يُعرف الانهيار (Stall) بأنه انخفاض مفاجئ في معامل الرفع الذي يولده الجناح (أو أي سطح انسيابي) عندما تتجاوز زاوية الهجوم القيمة الحرجة الخاصة بها. هذه الظاهرة ليست توقفاً للمحركات أو توقفاً للطائرة عن الحركة، بل هي فقدان للقدرة على توليد قوة الرفع الكافية للحفاظ على الارتفاع.

التعريف العلمي والآلية

يحدث الانهيار عندما تزداد زاوية الهجوم (الزاوية بين وتر الجناح واتجاه الرياح النسبية) إلى نقطة معينة تُسمى زاوية الهجوم الحرجة (Critical Angle of Attack). عند هذه النقطة، يصل معامل الرفع إلى أقصى قيمة له، وإذا زادت الزاوية عن ذلك، يبدأ الرفع في التناقص بشكل حاد.

السبب الفيزيائي لهذا الانهيار هو فصل التدفق (Flow Separation)؛ حيث يتدفق الهواء ضد ضغط متزايد، مما يؤدي إلى انفصال طبقة الهواء الملاصقة للسطح العلوي للجناح وتحولها إلى دوامات مضطربة، مما يقلل من فرق الضغط بين السطحين العلوي والسفلي للجناح، وبالتالي تنخفض قوة الرفع.

أنواع الانهيار

صنف الباحث "ويتفورد" (Whitford) الانهيار إلى ثلاثة أنواع رئيسية بناءً على خصائص منحنى معامل الرفع:

• انهيار الحافة الخلفية (Trailing-edge stall): يبدأ انفصال التدفق من الحافة الخلفية للجناح ويزحف تدريجياً نحو الأمام مع زيادة زاوية الهجوم.
• انهيار الحافة الأمامية (Leading-edge stall): يحدث انفصال مفاجئ للتدفق من الحافة الأمامية للجناح.
• انهيار الأجنحة الرقيقة (Thin-aerofoil stall): يتميز بخصائص تدفق مختلفة ترتبط بنحافة شكل الجناح.

العوامل المؤثرة على زاوية الهجوم الحرجة

تتراوح زاوية الهجوم الحرجة لمعظم الأجنحة دون الصوتية عادةً بين 8 و20 درجة، ولكنها تختلف بناءً على عدة عوامل:

• شكل الجناح (Airfoil Profile): الأجنحة الأكثر سمكاً تميل إلى امتلاك زاوية هجوم حرجة أعلى مقارنة بالأجنحة الرقيقة.
• توزيع الضغط والسطح: تؤثر جودة تشطيب السطح وشكله على استقرار التدفق.
• رقم رينولدز (Reynolds Number): تلعب القوى القصور الذاتي مقابل القوى اللزوجة دوراً حاسماً؛ ففي أرقام رينولدز العالية (كما في الطائرات الحقيقية)، يميل التدفق للبقاء ملتصقاً بالجناح لفترة أطول، مما قد يؤدي إلى تأخير الانهيار.
• العوامل الخارجية: مثل تراكم الجليد على الأجنحة، والذي يغير شكل السطح الانسيابي ويقلل من زاوية الهجوم الحرجة، مما يجعل الطائرة عرضة للانهيار عند زوايا أقل.

المخاطر والأنظمة الوقائية

يعد الانهيار حدثاً خطيراً في الطيران، خاصة إذا أدى إلى الدخول في حالة الدوران المغزلي (Spin)، وهو دوران ذاتي للجناح المنهار. ولتجنب ذلك، تم تطوير أنظمة تحذير ومساعدة في الطائرات الحديثة، منها:

• هزاز المقود (Stick Shaker): نظام ميكانيكي ينبه الطيار باهتزاز المقود عند اقتراب الطائرة من زاوية الهجوم الحرجة.
• دافع المقود (Stick Pusher): نظام يقوم بدفع المقود آلياً للأسفل لتقليل زاوية الهجوم واستعادة الرفع.