Opór aerodynamiczny. Drag. Rura aerodynamiczna

Opór aerodynamiczny jest siłą działającą przeciwnie do względnego ruch dowolnego obiektu. Może istnieć pomiędzy dwoma warstwami powierzchni stałej. W przeciwieństwie do innych zestawów oporowych, takich jak tarcie suche, które są prawie niezależne od prędkości, siły oporu podlegają danej wartości. Chociaż ostateczną przyczyną działania jest tarcie lepkie, turbulencja nie jest od niego zależna. Siła oporu jest proporcjonalna do prędkości przepływu laminarnego.

Koncepcja

Opór aerodynamiczny to siła wywierana na dowolne poruszające się ciało stałe w kierunku ośrodka płynnego nadciągającego przepływu. W ujęciu bliskiego pola opór jest wynikiem działania sił wynikających z rozkładu ciśnienia na powierzchni obiektu, symbolizowanego przez D. Ze względu na tarcie skórne, które jest wynikiem lepkości, oznaczane jest jako De. Alternatywnie, obliczona siła oporu, w odniesieniu do pola przepływu, wynika z trzech naturalnych zjawisk: fal uderzeniowych, warstwy wirowej i lepkości. Wszystko to można znaleźć w tabeli oporu aerodynamicznego.

Przegląd

Rozkład ciśnienia działającego na powierzchnię ciała ma wpływ na duże siły. Te z kolei można podsumować. Składniki tej wartości działające w dół strumienia tworzą siłę oporu, Drp, wynikającą z rozkładu ciśnienia oddziałującego na ciało. Charakter tych sił łączy w sobie efekty fali uderzeniowej, generowania wirów i mechanizmów śladowych.

Lepkość płynu ma znaczący wpływ na opór powietrza. W przypadku braku danego składnika sił nacisku działających na opóźnienie pojazd, neutralizowany przez siłę w rufie, która pcha pojazd do przodu. Nazywa się to odzyskiwaniem ciśnienia i w rezultacie opór aerodynamiczny jest zerowy. Oznacza to, że praca, którą ciało wykonuje nad strumieniem powietrza jest odwracalna i możliwa do odzyskania, ponieważ nie ma efektów tarcia, które przekształcałyby energię strumienia w ciepło.

Odzysk ciśnienia jest ważny nawet w przypadku ruchu lepkiego. Wartość ta powoduje jednak, że moc. Jest to dominujący składnik oporu w przypadku pojazdów z podzielonymi obszarami przepływu, gdzie odzyskanie głowy jest uważane za raczej nieefektywne.

Siła tarcia, która jest siłą styczną do powierzchni samolotu, zależy od konfiguracji warstwy granicznej i lepkości. Opór aerodynamiczny, Df, oblicza się jako rzut w dół zestawu kołowego, oszacowany na podstawie powierzchni ciała.

Sumę tarcia i odpychania ciśnieniowego nazywamy oporem lepkim. Z punktu widzenia termodynamiki efekty bagienne są zjawiskami nieodwracalnymi i dlatego tworzą entropię. Obliczony opór wiskotyczny Dv wykorzystuje zmiany tej wartości do dokładnego przewidywania siły odepchnięcia.

Tutaj również należy podać wzór na gęstość powietrza dla gazu: P*V=m/M * R*T.

Kiedy samolot wytwarza siłę nośną, istnieje jeszcze jeden składnik siły nośnej. Opór indukowany, Di. Powstaje on w wyniku zmian rozkładu ciśnienia w układzie wirowym, który towarzyszy wytwarzaniu unoszenia. Alternatywne spojrzenie na wysokość podnoszenia uzyskuje się poprzez rozważenie zmiany pędu strumienia powietrza. Skrzydło przechwytuje powietrze i kieruje je w dół. W wyniku tego na skrzydło działa równa i przeciwna siła oporu, która jest siłą nośną.

Zmiana pędu powietrza w dół prowadzi do zmniejszenia odwrotności. Jest to wynik działania siły napędowej na skrzydło. Na tył działa równa, lecz przeciwna masa, co stanowi opór indukowany. Jest to zazwyczaj najważniejszy element samolotu podczas startu lub lądowania. Inny obiekt oporu, opór falowy (Dw) powstaje w wyniku działania fal uderzeniowych przy prędkościach poddźwiękowych i naddźwiękowych mechanika lotu. Wały te powodują zmiany w warstwie granicznej i rozkładzie ciśnienia nad powierzchnią ciała.

Historia

Idea, że poruszające się ciało przechodzące przez powietrze (wzór na gęstość) lub inną ciecz napotyka opór, znana jest od czasów Arystotelesa. Artykuł Louisa Charlesa Bregueta, napisany w 1922 roku, zapoczątkował wysiłki zmierzające do zmniejszenia oporu poprzez optymalizację. Autor zrealizował swoje pomysły, tworząc kilka rekordowych samolotów w latach 20. i 30. Teoria warstwy granicznej Ludwiga Prandtla z 1920 roku stała się bodźcem do minimalizacji tarcia.

Innym ważnym postulatem dotyczącym uporządkowania był Sir Melville Jones, który przedstawił koncepcje teoretyczne przekonujące o znaczeniu uporządkowania w projektowaniu samolotów. W 1929 roku owocny był jego referat "A Streamlined Aeroplane", przedstawiony w Royal Aeronautical Society. Zaproponował idealny samolot, który miałby minimalny opór, co doprowadziło do koncepcji "czystego" jednopłatowca i chowanego podwozia.

Jednym z aspektów pracy Jonesa, który najbardziej zaszokował ówczesnych konstruktorów, był jego wykres zależności między mocą konia a prędkością dla samolotu rzeczywistego i idealnego. Jeśli spojrzysz na punkt danych dla samolotu i ekstrapolujesz go poziomo do idealnej krzywej, możesz zobaczyć przyrost prędkości dla tej samej mocy. Kiedy Jones zakończył swoją prezentację, jeden z widzów nazwał wyniki tego badania tak samo ważnymi jak cykl Carnota w termodynamice.

Opór wywołany uniesieniem

Opór wywołany unoszeniem wynika z utworzenia nachylenia na trójwymiarowym ciele, takim jak skrzydło lub kadłub samolotu. Opór indukowany składa się głównie z dwóch składników:

• Opór powietrza spowodowany tworzeniem wirów nadążnych.
• Obecność dodatkowego oporu lepkiego, który nie występuje, gdy wysokość podnoszenia jest zerowa.

Wiry wsteczne w polu przepływu występujące w wyniku unoszenia ciała powstają w wyniku turbulentnego mieszania się powietrza nad i pod obiektem, które w wyniku powstania unoszenia płynie w kilku różnych kierunkach.

Przy innych parametrach, które pozostają takie same jak siła nośna tworzona przez ciało, wzrasta również opór indukowany przez nachylenie. Oznacza to, że wraz ze wzrostem kąta natarcia skrzydła wzrasta współczynnik unoszenia, podobnie jak odbicie. Na początku przeciągnięcia siła aerodynamiczna prone gwałtownie maleje, podobnie jak opór wywołany przez siłę nośną. Jest to jednak zwiększone przez tworzenie się turbulentnego niesprzężonego przepływu za ciałem.

Opór pasożytniczy

Jest to opór powodowany przez ruch ciała stałego przez ciecz. Opór pasożytniczy ma kilka składników, w tym opór spowodowany ciśnieniem lepkim i spowodowany chropowatością powierzchni (tarcie skórne). Również obecność kilku ciał we względnej bliskości może powodować coś, co nazywa się oporem interferencyjnym, który czasami jest opisywany jako składowa tego pojęcia.

W lotnictwie, odbicie indukowane ma tendencję do bycia silniejszym przy niższych prędkościach, ponieważ duży kąt natarcia jest wymagany do utrzymania siły nośnej. Jednak wraz ze wzrostem prędkości można ją zmniejszyć, podobnie jak opór indukowany. Odpychanie pasożytnicze staje się jednak większe, ponieważ płyn płynie szybciej wokół wystających obiektów, zwiększając tarcie.

Przy wyższych prędkościach (transonicznych) opór falowy osiąga nowy poziom. Każda z tych form oporu zmienia się proporcjonalnie do pozostałych w funkcji prędkości. Zatem ogólna krzywa oporu pokazuje minimum przy pewnej prędkości lotu - samolot będzie miał optymalną sprawność lub będzie się do niej zbliżał. Piloci wykorzystują tę prędkość, aby zmaksymalizować wytrzymałość (minimalne zużycie paliwa) lub zasięg szybowania w przypadku awarii silnika.

Krzywa mocy w statku powietrznym

Interakcję oporu pasożytniczego i indukowanego w funkcji prędkości lotu można przedstawić jako linię charakterystyczną. W lotnictwie jest to często określane jako krzywa mocy. Jest to ważne dla pilotów, ponieważ pokazuje, że poniżej pewnej prędkości lotu i wbrew intuicji wymaga większego ciągu do jej utrzymania w miarę zmniejszania się prędkości, a nie mniejszego. Konsekwencje bycia "za kulisami" podczas lotu są ważne i są nauczane w ramach szkolenia pilotów. Przy prędkościach poddźwiękowych, gdzie kształt U tej krzywej jest znaczący, opór falowy nie stał się jeszcze czynnikiem. To dlatego nie widać go na krzywej.

Spowolnienie w przepływie transonicznym i naddźwiękowym

Opór ściskający to opór powstający, gdy ciało porusza się w płynie ściśliwym i przy prędkościach bliskich prędkości dźwięku w wodzie. W aerodynamice, opór falowy ma wiele składników w zależności od sposobu poruszania się.

W aerodynamice lotu transonicznego, opór falowy wynika z tworzenia się wałków uderzeniowych w płynie, powstałych w wyniku utworzenia zlokalizowanych regionów przepływu naddźwiękowego. W praktyce ruch ten występuje na ciałach poruszających się znacznie poniżej prędkości sygnału, ponieważ wzrasta lokalna prędkość powietrza. Jednak pełny przepływ naddźwiękowy nad pojazdem rozwinie się dopiero w znacznie większej odległości. Samoloty lecące z prędkością poddźwiękową często doświadczają stanu falowego podczas normalnego lotu. W locie transonicznym odpychanie to nazywane jest zwykle oporem sprężania transonicznego. Nasila się znacznie wraz ze wzrostem prędkości lotu, dominując nad innymi formami przy tych prędkościach.

W locie naddźwiękowym opór falowy jest wynikiem fal uderzeniowych obecnych w płynie i przyczepionych do ciała, tworzących się na wiodących i wleczonych krawędziach ciała. W strumieniach naddźwiękowych, lub w ciałach o wystarczająco dużych kątach obrotu, zamiast tego powstaną niezamknięte fale uderzeniowe lub ugięte. Ponadto przy niższych prędkościach naddźwiękowych mogą występować lokalne rejony przepływu transonicznego. Czasami prowadzą one do powstania dodatkowych wałów uderzeniowych występujących na powierzchniach innych ciał nośnych, podobnych do tych występujących w przepływach transonicznych. W trybach dużej mocy przepływy impedancji falowej są zwykle podzielone na dwie składowe:

• Unoszenie naddźwiękowe w zależności od wartości.
• Tom, który również zależy od pojęcia.

Rozwiązanie w postaci zamkniętej dla minimalnego oporu falowego ciała obrotowego o stałej długości zostało znalezione przez Searsa i Haacka i jest znane jako "Rozkład Searsa-Haaka". Podobnie dla stałej objętości, kształt dla minimalnego oporu falowego to "Ogon Von Karmana".

Dwupłatowiec Buzeman w zasadzie w ogóle nie podlega tej akcji w pracy przy prędkości projektowej, ale nie jest w stanie wytworzyć siły nośnej.

Produkty

Rurka aerodynamiczna to przyrząd wykorzystywany w badaniach naukowych do badania efektów ruchu powietrza obok obiektów stałych. Konstrukcja taka składa się z korytarza rurowego z zamontowanym w środku badanym obiektem. Powietrze przemieszcza się obok obiektu za pomocą wydajnego systemu wentylatorów lub innych środków. Obiekt badawczy, często nazywany rurą modelową, wyposażony w odpowiednie czujniki do pomiaru sił powietrza, rozkładu ciśnienia lub innych właściwości aerodynamicznych. Jest to również konieczne, aby w porę zauważyć i skorygować problem w systemie.

Jakie są rodzaje maszyn latających?

Przyjrzyjmy się najpierw historii. Najwcześniejsze tunele aerodynamiczne zostały wynalezione pod koniec XIX wieku, w początkach badań nad lotnictwem. To właśnie wtedy wielu próbowało opracować udane samoloty cięższe od powietrza. Tunel powietrzny został pomyślany jako środek odwrócenia konwencjonalnego paradygmatu. Zamiast stać w miejscu i przesuwać przez nie obiekt, ten sam efekt powstałby, gdyby obiekt stał w miejscu, a powietrze poruszało się z większą prędkością. W ten sposób nieruchomy obserwator może badać obiekt latający w akcji i mierzyć nałożoną na niego aerodynamikę praktyczną.

Rozwój rur towarzyszył rozwojowi samolotu. Duże wyroby aerodynamiczne powstawały w czasie II wojny światowej. Testy w takiej tubie były uważane za strategiczne podczas rozwoju naddźwiękowych samolotów i rakiet w czasie zimnej wojny. Dziś maszyny latające występują we wszystkich kształtach i rozmiarach. A prawie wszystkie najważniejsze osiągnięcia zostały już wdrożone do codziennego życia.

W późniejszym okresie badania w tunelu aerodynamicznym stały się czymś oczywistym. Wpływ wiatru na konstrukcje i obiekty stworzone przez człowieka musiał zostać zbadany, gdy budynki stały się na tyle wysokie, że mogły wystawiać duże powierzchnie na działanie wiatru, a powstałe siły musiały być przeciwstawiane przez wewnętrzne elementy budynku. Definicja takich zestawów była wymagana, zanim kodeksy budowlane mogły określić wymaganą wytrzymałość konstrukcji. I takie testy do dziś są stosowane w przypadku dużych lub nietypowych budynków.

Jeszcze później kontrole zastosowano do oporu aerodynamicznego samochodów. Nie chodziło jednak o określenie sił jako takich, ale o ustalenie sposoby zmniejszenia moc, potrzebny do Ruch pojazdu po powierzchni drogi przy danej prędkości. W tych testach interakcja między drogą a pojazdem odgrywa znaczącą rolę. Oto, co należy wziąć pod uwagę przy interpretacji wyników badań.

W rzeczywistej sytuacji jezdnia porusza się względem pojazdu, ale powietrze jest nieruchome względem toru. Ale w tunelu aerodynamicznym, powietrze porusza się względem drogi. Podczas gdy ten ostatni jest nieruchomy w stosunku do pojazdu. Niektóre testy w samochodowym tunelu aerodynamicznym wykorzystują ruchome pasy pod badanym pojazdem. Ma to na celu przybliżenie rzeczywistego. Podobne urządzenia są stosowane w tunelach aerodynamicznych do startu i lądowania samolotów.

Sprzęt

Od wielu lat powszechne są również testy sprzętu sportowego. Były to między innymi kije i piłki golfowe, bobsleje olimpijskie i kolarze, a także kaski dla samochodów wyścigowych. Aerodynamika tych ostatnich jest szczególnie ważna w pojazdach z otwartym kokpitem (Indycar, Formuła 1). Nadmierne uniesienie kasku może znacznie obciążyć szyję jeźdźca, a oddzielenie przepływu w tylnej części powoduje turbulencje i w konsekwencji pogorszenie widoczności przy większych prędkościach.

Postęp w dziedzinie obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) na szybkich komputerach cyfrowych ograniczył potrzebę przeprowadzania testów w tunelu aerodynamicznym. Ale wyniki CFD wciąż nie są w pełni wiarygodne, narzędzie to jest używane sprawdzić Prognozy CFD.