Alerarea aerodinamică este o forță care acționează opus mișcării relative a oricărui obiect. Poate exista între două straturi de suprafață solidă. Spre deosebire de alte seturi rezistive, cum ar fi frecarea uscată, care sunt aproape independente de viteză, forțele de rezistență se supun unei anumite valori. Deși cauza finală a acțiunii este frecarea vâscoasă, turbulența este independentă de aceasta. Forța de antrenare este proporțională cu viteza curgerii laminare.
Concept
Forța aerodinamică este forța care acționează asupra oricărui corp solid în mișcare în direcția fluidului care se apropie. Din punct de vedere al aproximării câmpului apropiat, rezistența este rezultatul forțelor datorate distribuției presiunii pe suprafața obiectului, simbolizat cu D. Datorită frecării pielii, care este rezultatul vâscozității, se notează De. Alternativ, calculată din punct de vedere al câmpului de curgere, forțarezistența apare ca urmare a trei fenomene naturale: undele de șoc, stratul vortex și vâscozitatea. Toate acestea pot fi găsite în tabelul de rezistență aerodinamică.
Prezentare generală
Distribuția presiunii care acționează pe suprafața unui corp afectează forțe mari. Ele, la rândul lor, pot fi rezumate. Componentele din aval ale acestei valori constituie puterea de tracțiune, Drp, datorită distribuției presiunii care afectează organismul. Natura acestor forțe combină efectele undelor de șoc, generarea sistemului de vortex și mecanismele de trezire.
Vâscozitatea unui fluid are un efect semnificativ asupra rezistenței. În absența acestei componente, forțele de presiune care acționează pentru încetinirea vehiculului sunt neutralizate de puterea care se află în partea din spate și împinge vehiculul înainte. Aceasta se numește represurizare, rezultând o rezistență aerodinamică zero. Adică, munca pe care o face corpul asupra fluxului de aer este reversibilă și recuperabilă, deoarece nu există efecte de frecare pentru a transforma energia fluxului în căldură.
Recuperarea presiunii funcționează chiar și în cazul mișcării vâscoase. Această valoare, însă, are ca rezultat putere. Este componenta dominantă a rezistenței în cazul vehiculelor cu regiuni cu flux divizat, unde recuperarea capului este considerată a fi destul de ineficientă.
Forța de frecare, care este puterea tangențială la suprafațăaeronave, depinde de configurația stratului limită și de vâscozitate. Frecvența aerodinamică, Df, este calculată ca proiecția în aval a seturilor de mlaștină estimată de la suprafața corpului.
Suma rezistenței la frecare și la presiune se numește rezistență vâscoasă. Dintr-o perspectivă termodinamică, efectele de mlaștină sunt fenomene ireversibile și, prin urmare, creează entropie. Rezistența vâscoasă calculată Dv utilizează modificările acestei valori pentru a prezice cu exactitate forța de rebound.
Aici este necesar să se dea și formula pentru densitatea aerului pentru gaz: РV=m/MRT.
Când o aeronavă produce portanță, există o altă componentă a respingerii. Rezistență indusă, Di. Ea rezultă din modificarea distribuției presiunii a sistemului de vortex care însoțește producția ascensorului. O perspectivă alternativă de ridicare este obținută prin luarea în considerare a schimbării impulsului fluxului de aer. Aripa interceptează aerul și îl obligă să se miște în jos. Aceasta are ca rezultat o forță de rezistență egală și opusă care acționează asupra aripii, care este portanța.
Schimbarea impulsului fluxului de aer în jos duce la o scădere a valorii inverse. Că este rezultatul forței care acționează înainte asupra aripii aplicate. Pe spate acționează o masă egală, dar opusă, care este rezistența indusă. Tinde să fie cea mai importantă componentă pentru aeronave în timpul decolării sau aterizării. Un alt obiect de tragere, wave drag (Dw) se datorează undelor de șocla viteze transonice și supersonice ale mecanicii de zbor. Aceste role provoacă modificări în stratul limită și distribuția presiunii pe suprafața corpului.
Istorie
Ideea că un corp în mișcare care trece prin aer (formula densității) sau alt lichid întâmpină rezistență este cunoscută încă de pe vremea lui Aristotel. Un articol de Louis Charles Breguet scris în 1922 a început un efort de reducere a rezistenței prin optimizare. Autorul a continuat să-și dea viață ideilor, creând mai multe avioane record în anii 1920 și 1930. Teoria stratului limită a lui Ludwig Prandtl din 1920 a oferit un stimulent pentru a minimiza frecarea.
Un alt apel important pentru secvențiere a fost făcut de Sir Melville Jones, care a introdus concepte teoretice pentru a demonstra în mod convingător importanța secvențierii în proiectarea aeronavelor. În 1929, lucrarea sa The Streamlined Airplane prezentată Societății Regale Aeronautice a fost fundamentală. El a propus o aeronavă ideală care ar avea o rezistență minimă, ceea ce a condus la conceptul de monoplan „curat” și tren de rulare retractabil.
Unul dintre aspectele lucrării lui Jones care i-a șocat cel mai mult pe designerii vremii a fost complotul său dintre caii putere și viteza pentru un avion real și ideal. Dacă te uiți la punctul de date pentru o aeronavă și îl extrapolezi pe orizontală la o curbă perfectă, poți vedea în curând profitul pentru aceeași putere. Când Jones și-a terminat prezentarea, unul dintre ascultătorinivel de importanță ca ciclul Carnot în termodinamică.
Rezistență indusă de ridicare
Reacția indusă de ridicare rezultă din crearea unei pante pe un corp tridimensional, cum ar fi aripa sau fuselajul unui avion. Frânarea indusă constă în principal din două componente:
- Trageți din cauza creării de vârtejuri trase.
- Are rezistență suplimentară vâscoasă care nu există atunci când portanța este zero.
Vârtejurile din spate din câmpul de curgere prezente ca urmare a ridicării corpului se datorează amestecului turbulent de aer deasupra și dedesubtul obiectului, care curge în mai multe direcții diferite ca urmare a creării liftului..
Cu alți parametri care rămân aceleași cu portanța creată de corp, crește și rezistența cauzată de pantă. Aceasta înseamnă că pe măsură ce unghiul de atac al aripii crește, coeficientul de portanță crește, la fel ca și revenirea. La începutul unei blocări, forța aerodinamică predispusă scade dramatic, la fel ca și rezistența indusă de ridicare. Dar această valoare crește din cauza formării unui flux turbulent neatașat după corp.
Trasare falsă
Aceasta este rezistența cauzată de mișcarea unui obiect solid printr-un lichid. Dragul parazit are mai multe componente, inclusiv mișcarea datorată presiunii vâscoase și datorită rugozității suprafeței (frecarea pielii). În plus, prezența mai multor corpuri în relativă proximitate poate provoca așa-numitelerezistența la interferență, care este uneori descrisă ca o componentă a termenului.
În aviație, reacția indusă tinde să fie mai puternică la viteze mai mici, deoarece este necesar un unghi mare de atac pentru a menține portanța. Cu toate acestea, pe măsură ce viteza crește, aceasta poate fi redusă, precum și rezistența indusă. Cu toate acestea, rezistența parazită devine mai mare, deoarece fluidul curge mai repede în jurul obiectelor proeminente, crescând frecarea.
La viteze mai mari (transonic), tracțiunea valurilor atinge un nou nivel. Fiecare dintre aceste forme de repulsie variaza proportional cu celel alte in functie de viteza. Deci, curba de rezistență generală arată un minim la o anumită viteză - aeronava va fi la sau aproape de eficiența optimă. Piloții vor folosi această viteză pentru a maximiza rezistența (consumul minim de combustibil) sau distanța de alunecare în cazul unei defecțiuni a motorului.
Curba puterii aviației
Interacțiunea rezistenței parazitare și induse în funcție de viteza aerului poate fi reprezentată ca o linie caracteristică. În aviație, aceasta este adesea denumită curba puterii. Este important pentru piloți, deoarece arată că sub o anumită viteză și contraintuitiv, este nevoie de mai multă forță pentru a o menține pe măsură ce viteza aerului scade, nu mai puțin. Implicațiile de a fi „în culise” în zbor sunt importante și sunt predate ca parte a pregătirii piloților. Pe subsonicvitezele aeriene la care forma U a acestei curbe este semnificativă, rezistența valurilor nu a devenit încă un factor. De aceea nu este afișat pe curbă.
Frânare în flux transonic și supersonic
Alimentarea valului de compresie este rezistența care este creată atunci când un corp se mișcă printr-un fluid compresibil și la viteze apropiate de viteza sunetului în apă. În aerodinamică, rezistența valurilor are multe componente în funcție de modul de conducere.
În aerodinamica zborului transonic, rezistența valurilor este rezultatul formării undelor de șoc în lichid, care se formează la crearea unor zone locale de flux supersonic. În practică, o astfel de mișcare are loc pe corpurile care se deplasează cu mult sub viteza semnalului, deoarece viteza locală a aerului crește. Cu toate acestea, fluxul supersonic complet peste vehicul nu se va dezvolta până când valoarea nu va merge mult mai departe. Aeronavele care zboară la viteze transonice se confruntă adesea cu condiții de valuri în timpul cursului normal al zborului. În zborul transonic, această repulsie este denumită în mod obișnuit ca rezistență de compresibilitate transonic. Se intensifică foarte mult pe măsură ce viteza de zbor crește, dominând alte forme la acele viteze.
În zborul supersonic, rezistența valurilor este rezultatul undelor de șoc prezente în fluid și atașate de corp, formându-se la marginile de început și de fugă ale corpului. În fluxurile supersonice, sau în carcase cu unghiuri de rotație suficient de mari, vor exista în schimbse formează șoc liber sau unde curbe. În plus, zonele locale de flux transonic pot apărea la viteze supersonice mai mici. Uneori duc la dezvoltarea undelor de șoc suplimentare prezente pe suprafețele altor corpuri de susținere, similare celor întâlnite în fluxurile transonice. În regimurile de curgere puternice, rezistența la val este de obicei împărțită în două componente:
- Ridicare supersonică în funcție de valoare.
- Volum, care depinde și de concept.
Soluția în formă închisă pentru rezistența minimă a undei a unui corp de revoluție cu o lungime fixă a fost găsită de Sears și Haack și este cunoscută sub numele de „Distribuția Seers-Haack”. În mod similar, pentru un volum fix, forma pentru rezistența minimă a undei este „Von Karman Ogive”.
Biplanul lui Busemann, în principiu, nu este supus deloc unei astfel de acțiuni atunci când funcționează la viteza proiectată, dar nici nu este capabil să genereze portanță.
Produse
Un tunel de vânt este un instrument folosit în cercetare pentru a studia efectul mișcării aerului pe lângă obiecte solide. Acest design constă într-un pasaj tubular cu obiectul testat plasat în mijloc. Aerul este mutat pe lângă obiect printr-un sistem puternic de ventilator sau prin alte mijloace. Obiectul de testat, denumit adesea model de țeavă, este echipat cu senzori corespunzători pentru a măsura forțele aeriene, distribuția presiunii sau altecaracteristici aerodinamice. Acest lucru este necesar și pentru a observa și a corecta problema din sistem la timp.
Care sunt tipurile de aeronave
Să ne uităm mai întâi la istorie. Cele mai vechi tuneluri de vânt au fost inventate la sfârșitul secolului al XIX-lea, în primele zile ale cercetării aviatice. Atunci mulți au încercat să dezvolte aeronave de succes mai grele decât aerul. Tunelul de vânt a fost conceput ca un mijloc de inversare a paradigmei convenționale. În loc să stea nemișcat și să miști un obiect prin el, același efect s-ar obține dacă obiectul ar sta nemișcat și aerul s-ar mișca cu o viteză mai mare. În acest fel, un observator staționar poate studia produsul zburător în acțiune și poate măsura aerodinamica practică impusă acestuia.
Dezvoltarea conductelor a însoțit dezvoltarea aeronavei. Articole aerodinamice mari au fost construite în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Testarea într-un astfel de tub a fost considerată importantă din punct de vedere strategic în timpul dezvoltării aeronavelor supersonice și a rachetelor în timpul Războiului Rece. Astăzi, avioanele sunt orice. Și aproape toate cele mai importante evoluții au fost deja introduse în viața de zi cu zi.
Cercetarea ulterioară a tunelului de vânt a devenit un lucru firesc. Efectul vântului asupra structurilor sau obiectelor create de om a trebuit să fie studiat atunci când clădirile au devenit suficient de în alte pentru a prezenta vântului suprafețe mari, iar forțele rezultate au trebuit să fie rezistate de elementele interne ale clădirii. Definirea unor astfel de seturi a fost necesară înainte ca codurile de construcție să poată face acest lucrudetermina rezistența necesară a structurilor. Și astfel de teste continuă să fie folosite pentru clădiri mari sau neobișnuite până în prezent.
Chiar mai târziu, au fost aplicate controale rezistenței aerodinamice a mașinilor. Dar aceasta nu a fost pentru a determina forțele ca atare, ci pentru a stabili modalități de reducere a puterii necesare pentru a deplasa mașina de-a lungul patului drumului la o viteză dată. În aceste studii, interacțiunea dintre drum și vehicul joacă un rol semnificativ. El este cel care trebuie luat în considerare la interpretarea rezultatelor testelor.
Într-o situație reală, carosabilul se mișcă în raport cu vehiculul, dar aerul este în continuare relativ la drum. Dar într-un tunel de vânt, aerul se mișcă în raport cu drumul. În timp ce acesta din urmă este staționar în raport cu vehiculul. Unele tuneluri de vânt ale vehiculelor de testare includ curele mobile sub vehiculul de testare. Asta pentru a te apropia de starea reală. Dispozitive similare sunt utilizate în configurațiile de decolare și aterizare în tunelul de vânt.
Echipament
Eșantioanele de echipamente sportive sunt, de asemenea, comune de mulți ani. Acestea includ crose și mingi de golf, bob și bicicliști olimpici și căști pentru mașini de curse. Aerodinamica acestuia din urmă este deosebit de importantă la vehiculele cu cabină deschisă (Indycar, Formula 1). Forța excesivă de ridicare a căștii poate provoca stres semnificativpe gâtul șoferului, iar separarea fluxului pe partea din spate este o etanșare turbulentă și, ca urmare, vedere afectată la viteze mari.
Avansele în simularea dinamicii fluidelor computaționale (CFD) pe computere digitale de mare viteză au redus nevoia de testare în tunelul eolian. Cu toate acestea, rezultatele CFD nu sunt încă complet de încredere, acest instrument este folosit pentru a verifica predicțiile CFD.
