Opór aerodynamiczny to siła działająca przeciwnie do względnego ruchu dowolnego obiektu. Może istnieć pomiędzy dwiema warstwami stałej powierzchni. W przeciwieństwie do innych zestawów rezystancyjnych, takich jak tarcie suche, które są prawie niezależne od prędkości, siły oporu mają określoną wartość. Chociaż ostateczną przyczyną działania jest tarcie lepkościowe, turbulencja jest od niego niezależna. Siła oporu jest proporcjonalna do prędkości przepływu laminarnego.
Koncepcja
Opór aerodynamiczny to siła działająca na dowolne poruszające się ciało stałe w kierunku nadchodzącego płynu. W ujęciu aproksymacji pola bliskiego opór jest wynikiem sił wynikających z rozkładu ciśnienia na powierzchni obiektu, symbolizowany przez D. Ze względu na tarcie powierzchniowe, które jest wynikiem lepkości, oznacza się De. Alternatywnie, obliczona z punktu widzenia pola przepływu, siłaopór powstaje w wyniku trzech zjawisk naturalnych: fal uderzeniowych, warstwy wirowej i lepkości. Wszystko to znajdziesz w tabeli oporu aerodynamicznego.
Przegląd
Rozkład nacisku działającego na powierzchnię ciała wpływa na duże siły. Te z kolei można podsumować. Dalsze składowe tej wartości stanowią siłę oporu, Drp, ze względu na rozkład nacisków oddziałujących na organizm. Charakter tych sił łączy efekty fali uderzeniowej, generowanie systemu wirowego i mechanizmy budzenia.
Lepkość płynu ma znaczący wpływ na opór. W przypadku braku tego elementu, siły nacisku działające w celu spowolnienia pojazdu są neutralizowane przez moc znajdującą się w części rufowej i popychają pojazd do przodu. Nazywa się to sprężeniem, co skutkuje zerowym oporem aerodynamicznym. Oznacza to, że praca, jaką ciało wykonuje nad przepływem powietrza, jest odwracalna i możliwa do odzyskania, ponieważ nie ma efektów tarcia, które przekształcałyby energię przepływu w ciepło.
Odzyskiwanie ciśnienia działa nawet w przypadku ruchów lepkich. Ta wartość jednak skutkuje mocą. Jest to dominujący składnik oporu w przypadku pojazdów z dzielonymi obszarami przepływu, w których odzyskiwanie głowy jest uważane za raczej nieefektywne.
Siła tarcia, czyli siła styczna na powierzchnisamolot, zależy od konfiguracji warstwy granicznej i lepkości. Opór aerodynamiczny, Df, jest obliczany jako rzut zbioru torfowisk w dół rzeki oszacowany z powierzchni ciała.
Suma odporności na tarcie i ciśnienie nazywana jest oporem lepkościowym. Z perspektywy termodynamicznej efekty bagien są zjawiskami nieodwracalnymi, a zatem tworzą entropię. Obliczony opór lepkościowy Dv wykorzystuje zmiany tej wartości, aby dokładnie przewidzieć siłę odbicia.
W tym miejscu należy również podać wzór na gęstość powietrza dla gazu: РV=m/MRT.
Kiedy samolot wytwarza siłę nośną, istnieje inny element odpychania. Opór indukowany, Di. Wynika to ze zmiany rozkładu ciśnienia w systemie wirowym towarzyszącym produkcji windy. Alternatywną perspektywę podnoszenia uzyskuje się poprzez rozważenie zmiany pędu przepływu powietrza. Skrzydło przechwytuje powietrze i zmusza je do opuszczenia. Powoduje to równą i przeciwną siłę oporu działającą na skrzydło, które jest unoszone.
Zmiana pędu przepływu powietrza w dół prowadzi do zmniejszenia wartości odwrotnej. Że jest to wynik siły działającej do przodu na przyłożone skrzydło. Równa, ale przeciwna masa działa na plecy, co jest indukowanym oporem. Zwykle jest to najważniejszy element samolotu podczas startu lub lądowania. Inny obiekt oporu, opór fali (Dw) jest spowodowany falami uderzeniowymiprzy prędkościach transsonicznych i naddźwiękowych mechaniki lotu. Rolki te powodują zmiany w warstwie przyściennej i rozkład nacisku na powierzchnię ciała.
Historia
Pomysł, że poruszające się ciało przechodzące przez powietrze (wzór gęstości) lub inną ciecz napotyka opór, był znany od czasów Arystotelesa. Artykuł Louisa Charlesa Bregueta napisany w 1922 roku zapoczątkował wysiłki zmierzające do zmniejszenia oporu poprzez optymalizację. Autor kontynuował realizację swoich pomysłów, tworząc w latach dwudziestych i trzydziestych kilka samolotów bijących rekordy. Teoria warstw granicznych Ludwiga Prandtla w 1920 roku dostarczyła bodźca do zminimalizowania tarcia.
Kolejne ważne wezwanie do sekwencjonowania wystosował Sir Melville Jones, który przedstawił teoretyczne koncepcje, aby przekonująco zademonstrować znaczenie sekwencjonowania w projektowaniu samolotów. W 1929 roku jego praca The Streamlined Airplane zaprezentowana Królewskiemu Towarzystwu Lotnictwa była przełomowa. Zaproponował idealny samolot, który miałby minimalny opór, prowadząc do koncepcji „czystego” jednopłata i chowanego podwozia.
Jednym z aspektów pracy Jonesa, który najbardziej zszokował ówczesnych projektantów, był jego wykres przedstawiający stosunek mocy konia do prędkości dla prawdziwego i idealnego samolotu. Jeśli spojrzysz na punkt danych dla samolotu i ekstrapolujesz go poziomo na idealną krzywą, wkrótce zobaczysz korzyści dla tej samej mocy. Kiedy Jones zakończył swoją prezentację, jeden ze słuchaczy…poziom ważności jako cykl Carnota w termodynamice.
Opór wywołany podnoszeniem
Luz wywołany windą wynika z tworzenia pochyłości na trójwymiarowym korpusie, takim jak skrzydło samolotu lub kadłub. Hamowanie indukcyjne składa się głównie z dwóch elementów:
- Przeciąganie z powodu tworzenia wirów końcowych.
- Posiadanie dodatkowego lepkiego oporu, którego nie ma, gdy siła nośna wynosi zero.
Tylne wiry w polu przepływu obecne w wyniku unoszenia ciała są spowodowane turbulentnym mieszaniem się powietrza nad i pod obiektem, które przepływa w kilku różnych kierunkach w wyniku wytworzenia unoszenia.
Przy innych parametrach, które pozostają takie same, jak podnoszenie tworzone przez ciało, opór powodowany przez nachylenie również wzrasta. Oznacza to, że wraz ze wzrostem kąta natarcia skrzydła wzrasta współczynnik siły nośnej, podobnie jak odbicie. Na początku przeciągnięcia siła aerodynamiczna w pozycji podatnej zmniejsza się dramatycznie, podobnie jak opór wywołany podnoszeniem. Ale ta wartość wzrasta z powodu tworzenia się turbulentnego, niezwiązanego przepływu za ciałem.
Nieprawdziwe przeciąganie
Jest to opór spowodowany ruchem ciała stałego w cieczy. Opór pasożytniczy ma kilka elementów, w tym ruch spowodowany ciśnieniem lepkości i chropowatością powierzchni (tarcie skóry). Ponadto obecność kilku ciał we względnej bliskości może powodować tzwodporność na zakłócenia, która jest czasami określana jako składnik tego terminu.
W lotnictwie luz indukowany jest silniejszy przy niższych prędkościach, ponieważ do utrzymania siły nośnej wymagany jest duży kąt natarcia. Jednak wraz ze wzrostem prędkości można ją zmniejszyć, podobnie jak indukowany opór. Jednak opór pasożytniczy staje się większy, ponieważ płyn szybciej przepływa wokół wystających obiektów, zwiększając tarcie.
Przy wyższych prędkościach (transonicznych) opór fali osiąga nowy poziom. Każda z tych form odpychania zmienia się proporcjonalnie do innych w zależności od prędkości. Tak więc ogólna krzywa oporu pokazuje minimum przy pewnej prędkości lotu – samolot będzie osiągał optymalną wydajność lub prawie taką samą. Piloci będą używać tej prędkości, aby zmaksymalizować wytrzymałość (minimalne zużycie paliwa) lub odległość schodzenia w przypadku awarii silnika.
Krzywa mocy w lotnictwie
Interakcję oporu pasożytniczego i indukowanego jako funkcję prędkości lotu można przedstawić jako charakterystyczną linię. W lotnictwie często nazywa się to krzywą mocy. Jest to ważne dla pilotów, ponieważ pokazuje, że poniżej pewnej prędkości i wbrew intuicji, do jej utrzymania wymagany jest większy ciąg, a nie mniej. Konsekwencje bycia „za kulisami” w locie są ważne i są nauczane w ramach szkolenia pilotów. Na poddźwiękowymprędkości lotu, przy których kształt litery U tej krzywej jest znaczący, opór fali nie stał się jeszcze czynnikiem. Dlatego nie jest pokazany na krzywej.
Hamowanie w przepływie transsonicznym i naddźwiękowym
Ściskany opór fal to opór, który powstaje, gdy ciało porusza się w ściśliwym płynie z prędkością zbliżoną do prędkości dźwięku w wodzie. W aerodynamice opór fal ma wiele elementów w zależności od trybu jazdy.
W aerodynamice lotu transsonicznego opór fal jest wynikiem powstawania w cieczy fal uderzeniowych, które powstają podczas tworzenia lokalnych obszarów przepływu naddźwiękowego. W praktyce taki ruch występuje na ciałach poruszających się znacznie poniżej prędkości sygnału, ponieważ lokalna prędkość powietrza wzrasta. Jednak pełny przepływ naddźwiękowy nad pojazdem nie rozwinie się, dopóki wartość nie pójdzie znacznie dalej. Samoloty lecące z prędkościami transonicznymi często doświadczają warunków falowych podczas normalnego lotu. W locie transsonicznym to odpychanie jest powszechnie określane jako transoniczny opór ściśliwości. Znacznie nasila się wraz ze wzrostem prędkości lotu, dominując inne formy przy tych prędkościach.
W locie naddźwiękowym opór fal jest wynikiem fal uderzeniowych obecnych w płynie i przyczepionych do ciała, tworzących się na krawędziach natarcia i spływu ciała. W przepływach naddźwiękowych lub w kadłubach o wystarczająco dużych kątach obrotu zamiast tego będziepowstają luźne fale uderzeniowe lub zakrzywione. Ponadto lokalne obszary przepływu transsonicznego mogą wystąpić przy niższych prędkościach naddźwiękowych. Niekiedy prowadzą one do powstania dodatkowych fal uderzeniowych obecnych na powierzchni innych korpusów nośnych, podobnych do tych występujących w przepływach transsonicznych. W warunkach silnego przepływu opór fal jest zwykle dzielony na dwa składniki:
- Wznios naddźwiękowy w zależności od wartości.
- Głośność, która również zależy od koncepcji.
Rozwiązanie w formie zamkniętej dla minimalnego oporu falowego ciała obrotowego o ustalonej długości zostało znalezione przez Searsa i Haacka i jest znane jako „Rozkład Seersa-Haacka”. Podobnie, dla stałej objętości, formą minimalnego oporu falowego jest „Von Karman Ogive”.
Dwupłatowiec Busemanna w zasadzie nie podlega takim oddziaływaniom, gdy działa z prędkością projektową, ale nie jest również w stanie generować siły nośnej.
Produkty
Tunel aerodynamiczny to narzędzie wykorzystywane w badaniach nad wpływem powietrza poruszającego się obok stałych obiektów. Konstrukcja ta składa się z rurowego przejścia z badanym obiektem umieszczonym pośrodku. Powietrze jest przemieszczane obok obiektu przez potężny system wentylatorów lub w inny sposób. Obiekt testowy, często nazywany modelem rury, wyposażony jest w odpowiednie czujniki do pomiaru sił powietrza, rozkładu ciśnienia itp.właściwości aerodynamiczne. Jest to również konieczne, aby na czas zauważyć i naprawić problem w systemie.
Jakie są typy samolotów
Spójrzmy najpierw na historię. Najwcześniejsze tunele aerodynamiczne zostały wynalezione pod koniec XIX wieku, na początku badań lotniczych. To wtedy wielu próbowało opracować udany samolot cięższy od powietrza. Tunel aerodynamiczny został pomyślany jako sposób na odwrócenie konwencjonalnego paradygmatu. Zamiast stać nieruchomo i przesuwać przez niego obiekt, ten sam efekt można by uzyskać, gdyby obiekt stał nieruchomo, a powietrze poruszało się z większą prędkością. W ten sposób stacjonarny obserwator może badać latający produkt w działaniu i mierzyć praktyczną aerodynamikę nałożoną na niego.
Rozwój rur towarzyszył rozwojowi samolotu. Podczas II wojny światowej zbudowano duże elementy aerodynamiczne. Testowanie w takiej tubie uznano za strategicznie ważne podczas opracowywania samolotów i pocisków naddźwiękowych podczas zimnej wojny. Dziś samoloty to wszystko. I prawie wszystkie najważniejsze wydarzenia zostały już wprowadzone do codziennego życia.
Później badania w tunelu aerodynamicznym stały się oczywistością. Wpływ wiatru na konstrukcje lub obiekty wykonane przez człowieka należało zbadać, gdy budynki stały się wystarczająco wysokie, aby wystawić na działanie wiatru duże powierzchnie, a powstałe siły musiały oprzeć się wewnętrznym elementom budynku. Definicja takich zestawów była wymagana, zanim przepisy budowlane mogły:określić wymaganą wytrzymałość konstrukcji. I do dziś takie testy są stosowane w przypadku dużych lub nietypowych budynków.
Jeszcze później sprawdzano opór aerodynamiczny samochodów. Nie chodziło jednak o określenie sił jako takich, ale o ustalenie sposobów zmniejszenia mocy potrzebnej do poruszania się samochodu po drogach z określoną prędkością. W badaniach tych istotną rolę odgrywa interakcja między drogą a pojazdem. To właśnie on musi być brany pod uwagę przy interpretacji wyników badań.
W rzeczywistej sytuacji jezdnia porusza się względem pojazdu, ale powietrze jest nadal względem drogi. Ale w tunelu aerodynamicznym powietrze porusza się względem drogi. Podczas gdy ten ostatni jest nieruchomy względem pojazdu. Niektóre tunele aerodynamiczne pojazdu testowego zawierają ruchome pasy pod pojazdem testowym. Ma to na celu zbliżenie się do stanu faktycznego. Podobne urządzenia są używane w konfiguracjach startu i lądowania w tunelu aerodynamicznym.
Sprzęt
Próbki sprzętu sportowego są również powszechne od wielu lat. Były to między innymi kije i piłki golfowe, olimpijskie bobsleje i rowerzyści oraz kaski wyścigowe. Aerodynamika tych ostatnich jest szczególnie ważna w pojazdach z otwartą kabiną (Indycar, Formuła 1). Nadmierna siła podnoszenia na kasku może powodować znaczny stresna szyi kierowcy, a separacja przepływu z tyłu to turbulentne uszczelnienie, a w rezultacie pogorszenie widzenia przy dużych prędkościach.
Postępy w symulacjach obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) na szybkich komputerach cyfrowych zmniejszyły potrzebę testowania w tunelu aerodynamicznym. Jednak wyniki CFD nadal nie są w pełni wiarygodne, to narzędzie służy do weryfikacji prognoz CFD.
