Аеродинамічний опір є силою, що діє протилежно відносного руху будь-якого об’єкта. Воно може існувати між двома шарами твердої поверхні. На відміну від інших резистивних множин, таких як сухе тертя, які майже не залежать від швидкості, сили опору підпорядковуються даному значенню. Незважаючи на те, що кінцевою причиною дії є в’язке тертя, турбулентність не залежить від неї. Сила опору пропорційна швидкості ламінарного потоку.
Поняття
Аеродинамічний опір — це сила, яка діє на будь-якому рухається твердому тілі в напрямку текучого середовища набігаючого потоку. З точки зору наближення ближнього поля, опір є результатом сил з-за розподілу тиску по поверхні об’єкта, символизируемых D. через тертя шкіри, яке є результатом в’язкості, позначається De. Альтернативно, розрахована, з точки зору поля течії, сила опору виникає в результаті трьох природних явищ: ударних хвиль, вихрового шару і в’язкості. Це все можна знайти в таблиці аеродинамічних опорів.
Огляд
Розподіл тиску, що діє на поверхню тіла, впливає на великі сили. Вони, в свою чергу, можуть бути підсумовані. Компоненти даного значення, які діють нижче за течією, складають потужність опору, Drp, із-за розподілу тиску, який впливає на організм. Природа цих сил об’єднує ефекти ударної хвилі, генерацію вихрової системи і механізми сліду.
В’язкість рідини робить істотний вплив на опір. При відсутності даного компонента сили тиску, що діють для уповільнення транспортного засобу, нейтралізуються потужністю, яка знаходиться в кормовій частині і штовхає транспортний засіб вперед. Це називається відновленням тиску, в результаті чого аеродинамічний опір дорівнює нулю. Тобто робота, яку тіло виконує над повітряним потоком, є оборотною і відновлюється, оскільки немає ніяких ефектів тертя, щоб перетворити енергію потоку в тепло.
Відновлення тиску діє навіть у разі в’язкого руху. Дане значення, однак, призводить до потужності. Вона є домінуючою складовою лобового опору у випадку транспортних засобів з областями розділеного потоку, в яких відновлення напору вважається досить неефективним.
Сила тертя, яка являє собою тангенціальну силу на поверхні літака, залежить від конфігурації прикордонного шару і в’язкості. Аеродинамічний опір, Df, розраховується як проекція трясинных множин вниз за течією, оцінена по поверхні тіла.
Сума опору тертя і тиску називається в’язким опором. У термодинамічної перспективі трясовинна ефекти являють собою незворотні явища і, отже, вони створюють ентропію. Розрахункове в’язке опір Dv використовує зміни даного значення, щоб точно передбачити силу відсічі.
Тут також необхідно навести формулу щільності повітря для газу: Р*V=m/M * R*T.
Коли літак виробляє підйомну силу, виникає інший компонент відсічі. Індуковане опір, Di. Воно виникає через зміни розподілу тиску вихрової системи, яка супроводжує виробництво ліфта. Альтернативна перспектива підйому досягається при розгляді зміни імпульсу повітряного потоку. Крило перехоплює повітря і змушує його рухатися вниз. Це призводить до того, що на крило діє рівна і протилежна сила лобового опору, яка є підйомної потужністю.
Зміна імпульсу повітряного потоку вниз призводить до зменшення зворотного значення. Саме воно є результатом сили, діючої вперед на прикладається крило. Рівна, але протилежна маса діє на задню частину, яка є індукованим опором. Воно має тенденцію бути найбільш важливим компонентом для літаків під час зльоту або посадки. Інший об’єкт перетягування, хвильовий опір (Dw) виникає з-за ударних хвиль при високих і надзвукових швидкостях механіка польоту. Дані вали викликають зміни в прикордонному шарі і розподіл тиску по поверхні тіла.
Історія
Ідея про те, що рухоме тіло, що проходить через повітря (формула щільності) або іншу рідину, зустрічає опір, була відома з часів Аристотеля. У статті Луї Чарльза Бреге, написаної в 1922 році, почалися зусилля по зниженню опору шляхом оптимізації. Автор продовжував втілювати свої ідеї в життя, створивши кілька рекордних літаків в 1920 і 1930 роках. Теорія прикордонного шару Людвіга Прандтля в 1920 році дала стимул мінімізувати тертя.
Ще один важливий заклик до впорядкування був зроблений сером Мелвіллом Джонсом, який представив теоретичні концепції, щоб переконливо продемонструвати важливість упорядкування в конструкції літака. В 1929 році його робота «Обтічний аероплан», представлена Королівському авіаційного суспільству, була плідною. Він запропонував ідеальний літак, який мав би мінімальний опір, що призвело б до концепції «чистого» моноплана і забирається ходової частини.
Одним з аспектів роботи Джонса, яка найбільше шокувала дизайнерів того часу, був його графік залежності потужності коні від швидкості для реальної та ідеальної площині. Якщо подивитися на точку даних для літака і екстраполювати її горизонтально до ідеальної кривої, можна побачити виграш незабаром для тієї ж потужності. Коли Джонс закінчив свою презентацію, один із слухачів назвав результати того рівня важливості, що і цикл Карно в термодинаміці.
Ліфт-індуковане опір
Відсіч, викликане підйомом, що виникає в результаті створення схилу на тривимірному тілі, такому як крило або фюзеляж літака. Індуковане гальмування складається в основному з двох компонентів:
- Перетягування через створення замикаючих вихорів.
- Наявність додаткового в’язкого опору, якого немає, коли підйом дорівнює нулю.
Задні вихори в поле потоку, присутні в результаті підйому тіла, відбуваються з-за турбулентного перемішування повітря зверху і знизу об’єкта, який тече в кілька різних напрямках в результаті створення підйомної сили.
При інших параметрах, які залишаються такими ж, як і підйом, створюваний тілом, збільшується опір, викликане схилом. Це означає, що з підвищенням кута атаки крила коефіцієнт підйому посилюється, як і відсіч. На початку звалювання схильна аеродинамічна сила різко зменшується, як і опір, викликане підйомом. Але дане значення збільшується через утворення турбулентного неприєднаного потоку слідом за тілом.
Паразитне перетягування
Це опір, викликане переміщенням твердого об’єкта через рідину. Паразитне перетягування складається з декількох компонентів, включаючи переміщення при в’язкому тиску і із-за шорсткості поверхні (тертям обшивки). Крім того, присутність кількох тіл у відносній близькості може викликати так зване интерференционное опір, яке іноді описується як компонент даного терміна.
В авіації індукований відсіч має тенденцію бути потужнішим на більш низьких швидкостях, тому що для підтримки підйомної сили потрібен великий кут атаки. Однак зі збільшенням швидкості він може бути зменшений, як і індуковане опір. Паразитний відсіч, проте, стає більше, тому що рідина тече швидше навколо виступаючих об’єктів, посилюючи тертя.
На більш високих швидкостях (трансзвукових) хвильовий опір виходить на новий рівень. Кожна з цих форм відсічі змінюється пропорційно іншим в залежності від швидкості. Таким чином, загальна крива опору показує мінімум при деякій повітряної стрімкості — літак буде мати оптимальну ефективність або наближатися до неї. Пілоти будуть використовувати цю швидкість, щоб максимізувати витривалість (мінімальний витрата палива) або дальність ковзання в разі відмови двигуна.
Крива потужності в авіації
Взаємодія паразитного та індукованого опору в залежності від повітряної швидкості можна представити у вигляді характеристичної лінії. В авіації це часто називають кривий потужністю. Вона важлива для пілотів, оскільки показує, що нижче певної повітряної швидкості і для її підтримки противоинтуитивно потрібно більше тяги при зменшенні інтенсивності, а не менше. Наслідки того, що людина знаходиться «за кулісами» в польоті, важливі і викладаються як частина навчання пілотів. На дозвукових повітряних швидкостях, де U-подібна форма цієї кривої значна, хвильовий опір ще не стало чинником. Саме тому воно не показується на кривій.
Гальмування в трансзвуковом і надзвуковому потоці
Хвильовий перетягуванням при стисненні — це перетягування, яке створюється, коли тіло рухається в нестисливої рідини і зі швидкостями, близькими до стрімкості звуку у воді. В аеродинаміці хвильовий опір складається з безлічі компонентів в залежності від режиму руху.
У трансзвуковой аеродинаміка польоту хвильовий опір є результатом утворення ударних валів в рідини, що утворюються при створенні локальних областей надзвукового потоку. На практиці такий рух виникає на тілах, що рухаються значно нижче стрімкості сигналу, оскільки локальна швидкість повітря збільшується. Тим не менш повний надзвуковий потік над транспортним засобом не буде розвиватися до тих пір, поки значення не пройде набагато далі. Літаки, що летять на навколозвуковою швидкістю, часто відчувають хвильовий стан при нормальному ході польоту. У трансзвуковом польоті таку відсіч зазвичай називається трансзвуковым опором стисливості. Він значно посилюється у міру збільшення швидкості польоту, домінуючи над іншими формами на цих швидкостях.
У надзвуковому польоті хвильовий опір є результатом ударних валів, присутніх в рідини і прикріплених до тіла, що утворюються на передній і задній його кромках. У надзвукових потоках або в корпусах з досить великими кутами повороту замість цього будуть утворюватися незакріплені ударні або зігнуті хвилі. Крім того, локальні області трансзвукового потоку можуть виникати при більш низьких надзвукових швидкостях. Іноді вони призводять до розвитку додаткових ударних валів, присутніх на поверхнях інших підйомних тіл, аналогічних тим, які виявляються в трансзвукових потоках. У потужних режимах течії хвильового опору зазвичай поділяються на дві складові:
- Надзвуковий підйом в залежності від значення.
- Обсяг, який також залежить від поняття.
Рішення замкнутої форми для мінімального хвильового опору тіла обертання з фіксованою довжиною було знайдено Сирсом і Хааком і відомо як “Розподіл Сірса-Хаака”. Точно так само для фіксованого обсягу форма для мінімального хвильового опору — “Von Karman Ogive”.
Біплан Буземана, в принципі, взагалі не піддається такій дії при роботі на проектній швидкості, але і не здатний генерувати підйомну силу.
Вироби
Аеродинамічна труба являє собою інструмент, використовуваний в дослідженнях для вивчення впливу повітря рухаються повз твердих предметів. Така конструкція складається з трубчастого проходу з досліджуваним об’єктом, встановленим посередині. Повітря переміщається повз предмета з допомогою потужної системи вентиляторів або інших засобів. Випробувальний об’єкт, який часто називають моделлю труби, оснащений відповідними датчиками для вимірювання повітряних сил, розподілу тиску чи інших аеродинамічних характеристик. Це необхідно також для того, щоб вчасно помітити і виправити проблему в системі.
Які бувають літальні апарати
Давайте звернемося до історії спочатку. Найбільш ранні аеродинамічні труби були винайдені в кінці XIX століття, в перші дні авіаційних досліджень. Саме тоді багато хто намагалися розробити успішні літальні апарати важчі за повітря. Аеродинамічна труба була задумана як засіб обігу звичайної парадигми. Замість того, щоб стояти на місці і рухати через нього об’єкт, той же ефект був би отриманий, якби предмет стояв нерухомо, а повітря рухався зі швидкістю вище. Таким чином стаціонарний спостерігач може вивчити літаюче виріб у дії і виміряти практичну аеродинаміку, що накладає на нього.
Розвиток труб супроводжувало розробку літака. Великі аеродинамічні вироби були побудовані під час Другої світової війни. Випробування в такій трубі вважалися стратегічно важливими під час розробки надзвукових літаків і ракет в роки холодної війни. На сьогоднішній день літальні апарати бувають якими завгодно. І практично всі найважливіші розробки вже впроваджені в повсякденне життя.
Пізніше дослідження аеродинамічної труби стало само собою зрозумілим. Вплив вітру на штучні споруди або об’єкти необхідно було вивчити, коли будівлі стали досить високими, щоб представити великі поверхні вітру, і виникають сили повинні були чинити опір внутрішніми елементами будівлі. Дефініція таких множин знадобилася до того, щоб будівельні норми могли визначити необхідну міцність споруд. І такі випробування продовжують використовуватися для великих або незвичайних будівель досі.
Ще пізніше перевірки були застосовані до аеродинамічному опору автомобілів. Але це було не для того, щоб визначити сили як такі, а для встановлення способів зниження потужності, необхідної для руху машини за дорожнім полотен із заданою швидкістю. У цих дослідженнях взаємодія між дорогою і транспортним засобом відіграє значну роль. Саме його необхідно враховувати при інтерпретації результатів випробувань.
В реальній ситуації проїжджа частина рухається відносно транспортного засобу, але повітря нерухомий по відношенню до траси. Але в аеродинамічній трубі повітря рухається відносно дороги. В той час як остання нерухома відносно транспортного засобу. Деякі перевірочні автомобільні аеродинамічні труби включають в себе рухомі ремені під випробувальним транспортним засобом. Це для того, щоб наблизитися до фактичного стану. Схожі пристрої використовуються в аеродинамічній трубі конфігурацій зльоту і посадки літаків.
Спорядження
Проби спортивного обладнання також були поширені багато років. Вони включали в себе ключки та м’ячі для гольфу, олімпійські бобслей і велосипедисти, а також шоломи гоночних автомобілів. Аеродинаміка останніх особливо важлива в транспорті з відкритою кабіною (Indycar, Formula One). Надмірне підйомне зусилля на шоломі може викликати значне навантаження на шию водія, а поділ потоку на задній стороні — турбулентний ущільнення і, як наслідок, погіршення зору на високих швидкостях.
Прогрес у моделюванні обчислювальної гідродинаміки (CFD) на високошвидкісних цифрових комп’ютерах знизив потреба у випробуваннях в аеродинамічній трубі. Однак результати CFD все ще не повністю надійні, даний інструмент використовується для перевірки прогнозів CFD.
