Aerodinamični upor. Čelni odpor. Aerodinamična cev

Aerodinamični upor je sila, ki deluje v nasprotju z relativnim gibanje katerega koli predmeta. Lahko je med dvema plastema trdne površine. Za razliko od drugih upornih sklopov, kot je suho trenje, ki je skoraj neodvisno od hitrosti, je sila upora podvržena dani vrednosti. Čeprav je končni vzrok delovanja viskozno trenje, je turbulenca od njega neodvisna. sila upora je sorazmerna s hitrostjo laminarnega toka.

Koncept

Aerodinamični upor je sila, ki deluje na katero koli premikajoče se trdno telo v smeri tekočega medija prihajajočega toka. Pri pristopu bližnjega polja je upor posledica sil, ki so posledica porazdelitve tlaka po površini predmeta, kar simbolizira D. kožno trenje, ki je posledica viskoznosti, je označeno z De. Druga možnost je, da je sila upora, izračunana glede na tokovno polje, posledica treh naravnih pojavov: udarnih valov, vrtinčne plasti in viskoznosti. Vse te možnosti so na voljo v tabeli z vlečenjem.

Pregled

Porazdelitev tlaka, ki deluje na površino telesa, vpliva na velike sile. Te pa lahko povzamemo. Komponente te vrednosti, ki delujejo v smeri toka, predstavljajo silo upora Drp, ki je posledica porazdelitve tlaka, ki vpliva na telo. Narava teh sil združuje učinke udarnega vala, ustvarjanja vrtincev in mehanizmov sledenja.

Viskoznost tekočine pomembno vpliva na upor. V odsotnosti določeno komponento tlačne sile, ki deluje na upočasnitev vozilo, nevtralizira pogonska krma, ki potiska vozilo naprej. To se imenuje povrnitev tlaka, zato je aerodinamični upor enak nič. To pomeni, da je delo, ki ga telo opravi s tokom zraka, povratno in ga je mogoče povrniti, saj ni učinkov trenja, ki bi energijo toka pretvorili v toploto.

Obnovitev tlaka velja tudi v primeru viskoznega toka. Ta vrednost pa povzroči, da je moč. Je prevladujoča komponenta upora pri vozilih z razdeljenimi območji toka, pri katerih se okrevanje glave šteje za precej neučinkovito.

Sila trenja, ki je tangencialna sila na površini zrakoplova, je odvisna od konfiguracije mejne plasti in viskoznosti. Aerodinamični upor, Df, se izračuna kot projekcija tornih sklopov navzdol, ocenjena s površine telesa.

Vsota trenja in tlačne odbojnosti se imenuje viskozni upor. S termodinamičnega vidika so učinki tišine nepovratni pojavi in zato ustvarjajo entropijo. Izračunani viskozni upor Dv uporablja spremembe te vrednosti za natančno napovedovanje sile povratne vode.

Tudi tu je treba navesti formulo za gostoto zraka za plin: P*V=m/M * R*T.

Ko zrakoplov ustvarja vzgon, je v ozadju še ena komponenta. Inducirani upor, Di. Nastane zaradi spremembe porazdelitve tlaka v sistemu vrtincev, ki spremlja proizvodnjo vzgona. Alternativni pogled na vzgon je dosežen z upoštevanjem spremembe gibalne sile zračnega toka. Krilo zajame zrak in ga potisne navzdol. Posledica tega je enaka in nasprotna sila upora, ki deluje na krilo, kar je dvižna sila.

Sprememba navzdol v gibanju zraka povzroči zmanjšanje inverznega. To je posledica sile, ki deluje naprej na uporabljeno krilo. Enako, a nasprotno maso ima tudi zadnja stran, kar je inducirani zračni upor. Je najpomembnejši sestavni del zrakoplova med vzletanjem in pristajanjem. Drugi objekt upora, valovni upor (Dw), nastane zaradi udarnih valov pri podzvočnih in nadzvočnih hitrostih mehanika letenja. Ti jaški povzročajo spremembe v mejni plasti in porazdelitvi tlaka na površini telesa.

Zgodovina

Ideja, da gibajoče se telo, ki prehaja skozi zrak (formula gostote) ali drugo tekočino, naleti na upor, je znana že od Aristotela dalje. Članek Louisa Charlesa Bregueta iz leta 1922 je začel prizadevanja za zmanjšanje zračnega upora z optimizacijo. Avtor je svoje zamisli uresničil in v letih 1920 in 1930 izdelal več rekordnih letal. Ludwig Prandtl je leta 1920 s teorijo mejne plasti spodbudil zmanjšanje trenja.

Drug pomemben poziv k upoštevanju vrstnega reda je podal sir Melville Jones, ki je predstavil teoretične koncepte, s katerimi je prepričljivo dokazal pomen vrstnega reda pri načrtovanju letal. Leta 1929 je njegov članek "The Streamlined Aeroplane", ki ga je predstavil Kraljevi letalski družbi, obrodil sadove. Predlagal je idealno letalo, ki bi imelo minimalen zračni upor, kar je privedlo do koncepta "čistega" enoseda in vlekljivega podvozja.

Eden od vidikov Jonesovega dela, ki je takrat najbolj šokiral oblikovalce, je bil njegov graf razmerja med konjsko močjo in hitrostjo za realno in idealno letalo. Če pogledate podatkovno točko za letalo in jo vodoravno ekstrapolirate na idealno krivuljo, lahko vidite povečanje hitrosti pri enaki moči. Ko je Jones končal predstavitev, je eden od poslušalcev rezultate označil za enako pomembne kot Carnotov cikel v termodinamiki.

Vlak, ki ga povzroča dviganje

Zračni upor, ki ga povzroča dviganje, nastane pri ustvarjanju naklona na tridimenzionalnem telesu, kot sta krilo ali trup letala. Inducirani zračni upor sestavljata predvsem dve komponenti:

• Vleka zaradi ustvarjanja vlečnih vrtincev.
• prisotnost dodatnega viskoznega upora, ki ne obstaja, kadar je vzgon enak nič.

Povratni vrtinci v pretočnem polju, ki so posledica vzgona telesa, nastanejo zaradi turbulentnega mešanja zraka nad in pod predmetom, ki se zaradi vzgona pretaka v več različnih smereh.

Pri drugih parametrih, ki ostanejo enaki vzgonu, ki ga ustvari telo, se poveča tudi upor, ki ga povzroči naklon. To pomeni, da se s povečevanjem kota napada krila povečuje koeficient vzgona in s tem tudi povratni udarec. Na začetku zaviranja se nagnjena aerodinamična sila močno zmanjša, prav tako pa se zmanjša tudi upor, ki ga povzroča vzgon. Vendar se ta poveča zaradi nastanka turbulentnega nepovezanega toka, ki sledi telesu.

Parazitski upor

To je upor, ki ga povzroči gibanje trdnega predmeta skozi tekočino. Parazitni upor ima več komponent, vključno z uporom zaradi viskoznega tlaka in zaradi hrapavosti površine (kožno trenje). Tudi prisotnost več teles v relativni bližini lahko povzroči tako imenovani interferenčni upor, ki se včasih opisuje kot sestavni del tega izraza.

V letalstvu je inducirani zračni upor pri nižjih hitrostih močnejši, saj je za vzdrževanje vzgona potreben velik kot napada. Vendar se lahko s povečevanjem hitrosti zmanjša, prav tako kot inducirana upornost. Parazitni odboj pa je večji, ker tekočina teče hitreje okoli štrlečih predmetov, kar poveča trenje.

Pri višjih hitrostih (transoničnih) doseže valovni upor novo raven. Vsaka od teh oblik upora se spreminja sorazmerno z drugimi, odvisno od hitrosti. Tako splošna krivulja upora pokaže minimum pri določeni hitrosti - letalo bo imelo optimalno učinkovitost ali se ji bo približalo. Piloti uporabljajo to hitrost za povečanje vzdržljivosti (najmanjša poraba goriva) ali dosega letenja v primeru okvare motorja.

Krivulja moči v letalstvu

Vzajemno delovanje parazitnega in induciranega zračnega upora v odvisnosti od hitrosti lahko predstavimo z značilno črto. V letalstvu jo pogosto imenujemo krivulja moči. Za pilote je pomemben, ker kaže, da je pod določeno hitrostjo in za njeno vzdrževanje protiintuitivno potreben večji potisk z vse manjšim zamahom in ne manjši. Pomembne so posledice, ki jih ima "zakulisje" med letenjem, in se poučujejo kot del usposabljanja pilotov. Pri podzvočnih hitrostih, kjer je U-oblika te krivulje pomembna, valovni upor še ni dejavnik. Zato ni prikazana na krivulji.

Upočasnitev v transoničnem in nadzvočnem toku

Kompresijski upor je upor, ki nastane pri gibanju telesa v stisljivi tekočini in pri hitrostih, ki so blizu hitrosti zvoka v vodi. V aerodinamiki ima valovni upor več sestavin, ki so odvisne od načina gibanja.

V aerodinamiki nadzvočnega letenja je valovni upor posledica nastanka udarnih valov v tekočini, ki nastanejo zaradi ustvarjanja lokalnih območij nadzvočnega toka. V praksi se to gibanje pojavi na telesih, ki se gibljejo veliko počasneje od hitrosti signala, saj se lokalna hitrost zraka poveča. Vendar se celoten nadzvočni tok nad vozilom razvije šele v precej večji oddaljenosti. Letala, ki letijo pri nadzvočnih hitrostih, med običajnim letom pogosto doživijo valovanje. Pri ultrazvočnem letu se ta odboj običajno imenuje odpor proti ultrazvočni stisljivosti. Z večanjem hitrosti se močno okrepi in pri teh hitrostih prevlada nad drugimi oblikami.

Pri nadzvočnem letu je valovni upor posledica udarnih valov, ki so prisotni v tekočini in pritrjeni na telo ter se oblikujejo na sprednjem in zadnjem robu telesa. Pri nadzvočnih tokovih ali pri telesih z dovolj velikimi koti vrtenja namesto tega nastanejo neomejeni udarni ali upognjeni valovi. Poleg tega se lahko pri nižjih nadzvočnih hitrostih pojavijo lokalna območja transoničnega toka. Včasih povzročijo razvoj dodatnih udarnih valov, ki so prisotni na površinah drugih dvignjenih teles, podobno kot pri transoničnih tokovih. Pri močnih načinih toka je valovni upor običajno razdeljen na dve komponenti:

• Nadzvočni vzgon, odvisno od vrednosti.
• Obseg, ki je prav tako odvisen od koncepta.

Rešitev v zaprti obliki za najmanjši valovni upor vrtečega se telesa fiksne dolžine sta našla Sears in Haack in je znana kot "Sears-Haakova porazdelitev". Podobno je za fiksno prostornino oblika za najmanjši valovni upor "Von Karmanova oglišča".

Za dvosedežnik Buzeman ta ukrep načeloma sploh ne velja pri delovanju Pri načrtovani hitrosti, vendar tudi ne more ustvariti vzgona.

Izdelki

Aerodinamična cev je orodje, ki se uporablja v raziskavah za preučevanje učinkov gibanja zraka mimo trdnih predmetov. Takšna zasnova je sestavljena iz cevastega prehoda s preskusnim predmetom, nameščenim na sredini. Zrak se premika mimo predmeta s pomočjo močnega ventilatorja ali drugih sredstev. Testni objekt, ki se pogosto imenuje model cevi, je opremljen z ustreznimi senzorji za merjenje zračnih sil, porazdelitve tlaka ali drugih aerodinamičnih lastnosti. S tem lahko pravočasno odkrijete in odpravite težave v sistemu.

Kakšne vrste letečih strojev obstajajo?

Najprej se ozrimo v zgodovino. Prvi vetrovniki so bili izumljeni konec 19. stoletja, na začetku raziskav v letalstvu. Takrat je veliko ljudi poskušalo razviti uspešne leteče stroje, težje od zraka. Vetrni predor je bil zasnovan kot sredstvo za spremembo običajne paradigme. Namesto da bi predmet stal pri miru in se gibal po zraku, bi enak učinek dosegli, če bi predmet stal pri miru, zrak pa bi se gibal z večjo hitrostjo. Na ta način lahko mirujoči opazovalec preučuje leteči izdelek med delovanjem in meri praktično aerodinamiko, ki deluje na izdelek.

Razvoj vetrovnikov je spremljal razvoj letal. Med drugo svetovno vojno so bili izdelani veliki aerodinamični izdelki. Testiranje v takšni cevi je med razvojem nadzvočnih letal in raket med hladno vojno veljalo za strateško. Danes so leteči stroji na voljo v najrazličnejših oblikah. Skoraj vsi najpomembnejši dosežki so že uvedeni v vsakdanje življenje.

Pozneje je študij vetrovnikov postal samoumeven. Učinke vetra na umetne strukture ali predmete je bilo treba preučiti, ko so stavbe postale dovolj visoke, da so vetru izpostavljene velike površine, in ko so se morali notranji elementi stavbe upirati nastajajočim silam. Opredelitev takšnih sklopov je bila potrebna, preden so lahko gradbeni predpisi določili zahtevano trdnost konstrukcij. Takšni testi se še danes uporabljajo za velike ali nenavadne stavbe.

Še pozneje so preverjanja uporabili za aerodinamični upor avtomobilov. Vendar to ni bilo namenjeno določanju sil kot takih, temveč ugotavljanju načini upočasnitve moč, potrebno za vozila, ki se premika po cesti z določeno hitrostjo. V teh študijah ima interakcija med cesto in vozilom pomembno vlogo. To je tisto, kar je treba upoštevati pri razlagi rezultatov testa.

V resničnem primeru se vozišče premika glede na vozilo, zrak pa glede na tirnico miruje. V vetrovniku pa se zrak premika glede na cesto. medtem ko je slednji glede na vozilo nepremičen. Nekatera preverjanja v avtomobilskem vetrovniku vključujejo premikanje trakov pod preskusnim vozilom. To je približek dejanskemu stanju. Podobne naprave se uporabljajo v vetrovniku za konfiguracije vzletanja in pristajanja letal.

Okovje

Vzorci športne opreme so prav tako že vrsto let običajni. Med njimi so bile palice in žogice za golf, olimpijski bobisti in kolesarji ter dirkalne čelade. Aerodinamika slednjih je še posebej pomembna pri vozilih z odprto kabino (Indycar, Formula 1). Prevelik dvig na čeladi lahko močno obremeni vrat voznika, medtem ko ločitev toka na zadnjem delu povzroča turbulentno tesnjenje in posledično slabši vid pri visokih hitrostih.

Napredek pri modeliranju računske dinamike tekočin (CFD) na hitrih digitalnih računalnikih je zmanjšal potrebo po testiranju v vetrovniku. Vendar rezultati CFD še vedno niso povsem zanesljivi in orodje se še vedno uporablja testirati Napovedi CFD.