Aerodynamický odpor. Čelný odpor. Veterný tunel

Aerodynamický odpor je sila pôsobiaca opačne ako relatívna pohyb akéhokoľvek objektu. Môže existovať medzi dvoma vrstvami pevného povrchu. Na rozdiel od iných odporových súprav, ako je suché trenie, ktoré sú takmer nezávislé od rýchlosti, odporové sily dodržiavajú túto hodnotu. Napriek tomu, že konečnou príčinou účinku je viskózne trenie, turbulencia na ňom nezávisí. Odporová sila je úmerná rýchlosti laminárneho prúdenia.

Koncepcia

Aerodynamický odpor je sila, ktorá pôsobí na akúkoľvek pohybujúcu sa pevnú látku v smere prichádzajúcej prúdiacej kvapaliny. Z hľadiska aproximácie blízkeho poľa je odpor výsledkom síl spôsobených rozložením tlaku po povrchu objektu, symbolizovaným D. Vzhľadom na trenie kože, ktoré je výsledkom viskozity, sa označuje De. Alternatívne vzniká odporová sila vypočítaná z hľadiska prietokového poľa v dôsledku troch prírodných javov: rázových vĺn, vírovej vrstvy a viskozity. To všetko nájdete v tabuľke aerodynamických odporov.

Recenzia

Rozloženie tlaku pôsobiaceho na povrch tela má vplyv na veľké sily. Na druhej strane sa dajú zhrnúť. Zložky tejto hodnoty, ktoré pôsobia po prúde, tvoria odporovú silu, Drp, v dôsledku rozloženia tlaku, ktoré ovplyvňuje telo. Povaha týchto síl kombinuje účinky rázovej vlny, generovania vírivého systému a stopových mechanizmov.

Viskozita kvapaliny má významný vplyv na odpor. V neprítomnosti tejto zložky tlakové sily pôsobiace na spomalenie nadol vozidla, sú neutralizované výkonom, ktorý sa nachádza v zadnej časti a tlačí vozidlo dopredu. Toto sa nazýva rekuperácia tlaku, v dôsledku čoho je aerodynamický odpor nulový. To znamená, že práca, ktorú telo vykonáva na prúdení vzduchu, je reverzibilná a je obnovená, pretože neexistujú žiadne trecie účinky na premenu energie toku na teplo.

Rekuperácia tlaku funguje aj v prípade viskózneho pohybu. Táto hodnota však vedie k moci. Je to dominantná zložka odporu v prípade vozidiel s oblasťami rozdeleného prietoku, v ktorých sa obnovenie tlaku považuje za dosť neefektívne.

Trecia sila, ktorá je tangenciálnou silou na povrchu lietadla, závisí od konfigurácie medznej vrstvy a viskozity. Aerodynamický odpor, Df, sa vypočíta ako projekcia močiarnych sád po prúde, odhadnutá na povrch tela.

Súčet odporu trenia a tlaku sa nazýva viskózny odpor. Z termodynamického hľadiska sú účinky močiarov nezvratnými javmi, a preto vytvárajú entropiu. Vypočítaný viskózny odpor Dv využíva zmeny v tejto hodnote na presné predpovedanie sily odporu.

Tu je tiež potrebné uviesť vzorec hustoty vzduchu pre plyn: P * v=m / M * R * T.

Keď lietadlo vyrába výťah, existuje ďalšia zložka odmietnutia. Indukovaná rezistencia, Di. Vzniká v dôsledku zmeny rozloženia tlaku vírivého systému, ktorý sprevádza výrobu výťahu. Alternatívna perspektíva zdvíhania sa dosiahne zvážením zmeny hybnosti prúdenia vzduchu. Krídlo zachytáva vzduch a núti ho pohybovať sa nadol. To vedie k tomu, že na krídlo pôsobí rovnaká a opačná ťažná sila, čo je zdvíhacia sila.

Zmena hybnosti prúdenia vzduchu smerom nadol vedie k zníženiu inverznej hodnoty. Je to výsledok sily pôsobiacej dopredu na aplikované krídlo. Rovnaká, ale opačná hmotnosť pôsobí na zadnú časť, čo je indukovaný odpor. Býva najdôležitejšou súčasťou lietadla počas vzletu alebo pristátia. Ďalší objekt odporu, vlnový odpor (Dw) sa vyskytuje v dôsledku rázových vĺn pri transonických a nadzvukových rýchlostiach letového mechanika. Tieto hriadele spôsobujú zmeny v medznej vrstve a rozloženie tlaku na povrch tela.

História

Myšlienka, že pohybujúce sa teleso prechádzajúce vzduchom (vzorec hustoty) alebo iná kvapalina spĺňa odpor, je známa už od čias Aristotela. Článok Louisa Charlesa Bregueta, napísaný v roku 1922, začal úsilie o zníženie odporu optimalizáciou. Autor pokračoval v oživovaní svojich myšlienok a v rokoch 1920 a 1930 vytvoril niekoľko rekordných lietadiel. Ludwig Prandtlje teória hraničnej vrstvy v roku 1920 dal podnet na minimalizáciu trenia.

Ďalšou dôležitou výzvou na objednanie bol Sir Melville Jones, ktorý predstavil teoretické koncepty, aby presvedčivo demonštroval dôležitosť objednávania v konštrukcii lietadiel. V roku 1929 bolo jeho dielo "zjednodušené lietadlo" predstavené kráľovskej leteckej spoločnosti plodné. Navrhol ideálne lietadlo, ktoré by malo minimálny odpor, čo by viedlo ku koncepcii" čistého " jednoplošníka a výsuvného podvozku.

Jedným z aspektov Jonesovej práce, ktorý vtedajších dizajnérov najviac šokoval, bol jeho graf závislosti konskej sily od rýchlosti pre skutočnú a ideálnu rovinu. Ak sa pozriete na dátový bod lietadla a extrapolujete ho horizontálne na ideálnu krivku, čoskoro uvidíte zisk pre rovnaký výkon. Keď Jones dokončil svoju prezentáciu, jeden z poslucháčov pomenoval výsledky rovnakej úrovne dôležitosti ako Carnotov cyklus v termodynamike.

Odpor vyvolaný výťahom

K odrazu spôsobenému zdvíhaním dochádza v dôsledku vytvorenia svahu na trojrozmernom tele, ako je krídlo alebo trup lietadla. Indukované brzdenie pozostáva hlavne z dvoch zložiek:

• Ťahanie v dôsledku vytvorenia uzatváracích vírov.
• Prítomnosť dodatočného viskózneho odporu, ktorý nie je prítomný, keď je zdvih nulový.

Zadné víry v prietokovom poli prítomné v dôsledku zdvíhania tela sa vyskytujú v dôsledku turbulentného miešania vzduchu zhora a pod objektom, ktorý prúdi v niekoľkých rôznych smeroch v dôsledku vytvorenia zdvíhacej sily.

Pri ďalších parametroch, ktoré zostávajú rovnaké ako zdvih vytvorený telom, sa zvyšuje aj odpor spôsobený sklonom. To znamená, že so zväčšením uhla nábehu krídla sa zvyšuje koeficient zdvihu, rovnako ako odmietnutie. Na začiatku státia prudko klesá naklonená aerodynamická sila, rovnako ako odpor spôsobený zdvihom. Táto hodnota sa však zvyšuje v dôsledku tvorby turbulentného nevyrovnaného toku po tele.

Parazitické ťahanie

Toto je odpor spôsobený pohybom pevného predmetu cez kvapalinu. Parazitický odpor pozostáva z niekoľkých zložiek, vrátane pohybu pod viskóznym tlakom a v dôsledku drsnosti povrchu (trenie kože). Okrem toho prítomnosť niekoľkých telies v relatívnej blízkosti môže spôsobiť takzvanú odolnosť proti rušeniu, ktorá sa niekedy označuje ako súčasť tohto pojmu.

V letectve má indukovaná odpudivosť tendenciu byť silnejšia pri nižších rýchlostiach, pretože na udržanie vztlaku je potrebný veľký uhol nábehu. S rastúcou rýchlosťou sa však môže znížiť, ako aj indukovaný odpor. Parazitické odmietnutie sa však zväčšuje, pretože tekutina prúdi rýchlejšie okolo vyčnievajúcich predmetov, čím sa zvyšuje trenie.

Pri vyšších rýchlostiach (transonic) dosahuje vlnový odpor novú úroveň. Každá z týchto foriem odporu sa líši úmerne k ostatným v závislosti od rýchlosti. Všeobecná krivka odporu teda ukazuje minimum s určitou rýchlosťou vzduchu-lietadlo bude mať optimálnu účinnosť alebo sa k nemu priblíži. Piloti využijú túto rýchlosť na maximalizáciu výdrže (minimálna spotreba paliva) alebo dojazdu v prípade poruchy motora.

Výkonová krivka v letectve

Interakcia parazitického a indukovaného odporu v závislosti od rýchlosti letu môže byť reprezentovaná ako charakteristická čiara. V letectve sa to často nazýva výkonová krivka. Je to dôležité pre pilotov, pretože ukazuje, že pod určitou rýchlosťou letu a udržiavať ju neintuitívne vyžaduje väčší ťah so znížením impulzu, nie menej. Dôsledky toho, že osoba je" v zákulisí " počas letu, sú dôležité a vyučujú sa ako súčasť výcviku pilotov. Pri podzvukových rýchlostiach vzduchu, kde je tvar U tejto krivky významný, sa vlnový odpor ešte nestal faktorom. , preto to nie je zobrazené na krivke.

Brzdenie v transonickom a nadzvukovom toku

Vlnený odpor počas kompresie je odpor, ktorý sa vytvára, keď sa telo pohybuje v stlačiteľnej tekutine a rýchlosťou blízkou rýchlosti zvuku vo vode. V aerodynamike sa vlnový odpor skladá z mnohých komponentov v závislosti od jazdného režimu.

V transonickej letovej aerodynamike je vlnový odpor výsledkom tvorby nárazových hriadeľov v tekutine vytvorenej pri vytváraní miestnych oblastí nadzvukového toku. V praxi k takémuto pohybu dochádza na telesách pohybujúcich sa výrazne pod rýchlosťou signálu, pretože sa zvyšuje miestna rýchlosť vzduchu. Úplný nadzvukový tok nad vozidlom sa však nevyvinie, kým hodnota neprejde oveľa ďalej. Lietadlá lietajúce transonickou rýchlosťou často zažívajú vlnový stav počas normálneho priebehu letu. Pri transonickom lete sa takéto odmietnutie zvyčajne nazýva transonický odpor stlačiteľnosti. So zvyšujúcou sa rýchlosťou letu sa výrazne zvyšuje, pričom pri týchto rýchlostiach dominuje iným formám.

Pri nadzvukovom lete je vlnový odpor výsledkom nárazových hriadeľov prítomných v tekutine a pripevnených k telu, vytvorených na jeho prednom a zadnom okraji. V nadzvukových tokoch alebo v trupoch s dostatočne veľkými uhlami rotácie sa namiesto toho vytvoria voľné nárazy alebo zakrivené vlny. Okrem toho sa miestne oblasti transonického toku môžu vyskytovať pri nižších nadzvukových rýchlostiach. Niekedy vedú k vývoju ďalších nárazových hriadeľov prítomných na povrchoch iných zdvíhacích telies, podobných tým, ktoré sa nachádzajú v transonických tokoch. V režimoch s vysokým výkonom sú vlnové odporové prúdy zvyčajne rozdelené na dve zložky:

• Nadzvukový nárast v závislosti od hodnoty.
• Objem, ktorý závisí aj od konceptu.

Riešenie uzavretej formy pre minimálny vlnový odpor telesa rotácie s pevnou dĺžkou našli Sears a Haak a je známe ako "Distribúcia Sears-Haak". Podobne pre pevný objem je tvar minimálneho vlnového odporu — "Von Karman Ogive".

Buzemanov dvojplošník v zásade nepodlieha takémuto konaniu vôbec pri prevádzke pri konštrukčnej rýchlosti, ale tiež nie je schopný generovať výťah.

Tovar

Aerodynamický tunel je nástroj používaný vo výskume na štúdium účinku vzduchu pohybujúceho sa okolo pevných predmetov. Táto konštrukcia pozostáva z rúrkového priechodu so skúšobným objektom inštalovaným v strede. Vzduch sa pohybuje okolo objektu pomocou výkonného ventilátorového systému alebo iných prostriedkov. Testovacie zariadenie, často označované ako model potrubia, je vybavené vhodnými snímačmi na meranie vzdušných síl, rozloženia tlaku alebo iných aerodynamických charakteristík. Je to tiež potrebné na to, aby ste si včas všimli a vyriešili problém v systéme.

Aké sú typy lietadiel

Najprv sa obráťme na príbeh. Najstaršie veterné tunely boli vynájdené na konci XIX storočia, v prvých dňoch leteckého výskumu. Vtedy sa mnohí pokúsili vyvinúť úspešné lietadlá ťažšie ako vzduch. Aerodynamický tunel bol koncipovaný ako prostriedok na zvrátenie obvyklej paradigmy. Namiesto toho, aby stál na mieste a pohyboval sa objektom cez neho, by sa dosiahol rovnaký efekt, keby objekt stál na mieste a vzduch sa pohyboval rýchlosťou vyššou ako. Stacionárny pozorovateľ tak môže študovať lietajúci produkt v akcii a merať praktickú aerodynamiku, ktorá mu bola uložená.

Vývoj potrubia sprevádzal vývoj lietadla. Veľké aerodynamické výrobky boli postavené počas Druhej svetovej vojny. Testovanie v takejto trubici bolo považované za strategicky dôležité počas vývoja nadzvukových lietadiel a rakiet počas Studenej Vojny. K dnešnému dňu môže byť lietadlo čokoľvek. A takmer všetok najdôležitejší vývoj už bol implementovaný v každodennom živote.

Neskôr sa štúdium aerodynamického tunela stalo samozrejmosťou. Vplyv vetra na umelé stavby alebo predmety sa musel študovať, keď boli budovy dostatočne vysoké na to, aby vetru predstavovali veľké plochy, a výsledným silám museli odolávať vnútorné prvky budovy. Definícia takýchto súprav bola potrebná skôr, ako stavebné predpisy mohli určiť požadovanú pevnosť konštrukcií. A takéto testy sa doteraz používajú pre veľké alebo neobvyklé budovy.

Ešte neskôr boli vykonané kontroly aerodynamického odporu automobilov. Ale to nebolo s cieľom určiť sily ako také, ale vytvoriť spôsoby, ako znížiť moc, potrebné na pohybujte autom po vozovke danou rýchlosťou. V týchto štúdiách zohráva významnú úlohu interakcia medzi cestou a vozidlom. Je potrebné to vziať do úvahy pri interpretácii výsledkov testov.

V skutočnej situácii sa vozovka pohybuje vzhľadom na vozidlo, ale vzduch stojí vzhľadom na diaľnicu. Ale vo veternom tuneli sa vzduch pohybuje vzhľadom na cestu. Zatiaľ čo druhý je vo vzťahu k vozidlu nehybný. Niektoré testovacie automobilové aerodynamické tunely zahŕňajú pohyblivé pásy pod testovacím vozidlom. Je to preto, aby sme sa priblížili skutočnému stavu. Podobné zariadenia sa používajú v konfiguráciách aerodynamického tunela pri vzlete a pristátí lietadla.

Zariadenia

Vzorky športového vybavenia sú tiež bežné už mnoho rokov. Zahŕňali golfové palice a lopty, Olympijské Boby a cyklistov a prilby závodných automobilov. Aerodynamika týchto vozidiel je obzvlášť dôležitá vo vozidlách s otvorenou kabínou (Indycar, Formula One). Nadmerná zdvíhacia sila na prilbu môže spôsobiť značné zaťaženie krku vodiča a oddelenie toku na zadnej strane je turbulentné tesnenie a v dôsledku toho zhoršenie zraku pri vysokých rýchlostiach.

Pokroky v modelovaní výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) na vysokorýchlostných digitálnych počítačoch znížili potrebu testovania v aerodynamickom tuneli. Výsledky CFD však stále nie sú úplne spoľahlivé, tento nástroj sa používa skontrolovať CFD prognózy.