Aerodynamiskt motstånd är en kraft som verkar motsatt den relativa rörelsen hos ett objekt. Det kan finnas mellan två lager av fast yta. Till skillnad från andra resistiva uppsättningar, såsom torrfriktion, som är nästan oberoende av hastighet, följer dragkrafterna ett givet värde. Även om den yttersta orsaken till åtgärden är viskös friktion, är turbulensen oberoende av den. Dragkraften är proportionell mot den laminära flödeshastigheten.
Koncept
Aerodynamiskt motstånd är den kraft som verkar på varje rörlig fast kropp i riktning mot den mötande vätskan. När det gäller närfältsapproximationen är motståndet resultatet av krafter på grund av tryckfördelningen över föremålets yta, symboliserad med D. På grund av hudfriktion, som är resultatet av viskositet, betecknas De. Alternativt, beräknat ur flödesfältets synvinkel, kraftenmotstånd uppstår som ett resultat av tre naturfenomen: stötvågor, virvelskikt och viskositet. Allt detta kan hittas i tabellen över aerodynamiskt motstånd.
Översikt
Fördelningen av tryck som verkar på en kropps yta påverkar stora krafter. De kan i sin tur sammanfattas. Nedströmskomponenterna av detta värde utgör dragkraften, Drp, på grund av tryckfördelningen som påverkar kroppen. Dessa krafters natur kombinerar stötvågseffekter, generering av virvelsystem och väckningsmekanismer.
Viskositeten hos en vätska har en betydande effekt på motståndet. I avsaknad av denna komponent neutraliseras de tryckkrafter som verkar för att bromsa fordonet av kraften som finns i den bakre delen och skjuter fordonet framåt. Detta kallas repressurization, vilket resulterar i noll aerodynamiskt motstånd. Det vill säga det arbete som kroppen gör på luftflödet är reversibelt och återhämtningsbart eftersom det inte finns några friktionseffekter för att omvandla flödets energi till värme.
Trycksåtervinning fungerar även vid trögflytande rörelser. Detta värde resulterar dock i kraft. Det är den dominerande komponenten av luftmotstånd i fallet med fordon med delat flödesområden där lyfthöjden anses vara ganska ineffektiv.
Friktionskraften, som är den tangentiella kraften på ytanflygplan, beror på konfigurationen av gränsskiktet och viskositeten. Aerodynamiskt motstånd, Df, beräknas som projektionen nedströms av myruppsättningar beräknad från kroppsytan.
Summan av friktion och tryckmotstånd kallas viskös motstånd. Ur ett termodynamiskt perspektiv är gräveffekter oåterkalleliga fenomen och skapar därför entropi. Det beräknade viskösa motståndet Dv använder ändringar i detta värde för att exakt förutsäga returkraften.
Här är det också nödvändigt att ge formeln för luftdensitet för gas: РV=m/MRT.
När ett flygplan producerar lyft, finns det en annan komponent av pushback. Inducerat motstånd, Di. Det härrör från förändringen i tryckfördelningen av virvelsystemet som följer med tillverkningen av hissen. Ett alternativt lyftperspektiv uppnås genom att beakta förändringen i luftflödets momentum. Vingen fångar upp luften och tvingar den att röra sig nedåt. Detta resulterar i en lika och motsatt dragkraft som verkar på vingen, vilket är lyft.
Ändring av luftflödets momentum nedåt leder till en minskning av det omvända värdet. Att det är resultatet av kraften som verkar framåt på den applicerade vingen. En lika men motsatt massa verkar på baksidan, vilket är det inducerade motståndet. Det brukar vara den viktigaste komponenten för flygplan under start eller landning. Ett annat dragobjekt, vågmotstånd (Dw) beror på stötvågorvid flygmekanikens transoniska och överljudshastigheter. Dessa rullar orsakar förändringar i gränsskiktet och tryckfördelning över kroppens yta.
Historia
Tanken att en rörlig kropp som passerar genom luft (densitetsformel) eller annan vätska möter motstånd har varit känd sedan Aristoteles tid. En artikel av Louis Charles Breguet skriven 1922 inledde ett försök att minska motståndet genom optimering. Författaren fortsatte att föra sina idéer till liv och skapade flera rekordartade flygplan på 1920- och 1930-talen. Ludwig Prandtls teori om gränsskikt 1920 gav ett incitament att minimera friktionen.
En annan viktig uppmaning till sekvensering gjordes av Sir Melville Jones, som introducerade teoretiska koncept för att på ett övertygande sätt visa vikten av sekvensering i flygplansdesign. 1929 var hans verk The Streamlined Airplane som presenterades för Royal Aeronautical Society framstående. Han föreslog ett idealiskt flygplan som skulle ha minim alt motstånd, vilket ledde till konceptet med ett "rent" monoplan och infällbart underrede.
En av aspekterna av Jones arbete som mest chockade dåtidens designers var hans intrig av hästkraft kontra hastighet för ett verkligt och idealiskt plan. Om du tittar på datapunkten för ett flygplan och extrapolerar den horisontellt till en perfekt kurva, kan du snart se utdelningen för samma effekt. När Jones hade avslutat sin presentation, en av lyssnarnanivå av betydelse som Carnot-cykeln i termodynamik.
Lyftinducerat motstånd
Det lyftinducerade glappet är ett resultat av skapandet av en sluttning på en tredimensionell kropp som en flygplansvinge eller flygkropp. Inducerad bromsning består huvudsakligen av två komponenter:
- Drag på grund av att avslutande virvlar skapas.
- Har ytterligare trögflytande motstånd som inte finns där när lyftet är noll.
De bakre virvlarna i flödesfältet som finns som ett resultat av lyftet av kroppen beror på den turbulenta blandningen av luft över och under föremålet, som strömmar i flera olika riktningar som ett resultat av skapande av lyft.
Med andra parametrar som förblir desamma som lyftet som skapas av kroppen, ökar också motståndet som orsakas av lutningen. Detta innebär att när vingens attackvinkel ökar, ökar lyftkoefficienten, liksom returen. I början av ett stall minskar den benägna aerodynamiska kraften dramatiskt, liksom det lyftinducerade motståndet. Men detta värde ökar på grund av bildandet av ett turbulent fritt flöde efter kroppen.
Fantastiskt drag
Detta är motståndet som orsakas av att ett fast föremål förflyttas genom en vätska. Parasitmotstånd har flera komponenter, inklusive rörelse på grund av trögflytande tryck och på grund av ytjämnhet (hudfriktion). Dessutom kan närvaron av flera kroppar i relativ närhet orsaka s.kinterferensmotstånd, som ibland beskrivs som en del av termen.
Inom flyget tenderar inducerad backlash att vara starkare vid lägre hastigheter eftersom en hög attackvinkel krävs för att upprätthålla lyftet. Men när hastigheten ökar kan den minskas, liksom det inducerade motståndet. Parasitmotståndet blir dock större eftersom vätskan strömmar snabbare runt utskjutande föremål, vilket ökar friktionen.
Vid högre hastigheter (transonic) når vågmotståndet en ny nivå. Var och en av dessa former av avstötning varierar proportionellt med de andra beroende på hastigheten. Så den övergripande luftmotståndskurvan visar ett minimum vid viss flyghastighet - flygplanet kommer att ha eller nära optimal effektivitet. Piloter kommer att använda denna hastighet för att maximera uthållighet (minsta bränsleförbrukning) eller glidsträcka i händelse av ett motorfel.
Aviation Power Curve
Samspelet mellan parasit och inducerat luftmotstånd som en funktion av flyghastighet kan representeras som en karakteristisk linje. Inom flyget kallas detta ofta för effektkurvan. Det är viktigt för piloter eftersom det visar att under en viss flyghastighet, och kontraintuitivt, krävs mer dragkraft för att bibehålla den när flyghastigheten minskar, inte mindre. Implikationerna av att vara "bakom kulisserna" under flygning är viktiga och lärs ut som en del av pilotutbildningen. På subsonicflyghastigheter där U-formen på denna kurva är signifikant, har vågmotståndet ännu inte blivit en faktor. Det är därför det inte visas på kurvan.
Bromsar in transoniskt och överljudsflöde
Kompressivt vågmotstånd är det motstånd som skapas när en kropp rör sig genom en komprimerbar vätska och med hastigheter nära ljudets hastighet i vatten. Inom aerodynamik har vågmotstånd många komponenter beroende på körläget.
Inom transonisk flygaerodynamik är vågmotstånd resultatet av bildandet av stötvågor i vätskan, som bildas när lokala områden av överljudsflöde skapas. I praktiken uppstår en sådan rörelse på kroppar som rör sig långt under signalens hastighet, eftersom luftens lokala hastighet ökar. Fullt överljudsflöde över fordonet kommer dock inte att utvecklas förrän värdet har gått mycket längre. Flygplan som flyger med transoniska hastigheter upplever ofta vågförhållanden under den normala flygningen. Vid transonisk flygning kallas denna repulsion vanligtvis som transonisk kompressibilitetsmotstånd. Den intensifieras avsevärt när flyghastigheten ökar, och dominerar andra former vid dessa hastigheter.
I överljudsflygning är vågmotstånd resultatet av chockvågor som finns i vätskan och som är fästa vid kroppen och bildas vid kroppens främre och bakre kanter. I överljudsflöden, eller i skrov med tillräckligt stora rotationsvinklar, blir det iställetlösa stötar eller böjda vågor bildas. Dessutom kan lokala områden av transoniskt flöde förekomma vid lägre överljudshastigheter. Ibland leder de till utvecklingen av ytterligare stötvågor som finns på ytorna av andra lyftkroppar, liknande de som finns i transoniska flöden. I kraftfulla flödesregimer är vågmotstånd vanligtvis uppdelat i två komponenter:
- Supersoniskt lyft beroende på värde.
- Volym, som också beror på konceptet.
Lösningen i sluten form för minsta vågmotstånd för en rotationskropp med en fast längd hittades av Sears och Haack och är känd som "Seers-Haack Distribution". På liknande sätt, för en fast volym, är formen för det minsta vågmotståndet "Von Karman Ogive".
Busemanns biplan är i princip inte föremål för sådan åtgärd alls när den körs med designhastighet, men är inte heller kapabel att generera lyft.
Products
En vindtunnel är ett verktyg som används i forskning för att studera effekten av luft som rör sig förbi fasta föremål. Denna design består av en rörformad passage med föremålet som testas placerat i mitten. Luft förs förbi föremålet med ett kraftfullt fläktsystem eller på annat sätt. Testobjektet, ofta kallat en rörmodell, är utrustat med lämpliga sensorer för att mäta luftkrafter, tryckfördelning eller annataerodynamiska egenskaper. Detta är också nödvändigt för att upptäcka och rätta till problemet i systemet i tid.
Vilka flygplanstyper
Låt oss titta på historien först. De tidigaste vindtunnlarna uppfanns i slutet av 1800-talet, i flygforskningens tidiga dagar. Det var då många försökte utveckla framgångsrika flygplan som är tyngre än luften. Vindtunneln var tänkt som ett sätt att vända på det konventionella paradigmet. Istället för att stå stilla och flytta ett föremål genom det, skulle samma effekt erhållas om föremålet stod stilla och luften rörde sig med högre hastighet. På så sätt kan en stationär observatör studera den flygande produkten i aktion och mäta den praktiska aerodynamiken som åläggs den.
Utvecklingen av rör följde med utvecklingen av flygplanet. Stora aerodynamiska föremål byggdes under andra världskriget. Att testa i ett sådant rör ansågs vara strategiskt viktigt under utvecklingen av överljudsflygplan och missiler under det kalla kriget. Idag är flygplan vad som helst. Och nästan alla de viktigaste utvecklingarna har redan introducerats i vardagen.
Senare vindtunnelforskning blev en självklarhet. Vindens inverkan på konstgjorda strukturer eller föremål måste studeras när byggnader blev tillräckligt höga för att uppvisa stora ytor för vinden, och de resulterande krafterna måste motstås av byggnadens inre delar. Definitionen av sådana uppsättningar krävdes innan byggnormer kundebestämma den erforderliga styrkan hos strukturer. Och sådana tester fortsätter att användas för stora eller ovanliga byggnader än i dag.
Även senare tillämpades kontroller på bilarnas aerodynamiska motstånd. Men detta var inte för att bestämma krafterna som sådana, utan för att etablera sätt att minska kraften som krävs för att flytta bilen längs vägbäddarna med en given hastighet. I dessa studier spelar samspelet mellan väg och fordon en betydande roll. Det är han som måste beaktas vid tolkning av provresultat.
I en verklig situation rör sig vägbanan i förhållande till fordonet, men luften är fortfarande i förhållande till vägen. Men i en vindtunnel rör sig luften i förhållande till vägen. Medan den senare står stilla i förhållande till fordonet. Vissa vindtunnlar för testfordon inkluderar rörliga bälten under testfordonet. Detta för att komma närmare det faktiska tillståndet. Liknande enheter används i start- och landningskonfigurationer för vindtunnlar.
Utrustning
Prover på sportutrustning har också varit vanliga i många år. De inkluderade golfklubbor och bollar, olympiska bob och cyklister, och racerbilshjälmar. Aerodynamiken hos den senare är särskilt viktig i fordon med öppen hytt (Indycar, Formel 1). Överdriven lyftkraft på hjälmen kan orsaka betydande stresspå förarens hals, och flödesseparationen på baksidan är en turbulent tätning och som ett resultat försämrad syn vid höga hastigheter.
Framsteg i simuleringar av beräkningsvätskedynamik (CFD) på digitala höghastighetsdatorer har minskat behovet av vindtunneltestning. Men CFD-resultaten är fortfarande inte helt tillförlitliga, det här verktyget används för att verifiera CFD-förutsägelser.
