Aerodynamisk luftmotstand er en kraft som virker motsatt av den relative bevegelsen til et objekt. Det kan eksistere mellom to lag med fast overflate. I motsetning til andre resistive sett, som tørr friksjon, som er nesten uavhengig av hastighet, følger dragkreftene en gitt verdi. Selv om den endelige årsaken til handlingen er viskøs friksjon, er turbulens uavhengig av den. Drakraften er proporsjonal med den laminære strømningshastigheten.
konsept
Aerodynamisk luftmotstand er kraften som virker på ethvert bevegelig fast legeme i retning av den motgående væsken. Når det gjelder nærfelttilnærmingen, er drag et resultat av krefter på grunn av fordelingen av trykk over overflaten av objektet, symbolisert med D. På grunn av hudfriksjon, som er et resultat av viskositet, betegnes De. Alternativt, beregnet fra strømningsfeltets synspunkt, kraftenmotstand oppstår som et resultat av tre naturfenomener: sjokkbølger, virvellag og viskositet. Alt dette finner du i tabellen over aerodynamisk luftmotstand.
Oversikt
Fordelingen av trykk som virker på overflaten av en kropp påvirker store krefter. De kan på sin side oppsummeres. Nedstrømskomponentene til denne verdien utgjør dragkraften, Drp, på grunn av fordelingen av trykk som påvirker kroppen. Naturen til disse kreftene kombinerer sjokkbølgeeffekter, generering av virvelsystem og vekkemekanismer.
Viskositeten til en væske har en betydelig effekt på luftmotstand. I fravær av denne komponenten nøytraliseres trykkkreftene som virker for å bremse kjøretøyet av kraften som er i den aktre delen og skyver kjøretøyet fremover. Dette kalles repressurization, noe som resulterer i null aerodynamisk luftmotstand. Det vil si at arbeidet som kroppen gjør på luftstrømmen er reversibelt og utvinnbart ettersom det ikke er friksjonseffekter for å omdanne energien til strømmen til varme.
Trykkgjenvinning fungerer selv ved viskøse bevegelser. Denne verdien resulterer imidlertid i kraft. Det er den dominerende komponenten av luftmotstand når det gjelder kjøretøyer med delte strømningsområder der gjenvinning av hodet anses å være ganske ineffektivt.
Friksjonskraften, som er den tangentielle kraften på overflatenfly, avhenger av konfigurasjonen av grenselaget og viskositeten. Aerodynamisk luftmotstand, Df, beregnes som nedstrøms projeksjon av myrsett estimert fra kroppsoverflaten.
Summen av friksjon og trykkmotstand kalles viskøs motstand. Fra et termodynamisk perspektiv er hengemyreffekter irreversible fenomener, og derfor skaper de entropi. Den beregnede viskøse motstanden Dv bruker endringer i denne verdien for nøyaktig å forutsi returkraften.
Her er det også nødvendig å gi formelen for lufttetthet for gass: РV=m/MRT.
Når et fly produserer løft, er det en annen del av pushback. Indusert motstand, Di. Det oppstår fra endringen i trykkfordelingen til virvelsystemet som følger med produksjonen av heisen. Et alternativt løfteperspektiv oppnås ved å vurdere endringen i momentum av luftstrømmen. Vingen avskjærer luften og tvinger den til å bevege seg ned. Dette resulterer i at en lik og motsatt dragkraft virker på vingen, som er løft.
Endring av momentum av luftstrømmen ned fører til en reduksjon i omvendt verdi. At det er et resultat av kraften som virker fremover på den påførte vingen. En lik, men motsatt masse virker på baksiden, som er den induserte motstanden. Det pleier å være den viktigste komponenten for fly under start eller landing. Et annet dragobjekt, wave drag (Dw) skyldes sjokkbølgerved transoniske og supersoniske hastigheter av flymekanikk. Disse rullene forårsaker endringer i grensesjiktet og trykkfordeling over kroppens overflate.
Historie
Ideen om at en bevegelig kropp som passerer gjennom luft (tetthetsformel) eller annen væske møter motstand har vært kjent siden Aristoteles' tid. En artikkel av Louis Charles Breguet skrevet i 1922 startet et forsøk på å redusere luftmotstanden gjennom optimalisering. Forfatteren fortsatte å bringe ideene sine ut i livet, og skapte flere rekordstore fly på 1920- og 1930-tallet. Ludwig Prandtls grenselagsteori i 1920 ga et insentiv til å minimere friksjon.
En annen viktig oppfordring til sekvensering ble gitt av Sir Melville Jones, som introduserte teoretiske konsepter for å overbevisende demonstrere viktigheten av sekvensering i flydesign. I 1929 var hans verk The Streamlined Airplane presentert for Royal Aeronautical Society banebrytende. Han foreslo et ideelt fly som ville ha minimal luftmotstand, noe som førte til konseptet med et "rent" monoplan og uttrekkbart understell.
Et av aspektene ved Jones sitt arbeid som mest sjokkerte datidens designere, var plottet hans om hestekraft versus hastighet for et ekte og ideelt fly. Hvis du ser på datapunktet for et fly og ekstrapolerer det horisont alt til en perfekt kurve, kan du snart se gevinsten for samme kraft. Da Jones var ferdig med presentasjonen, en av lytterneviktighetsnivå som Carnot-syklusen i termodynamikk.
løftindusert motstand
Det løft-induserte tilbakeslaget er et resultat av opprettelsen av en skråning på en tredimensjonal kropp, for eksempel en flyvinge eller flykropp. Indusert bremsing består hovedsakelig av to komponenter:
- Dra på grunn av å lage etterfølgende virvler.
- Har ekstra viskøs luftmotstand som ikke er der når løftet er null.
De bakre virvlene i strømningsfeltet som er tilstede som et resultat av løfting av kroppen skyldes turbulent blanding av luft over og under objektet, som strømmer i flere forskjellige retninger som et resultat av opprettelsen av løft.
Med andre parametere som forblir de samme som løftet skapt av kroppen, øker også motstanden forårsaket av skråningen. Dette betyr at når angrepsvinkelen til vingen øker, øker løftekoeffisienten, det samme gjør returen. Ved starten av en stall reduseres den utsatte aerodynamiske kraften dramatisk, og det samme gjør den løfteinduserte motstanden. Men denne verdien øker på grunn av dannelsen av en turbulent ubundet strømning etter kroppen.
Spurious drag
Dette er motstanden forårsaket av bevegelsen av en fast gjenstand gjennom en væske. Parasittisk drag har flere komponenter, inkludert bevegelse på grunn av viskøst trykk og på grunn av overflateruhet (hudfriksjon). I tillegg kan tilstedeværelsen av flere kropper i relativ nærhet forårsake den såk alteinterferensmotstand, som noen ganger beskrives som en del av begrepet.
I luftfart har indusert tilbakeslag en tendens til å være sterkere ved lavere hastigheter fordi det kreves en høy angrepsvinkel for å opprettholde løftet. Men når hastigheten øker, kan den reduseres, så vel som den induserte luftmotstanden. Parasittisk motstand blir imidlertid større fordi væsken flyter raskere rundt utstående gjenstander, noe som øker friksjonen.
Ved høyere hastigheter (transonisk) når bølgemotstanden et nytt nivå. Hver av disse formene for frastøting varierer proporsjon alt med de andre avhengig av hastigheten. Så den generelle luftmotstandskurven viser et minimum ved en viss lufthastighet - flyet vil ha eller nær optimal effektivitet. Piloter vil bruke denne hastigheten for å maksimere utholdenhet (minimum drivstofforbruk) eller glideavstand i tilfelle motorsvikt.
Aviation Power Curve
Samspillet mellom parasittisk og indusert luftmotstand som funksjon av lufthastighet kan representeres som en karakteristisk linje. I luftfarten omtales dette ofte som kraftkurven. Det er viktig for piloter fordi det viser at under en viss lufthastighet, og kontraintuitivt, kreves det mer skyvekraft for å opprettholde den når lufthastigheten synker, ikke mindre. Implikasjonene av å være "bak kulissene" under flyging er viktige og undervises som en del av pilotopplæringen. På subsonisklufthastigheter der U-formen til denne kurven er betydelig, har bølgemotstand ennå ikke blitt en faktor. Det er derfor det ikke vises på kurven.
bremsing i transonisk og supersonisk flyt
Kompressivt bølgemotstand er luftmotstanden som skapes når en kropp beveger seg gjennom en komprimerbar væske og med hastigheter nær lydhastigheten i vann. I aerodynamikk har bølgemotstand mange komponenter avhengig av kjøremodus.
I transonisk flygeaerodynamikk er bølgemotstand et resultat av dannelsen av sjokkbølger i væsken, som dannes når man skaper lokale områder med supersonisk strømning. I praksis oppstår en slik bevegelse på kropper som beveger seg godt under signalets hastighet, siden luftens lokale hastighet øker. Full supersonisk flyt over kjøretøyet vil imidlertid ikke utvikle seg før verdien har gått mye lenger. Fly som flyr med transoniske hastigheter opplever ofte bølgeforhold i løpet av normal flyging. I transonisk flyging blir denne frastøtningen ofte referert til som transonisk kompressibilitetsmotstand. Den intensiveres kraftig ettersom flyhastigheten øker, og dominerer andre former ved disse hastighetene.
I supersonisk flukt er bølgemotstand et resultat av sjokkbølger som er tilstede i væsken og festet til kroppen, og dannes ved forkant og bakkant av kroppen. I supersoniske strømninger, eller i skrog med tilstrekkelig store rotasjonsvinkler, vil det i stedet væreløse støt eller buede bølger dannes. I tillegg kan lokale områder med transonisk flyt oppstå ved lavere supersoniske hastigheter. Noen ganger fører de til utvikling av ytterligere sjokkbølger som er tilstede på overflatene til andre løftelegemer, lik de som finnes i transoniske strømmer. I kraftige strømningsregimer er bølgemotstand vanligvis delt inn i to komponenter:
- Supersonisk løft avhengig av verdi.
- Volum, som også avhenger av konseptet.
Løsningen i lukket form for minimumsbølgemotstanden til et revolusjonslegeme med fast lengde ble funnet av Sears og Haack og er kjent som "Seers-Haack Distribution". På samme måte, for et fast volum, er formen for minimumsbølgemotstanden "Von Karman Ogive".
Busemanns biplan er i prinsippet ikke underlagt slik handling i det hele tatt når den opererer med designhastighet, men er heller ikke i stand til å generere løft.
Products
En vindtunnel er et verktøy som brukes i forskning for å studere effekten av luft som beveger seg forbi faste gjenstander. Denne utformingen består av en rørformet passasje med objektet som testes plassert i midten. Luft flyttes forbi objektet med et kraftig viftesystem eller andre midler. Testobjektet, ofte referert til som en rørmodell, er utstyrt med passende sensorer for å måle luftkrefter, trykkfordeling eller annetaerodynamiske egenskaper. Dette er også nødvendig for å oppdage og rette opp problemet i systemet i tide.
Hva er flytypene
La oss først se på historien. De tidligste vindtunnelene ble oppfunnet på slutten av 1800-tallet, i de tidlige dagene av luftfartsforskningen. Det var da mange prøvde å utvikle vellykkede fly som var tyngre enn luften. Vindtunnelen ble tenkt som et middel til å snu det konvensjonelle paradigmet. I stedet for å stå stille og bevege en gjenstand gjennom den, ville den samme effekten oppnådd hvis gjenstanden stod stille og luften beveget seg med høyere hastighet. På denne måten kan en stasjonær observatør studere det flygende produktet i aksjon og måle den praktiske aerodynamikken som er pålagt det.
Utviklingen av rør fulgte med utviklingen av flyet. Store aerodynamiske gjenstander ble bygget under andre verdenskrig. Testing i et slikt rør ble ansett som strategisk viktig under utviklingen av supersoniske fly og missiler under den kalde krigen. I dag er fly hva som helst. Og nesten alle de viktigste utviklingene er allerede introdusert i hverdagen.
Senere vindtunnelforskning ble en selvfølge. Effekten av vind på menneskeskapte strukturer eller gjenstander måtte studeres når bygninger ble høye nok til å presentere store overflater for vinden, og de resulterende kreftene måtte motstås av de indre elementene i bygningen. Definisjonen av slike sett var nødvendig før byggeforskrifter kunnebestemme den nødvendige styrken til strukturer. Og slike tester blir fortsatt brukt for store eller uvanlige bygninger den dag i dag.
Selv senere ble det kontrollert den aerodynamiske luftmotstanden til biler. Men dette var ikke for å bestemme kreftene som sådan, men for å etablere måter å redusere kraften som kreves for å flytte bilen langs veibunnene med en gitt hastighet. I disse studiene spiller samspillet mellom vei og kjøretøy en vesentlig rolle. Det er han som må tas i betraktning ved tolkning av testresultater.
I en reell situasjon beveger veibanen seg i forhold til kjøretøyet, men luften er fortsatt i forhold til veien. Men i en vindtunnel beveger luften seg i forhold til veien. Mens sistnevnte står stille i forhold til kjøretøyet. Noen vindtunneler for testkjøretøy inkluderer bevegelige belter under testkjøretøyet. Dette for å komme nærmere den faktiske tilstanden. Lignende enheter brukes i start- og landingskonfigurasjoner i vindtunneler.
Utstyr
Eksempler på sportsutstyr har også vært vanlig i mange år. De inkluderte golfkøller og -baller, olympiske bobsleder og syklister, og racerbilhjelmer. Aerodynamikken til sistnevnte er spesielt viktig i kjøretøy med åpent førerhus (Indycar, Formel 1). Overdreven løftekraft på hjelmen kan forårsake betydelig belastningpå nakken på føreren, og strømningsseparasjonen på baksiden er en turbulent tetning og som et resultat nedsatt syn i høye hastigheter.
Fremskritt innen beregningsbasert fluiddynamikk (CFD)-simuleringer på høyhastighets digitale datamaskiner har redusert behovet for vindtunneltesting. Men CFD-resultater er fortsatt ikke helt pålitelige, dette verktøyet brukes til å bekrefte CFD-spådommer.
