Aerodynamický odpor je sila pôsobiaca opačne ako relatívny 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, sa odporové sily riadia danou hodnotou. Hoci konečnou príčinou účinku je viskózne trenie, turbulencia je od neho nezávislá. Brzdná sila je úmerná rýchlosti laminárneho prúdenia.
Koncept
Aerodynamický odpor je sila, ktorá pôsobí na akékoľvek pohybujúce sa pevné teleso v smere prichádzajúcej tekutiny. Z hľadiska aproximácie blízkeho poľa je odpor výsledkom síl v dôsledku rozloženia tlaku na povrch predmetu, symbolizovaného D. V dôsledku trenia kože, ktoré je výsledkom viskozity, sa označuje De. Alternatívne, vypočítané z pohľadu prúdiaceho poľa, silyodpor vzniká ako dôsledok troch prírodných javov: rázové vlny, vírová vrstva a viskozita. To všetko nájdete v tabuľke aerodynamického odporu.
Prehľad
Rozloženie tlaku pôsobiaceho na povrch telesa ovplyvňuje veľké sily. Tie sa zase dajú zhrnúť. Nasledujúce komponenty tejto hodnoty tvoria silu odporu, Drp, v dôsledku rozloženia tlaku, ktorý ovplyvňuje telo. Povaha týchto síl kombinuje efekty rázových vĺn, generovanie vírivého systému a budiace mechanizmy.
Viskozita kvapaliny má významný vplyv na odpor. Pri absencii tohto komponentu sú tlakové sily pôsobiace na spomalenie vozidla neutralizované silou, ktorá je v zadnej časti a tlačí vozidlo dopredu. Toto sa nazýva pretlakovanie, výsledkom čoho je nulový aerodynamický odpor. To znamená, že práca, ktorú telo vykonáva na prúdení vzduchu, je reverzibilná a obnoviteľná, pretože neexistujú žiadne trecie účinky na premenu energie prúdenia na teplo.
Obnova tlaku funguje aj v prípade viskózneho pohybu. Táto hodnota však vedie k sile. Je to dominantná zložka odporu v prípade vozidiel s oblasťami s deleným prúdením, kde sa spätné získavanie hlavy považuje za dosť neefektívne.
Sila trenia, čo je tangenciálna sila na povrchulietadla, závisí od konfigurácie hraničnej vrstvy a viskozity. Aerodynamický odpor, Df, sa vypočítava ako projekcia rašelinísk po prúde odhadnutá z povrchu tela.
Súčet odporu trenia a tlaku sa nazýva viskózny odpor. Z termodynamického hľadiska sú bahenné efekty nezvratné javy, a preto vytvárajú entropiu. Vypočítaný viskózny odpor Dv používa zmeny tejto hodnoty na presné predpovedanie sily odrazu.
Tu je tiež potrebné uviesť vzorec pre hustotu vzduchu pre plyn: РV=m/MRT.
Keď lietadlo vytvára vztlak, je tu ďalší komponent tlačenia. Indukovaný odpor, Di. Vzniká zmenou rozloženia tlaku vírivého systému, ktorý sprevádza výrobu výťahu. Alternatívna perspektíva zdvihu sa dosiahne zvážením zmeny hybnosti prúdu vzduchu. Krídlo zachytáva vzduch a núti ho pohybovať sa dole. To má za následok rovnakú a opačnú brzdnú silu pôsobiacu na krídlo, čo je vztlak.
Zmena hybnosti prúdenia vzduchu nadol vedie k zníženiu spätnej hodnoty. Že je výsledkom sily pôsobiacej dopredu na aplikované krídlo. Na chrbát pôsobí rovnaká, ale opačná hmotnosť, čo je indukovaný odpor. Býva najdôležitejším komponentom pre lietadlá počas vzletu alebo pristátia. Ďalší ťahaný objekt, vlnový odpor (Dw) je spôsobený rázovými vlnamipri transsonických a nadzvukových rýchlostiach mechaniky letu. Tieto valce spôsobujú zmeny v hraničnej vrstve a rozloženie tlaku po povrchu tela.
História
Myšlienka, že pohybujúce sa teleso prechádzajúce vzduchom (vzorec hustoty) alebo inou kvapalinou naráža na odpor, je známa už od čias Aristotela. Článok Louisa Charlesa Bregueta napísaný v roku 1922 začal snahu o zníženie ťahu prostredníctvom optimalizácie. Autor pokračoval v uvádzaní svojich myšlienok do života a v 20. a 30. rokoch vytvoril niekoľko rekordných lietadiel. Teória hraničnej vrstvy Ludwiga Prandtla z roku 1920 poskytla podnet na minimalizáciu trenia.
Ďalšiu dôležitú výzvu na sekvenovanie vyslovil Sir Melville Jones, ktorý predstavil teoretické koncepty na presvedčivé demonštrovanie dôležitosti sekvenovania v dizajne lietadiel. V roku 1929 bola kľúčová jeho práca The Streamlined Airplane prezentovaná Royal Aeronautical Society. Navrhol ideálne lietadlo, ktoré by malo minimálny odpor vzduchu, čo viedlo ku koncepcii „čistého“jednoplošníka a zaťahovacieho podvozku.
Jedným z aspektov Jonesovej práce, ktorý najviac šokoval konštruktérov tej doby, bola jeho zápletka konskej sily verzus rýchlosť pre skutočné a ideálne lietadlo. Ak sa pozriete na údajový bod pre lietadlo a extrapolujete ho horizontálne na dokonalú krivku, čoskoro uvidíte odmenu za rovnaký výkon. Keď Jones dokončil svoju prezentáciu, jeden z poslucháčovúroveň dôležitosti ako Carnotov cyklus v termodynamike.
Odpor spôsobený zdvihnutím
Vôľa vyvolaná zdvihom je výsledkom vytvorenia sklonu na trojrozmernom tele, ako je krídlo alebo trup lietadla. Indukované brzdenie pozostáva hlavne z dvoch komponentov:
- Ťahajte kvôli vytváraniu koncových vírov.
- Má dodatočný viskózny odpor, ktorý nie je prítomný, keď je zdvih nulový.
Spätné víry v prúdovom poli prítomné v dôsledku zdvíhania tela sú spôsobené turbulentným miešaním vzduchu nad a pod objektom, ktorý v dôsledku vytvárania vztlaku prúdi niekoľkými rôznymi smermi.
S ostatnými parametrami, ktoré zostávajú rovnaké ako zdvih vytvorený telom, sa zvyšuje aj odpor spôsobený svahom. To znamená, že so zväčšujúcim sa uhlom nábehu krídla sa zvyšuje koeficient vztlaku a rovnako aj odskok. Na začiatku pádu sa náchylná aerodynamická sila dramaticky zníži, rovnako ako odpor spôsobený zdvihom. Táto hodnota sa však zvyšuje v dôsledku vytvárania turbulentného nepripojeného prúdenia za telom.
Nepravé ťahanie
Toto je odpor spôsobený pohybom pevného predmetu cez kvapalinu. Parazitný odpor má niekoľko zložiek, vrátane pohybu v dôsledku viskózneho tlaku a v dôsledku drsnosti povrchu (trenie pokožky). Navyše prítomnosť viacerých telies v relatívnej blízkosti môže spôsobiť tzvodolnosť proti rušeniu, ktorá sa niekedy označuje ako súčasť výrazu.
V letectve má indukovaná vôľa tendenciu byť silnejšia pri nižších rýchlostiach, pretože na udržanie vztlaku je potrebný vysoký uhol nábehu. Keď sa však rýchlosť zvyšuje, môže sa znížiť, rovnako ako aj indukovaný odpor. Parazitický odpor je však väčší, pretože tekutina prúdi rýchlejšie okolo vyčnievajúcich predmetov, čím sa zvyšuje trenie.
Pri vyšších rýchlostiach (transsonických) dosahuje odpor vĺn novú úroveň. Každá z týchto foriem odpudzovania sa úmerne líši od ostatných v závislosti od rýchlosti. Takže krivka celkového odporu ukazuje minimum pri určitej rýchlosti letu - lietadlo bude mať optimálnu účinnosť alebo blízko nej. Piloti použijú túto rýchlosť na maximalizáciu vytrvalosti (minimálnej spotreby paliva) alebo kĺzania v prípade poruchy motora.
Krivka výkonu letectva
Vzájomné pôsobenie parazitného a indukovaného odporu ako funkcie rýchlosti vzduchu môže byť znázornené ako charakteristická čiara. V letectve sa to často označuje ako krivka výkonu. Je to dôležité pre pilotov, pretože ukazuje, že pod určitou vzdušnou rýchlosťou, a neintuitívne, je potrebný väčší ťah na jej udržanie, keď sa vzdušná rýchlosť znižuje, nie menej. Dôsledky „v zákulisí“počas letu sú dôležité a vyučujú sa v rámci pilotného výcviku. Na podzvukurýchlosti vzduchu, kde je tvar U tejto krivky významný, sa vlnový odpor ešte nestal faktorom. To je dôvod, prečo to nie je zobrazené na krivke.
Brzdenie v transsonickom a nadzvukovom prúdení
Odpor kompresnej vlny je odpor, ktorý vzniká, keď sa teleso pohybuje cez stlačiteľnú tekutinu a rýchlosťou blízkou rýchlosti zvuku vo vode. V aerodynamike má vlnový odpor mnoho komponentov v závislosti od jazdného režimu.
V aerodynamike transsonických letov je vlnový odpor výsledkom vytvárania rázových vĺn v kvapaline, ktoré vznikajú pri vytváraní lokálnych oblastí nadzvukového prúdenia. V praxi k takémuto pohybu dochádza na telesách pohybujúcich sa hlboko pod rýchlosťou signálu, pretože lokálna rýchlosť vzduchu sa zvyšuje. Úplné nadzvukové prúdenie nad vozidlom sa však rozvinie až vtedy, keď sa hodnota dostane oveľa ďalej. Lietadlá letiace transsonickými rýchlosťami často zažívajú vlnové podmienky počas normálneho letu. Pri transsonickom lete sa toto odpudzovanie bežne označuje ako transsonický odpor stlačiteľnosti. Veľmi sa zintenzívňuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou letu, pričom pri týchto rýchlostiach dominuje iným formám.
Pri nadzvukovom lete je odpor vĺn výsledkom rázových vĺn prítomných v tekutine a pripojených k telu, ktoré sa tvoria na prednej a zadnej hrane tela. V nadzvukových prúdoch alebo v trupoch s dostatočne veľkými uhlami rotácie bude namiesto toho existovaťvznikajú uvoľnené šoky alebo zakrivené vlny. Okrem toho sa lokálne oblasti transsonického prúdenia môžu vyskytovať pri nižších nadzvukových rýchlostiach. Niekedy vedú k rozvoju dodatočných rázových vĺn prítomných na povrchoch iných telies výťahov, podobných tým, ktoré sa nachádzajú v transsonických prúdoch. Vo výkonných režimoch prúdenia je vlnový odpor zvyčajne rozdelený na dve zložky:
- Nadzvukový zdvih v závislosti od hodnoty.
- Objem, ktorý závisí aj od konceptu.
Uzavreté riešenie pre minimálny vlnový odpor rotačného telesa s pevnou dĺžkou našli Sears a Haack a je známe ako "Seers-Haack Distribution". Podobne, pre pevný objem je tvar minimálneho vlnového odporu „Von Karman Ogive“.
Busemannov dvojplošník v zásade nie je vystavený takémuto pôsobeniu pri prevádzke pri projektovanej rýchlosti, ale tiež nie je schopný generovať vztlak.
Produkty
Veterný tunel je nástroj používaný vo výskume na štúdium účinku vzduchu pohybujúceho sa okolo pevných predmetov. Tento dizajn pozostáva z rúrkového priechodu s testovaným objektom umiestneným v strede. Vzduch sa pohybuje okolo objektu pomocou výkonného ventilátorového systému alebo iných prostriedkov. Skúšobný objekt, často označovaný ako model potrubia, je vybavený vhodnými snímačmi na meranie vzdušných síl, rozloženia tlaku alebo inýchaerodynamické vlastnosti. Je to tiež potrebné, aby sme si včas všimli a opravili problém v systéme.
Aké sú typy lietadiel
Pozrime sa najprv do histórie. Najstaršie aerodynamické tunely boli vynájdené na konci 19. storočia, v začiatkoch výskumu letectva. Práve vtedy sa mnohí pokúšali vyvinúť úspešné lietadlá ťažšie ako vzduch. Veterný tunel bol koncipovaný ako prostriedok na zvrátenie konvenčnej paradigmy. Namiesto toho, aby ste stáli a pohybovali objektom cez neho, rovnaký efekt by sa dosiahol, keby objekt stál na mieste a vzduch by sa pohyboval vyššou rýchlosťou. Týmto spôsobom môže stacionárny pozorovateľ študovať lietajúci produkt v akcii a merať praktickú aerodynamiku, ktorá je naň kladená.
Vývoj potrubia sprevádzal vývoj lietadla. Veľké aerodynamické prvky boli vyrobené počas druhej svetovej vojny. Testovanie v takejto trubici sa považovalo za strategicky dôležité pri vývoji nadzvukových lietadiel a rakiet počas studenej vojny. Dnes sú lietadlá čokoľvek. A takmer všetky najdôležitejšie novinky už boli zavedené do každodenného života.
Neskôr sa výskum aerodynamického tunela stal samozrejmosťou. Vplyv vetra na umelo vytvorené konštrukcie alebo predmety bolo potrebné študovať, keď sa budovy stali dostatočne vysokými na to, aby vetru predstavovali veľké plochy, a výsledným silám museli odolávať vnútorné prvky budovy. Definícia takýchto súborov bola potrebná skôr, ako to mohli stavebné predpisyurčiť požadovanú pevnosť konštrukcií. A takéto testy sa pre veľké alebo nezvyčajné budovy používajú dodnes.
Ešte neskôr sa kontrolovali aerodynamický odpor áut. Nešlo však o určenie síl ako takých, ale o stanovenie spôsobov, ako znížiť výkon potrebný na pohyb auta po vozovke pri danej rýchlosti. V týchto štúdiách hrá významnú úlohu interakcia medzi vozovkou a vozidlom. Je to on, kto musí byť braný do úvahy pri interpretácii výsledkov testov.
V reálnej situácii sa vozovka pohybuje relatívne k vozidlu, ale vzduch je stále relatívne k vozovke. Ale vo veternom tuneli sa vzduch pohybuje relatívne k ceste. Zatiaľ čo druhý je vo vzťahu k vozidlu nehybný. Niektoré aerodynamické tunely testovacieho vozidla obsahujú pohyblivé pásy pod testovaným vozidlom. Ide o priblíženie sa skutočnému stavu. Podobné zariadenia sa používajú v konfiguráciách vzletu a pristátia v aerodynamickom tuneli.
Vybavenie
Vzorky športového vybavenia sú tiež bežné už mnoho rokov. Patrili medzi ne golfové palice a loptičky, olympijské boby a cyklisti a prilby pre pretekárske autá. Aerodynamika druhého menovaného je obzvlášť dôležitá vo vozidlách s otvorenou kabínou (Indycar, Formula 1). Nadmerná zdvíhacia sila na prilbu môže spôsobiť značné namáhaniena krku vodiča a oddelenie prietoku na zadnej strane je turbulentné tesnenie a v dôsledku toho zhoršuje videnie pri vysokých rýchlostiach.
Pokroky v simuláciách 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 na overenie predpovedí CFD.
