Aerodinamični upor je sila, ki deluje nasprotno relativnemu gibanju katerega koli predmeta. Lahko obstaja med dvema slojema trdne površine. Za razliko od drugih uporovnih sklopov, kot je suho trenje, ki so skoraj neodvisni od hitrosti, uporne sile upoštevajo dano vrednost. Čeprav je končni vzrok za delovanje viskozno trenje, je turbulenca neodvisna od njega. Sila upora je sorazmerna s hitrostjo laminarnega toka.
koncept
Aerodinamični upor je sila, ki deluje na katero koli trdno telo, ki se premika v smeri nasproti prihajajoče tekočine. Glede na približek bližnjega polja je upor posledica sil zaradi porazdelitve tlaka po površini predmeta, ki ga simbolizira D. Zaradi trenja kože, ki je posledica viskoznosti, je označeno z De. Druga možnost je, izračunana z vidika polja pretoka, silaodpornost nastane kot posledica treh naravnih pojavov: udarnih valov, vrtinčne plasti in viskoznosti. Vse to lahko najdete v tabeli aerodinamičnega upora.
Pregled
Razporeditev pritiska, ki deluje na površino telesa, vpliva na velike sile. Po drugi strani jih je mogoče povzeti. Nižje komponente te vrednosti predstavljajo moč upora, Drp, zaradi porazdelitve tlaka, ki vpliva na telo. Narava teh sil združuje učinke udarnih valov, generiranje vrtinčnega sistema in mehanizme zbujanja.
Viskoznost tekočine pomembno vpliva na upor. Če te komponente ni, se sile pritiska, ki upočasnjujejo vozilo, nevtralizirajo z močjo, ki je v zadnjem delu in potiska vozilo naprej. Temu pravimo ponovni tlak, ki povzroči ničelni aerodinamični upor. To pomeni, da je delo, ki ga telo opravi na zračnem toku, reverzibilno in ga je mogoče obnoviti, saj ni učinkov trenja za pretvorbo energije toka v toploto.
Obnova tlaka deluje tudi v primeru viskoznega gibanja. Ta vrednost pa ima za posledico moč. Je prevladujoča komponenta upora v primeru vozil z deljenimi območji pretoka, pri katerih je okrevanje glave precej neučinkovito.
Sila trenja, ki je tangencialna moč na površiniletal, odvisno od konfiguracije mejne plasti in viskoznosti. Aerodinamični upor, Df, se izračuna kot projekcija nizvodnih močvirja, ocenjena s površine telesa.
Vsota odpornosti na trenje in tlak se imenuje viskozna upornost. S termodinamičnega vidika so učinki močvirja nepopravljivi pojavi in zato ustvarjajo entropijo. Izračunani viskozni upor Dv uporablja spremembe te vrednosti za natančno napovedovanje odbojne sile.
Tukaj je treba podati tudi formulo za gostoto zraka za plin: РV=m/MRT.
Ko letalo povzroči dvig, obstaja še ena komponenta potiskanja. Inducirana odpornost, Di. Nastane zaradi spremembe porazdelitve tlaka vrtinčnega sistema, ki spremlja proizvodnjo dvigala. Alternativna perspektiva dviga je dosežena z upoštevanjem spremembe zagona zračnega toka. Krilo prestreže zrak in ga prisili, da se premakne navzdol. Posledica tega je enaka in nasprotna sila upora, ki deluje na krilo, ki je dvig.
Spreminjanje zagona zračnega toka navzdol vodi do zmanjšanja obratne vrednosti. Da je posledica sile, ki deluje naprej na uporabljeno krilo. Na hrbet deluje enaka, a nasprotna masa, ki je inducirani upor. Ponavadi je najpomembnejša komponenta letal med vzletom ali pristankom. Drugi predmet vlečenja, valovni upor (Dw), je posledica udarnih valovpri transsoničnih in nadzvočnih hitrostih mehanike letenja. Ti zvitki povzročajo spremembe v mejnem sloju in porazdelitvi tlaka po površini telesa.
Zgodovina
Zamisel, da premikajoče se telo, ki poteka skozi zrak (formula gostote) ali drugo tekočino, naleti na upor, je znana že od Aristotelovega časa. Članek Louisa Charlesa Bregueta, napisan leta 1922, je začel prizadevanja za zmanjšanje upora z optimizacijo. Avtor je svoje zamisli še naprej uresničeval in v 20. in 30. letih 20. stoletja ustvaril več rekordnih letal. Teorija mejne plasti Ludwiga Prandtla iz leta 1920 je spodbudila k zmanjšanju trenja.
Še en pomemben poziv k zaporedju je dal Sir Melville Jones, ki je uvedel teoretične koncepte, da bi prepričljivo dokazal pomen zaporedja pri načrtovanju letal. Leta 1929 je bilo njegovo delo Poenostavljeno letalo, predstavljeno Kraljevi letalski družbi, prelomno. Predlagal je idealno letalo, ki bi imelo minimalen upor, kar je vodilo do koncepta "čistega" monoplana in zložljivega podvozja.
Eden od vidikov Jonesovega dela, ki je najbolj šokiral oblikovalce tistega časa, je bil njegov zaplet konjskih moči proti hitrosti za pravo in idealno letalo. Če pogledate podatkovno točko za letalo in jo vodoravno ekstrapolirate na popolno krivuljo, lahko kmalu vidite izplačilo za isto moč. Ko je Jones končal svojo predstavitev, eden od poslušalcevraven pomembnosti kot Carnotov cikel v termodinamiki.
Upor, ki ga povzroča dvig
Zapor, ki ga povzroča dvig, je posledica ustvarjanja naklona na tridimenzionalnem telesu, kot je krilo letala ali trup. Inducirano zaviranje je sestavljeno predvsem iz dveh komponent:
- Vleci zaradi ustvarjanja zaostalih vrtincev.
- Ima dodaten viskozen upor, ki ga ni, ko je dvig nič.
Zadnji vrtinci v pretočnem polju, ki so prisotni kot posledica dviga telesa, so posledica turbulentnega mešanja zraka nad in pod objektom, ki teče v več različnih smereh kot posledica ustvarjanja dviga.
Z drugimi parametri, ki ostanejo enaki dvigu, ki ga ustvari telo, se poveča tudi upor, ki ga povzroča naklon. To pomeni, da ko se napadni kot krila poveča, se koeficient dviga poveča, prav tako odboj. Na začetku zastoja se aerodinamična sila v ležečem položaju dramatično zmanjša, prav tako upor, ki ga povzroča dvig. Toda ta vrednost se poveča zaradi nastanka turbulentnega nevezanega toka po telesu.
Lažno vlečenje
To je upor, ki ga povzroči gibanje trdnega predmeta skozi tekočino. Parazitni upor ima več komponent, vključno z gibanjem zaradi viskoznega tlaka in zaradi hrapavosti površine (trenje kože). Poleg tega lahko prisotnost več teles v relativni bližini povzroči t.iinterferenčna odpornost, ki je včasih opisana kot sestavni del izraza.
V letalstvu je inducirana zračnost močnejša pri nižjih hitrostih, ker je za vzdrževanje dviga potreben visok napadni kot. Vendar pa se s povečanjem hitrosti lahko zmanjša, kot tudi inducirani upor. Parazitski upor pa postane večji, ker tekočina hitreje teče okoli štrlečih predmetov, kar povečuje trenje.
Pri višjih hitrostih (transsonično) upor valov doseže novo raven. Vsaka od teh oblik odbijanja se razlikuje sorazmerno z drugimi, odvisno od hitrosti. Tako skupna krivulja upora kaže minimum pri določeni hitrosti - letalo bo doseglo optimalno učinkovitost ali blizu nje. Piloti bodo uporabili to hitrost za povečanje vzdržljivosti (najmanjša poraba goriva) ali drsne razdalje v primeru okvare motorja.
Aviation Power Curve
Interakcija parazitskega in induciranega upora kot funkcija zračne hitrosti je lahko predstavljena kot karakteristična črta. V letalstvu se to pogosto imenuje krivulja moči. Za pilote je pomemben, ker kaže, da je pod določeno zračno hitrostjo in nasprotno, za vzdrževanje potrebnega več potiska, ko se hitrost zmanjša, ne manj. Posledice "zakulisja" med letom so pomembne in se jih učijo kot del usposabljanja pilotov. Na podzvočnemzračnih hitrostih, kjer je U-oblika te krivulje pomembna, upor valov še ni postal dejavnik. Zato ni prikazan na krivulji.
Zaviranje v prekozvočnem in nadzvočnem toku
Upor kompresijskega valovanja je upor, ki nastane, ko se telo premika skozi stisljivo tekočino in s hitrostmi, ki so blizu hitrosti zvoka v vodi. V aerodinamiki ima upor valov veliko komponent, odvisno od načina vožnje.
V transzvočni aerodinamiki letenja je upor valovanja posledica nastanka udarnih valov v tekočini, ki nastanejo pri ustvarjanju lokalnih območij nadzvočnega toka. V praksi se takšno gibanje dogaja na telesih, ki se gibljejo precej pod hitrostjo signala, saj se lokalna hitrost zraka povečuje. Vendar se polni nadzvočni tok nad vozilom ne bo razvil, dokler vrednost ne bo šla veliko dlje. Letala, ki letijo s transzvočno hitrostjo, se med običajnim potekom leta pogosto soočajo z valovnimi razmerami. Pri transsoničnem letu se ta odboj običajno imenuje transsonični upor stisljivosti. Z naraščajočo hitrostjo leta se močno okrepi in pri teh hitrostih prevladuje nad drugimi oblikami.
Pri nadzvočnem letu je valovni upor posledica udarnih valov, prisotnih v tekočini in pritrjenih na telo, ki nastanejo na sprednjem in zadnjem robu telesa. V nadzvočnih tokovih ali v trupih z dovolj velikimi koti vrtenja bo namesto tega obstajalanastanejo ohlapni udarci ali ukrivljeni valovi. Poleg tega se pri nižjih nadzvočnih hitrostih lahko pojavijo lokalna področja transsoničnega toka. Včasih vodijo do razvoja dodatnih udarnih valov, ki so prisotni na površinah drugih dvižnih teles, podobnih tistim, ki jih najdemo v transsoničnih tokovih. V močnih režimih pretoka je valovni upor običajno razdeljen na dve komponenti:
- Nadzvočno dviganje odvisno od vrednosti.
- Prostornina, ki je odvisna tudi od koncepta.
Rešitev zaprte oblike za minimalni valovni upor vrtilnega telesa s fiksno dolžino sta odkrila Sears in Haack in je znana kot "Seers-Haack Distribution". Podobno je pri fiksni prostornini oblika za najmanjši valovni upor "Von Karman Ogive".
Busemannovo dvokrilno letalo načeloma sploh ni podvrženo takšnim dejanjem, ko deluje pri projektni hitrosti, vendar tudi ni sposobno ustvariti dviga.
Izdelki
Vetrovnik je orodje, ki se uporablja v raziskavah za preučevanje učinka zraka, ki se premika mimo trdnih predmetov. Ta zasnova je sestavljena iz cevastega prehoda s preizkušanim predmetom, nameščenim na sredini. Zrak se premika mimo predmeta z močnim ventilatorskim sistemom ali na drug način. Preskusni predmet, ki ga pogosto imenujemo model cevi, je opremljen z ustreznimi senzorji za merjenje zračnih sil, porazdelitve tlaka ali drugihaerodinamične lastnosti. To je potrebno tudi, da bi pravočasno opazili in odpravili težavo v sistemu.
Katere so vrste letal
Poglejmo najprej zgodovino. Najzgodnejši vetrovniki so bili izumljeni ob koncu 19. stoletja, v prvih dneh letalskih raziskav. Takrat so mnogi poskušali razviti uspešna letala, težja od zraka. Vetrovnik je bil zasnovan kot sredstvo za preobrat konvencionalne paradigme. Namesto da bi stali pri miru in premikali predmet skozenj, bi enak učinek dosegli, če bi objekt stal pri miru in bi se zrak premikal z večjo hitrostjo. Na ta način lahko stacionarni opazovalec preuči leteči izdelek v akciji in izmeri praktično aerodinamiko, ki mu je naložena.
Razvoj cevi je spremljal razvoj letala. Med drugo svetovno vojno so bili zgrajeni veliki aerodinamični predmeti. Testiranje v takšni cevi je veljalo za strateško pomembno med razvojem nadzvočnih letal in raket med hladno vojno. Danes so letala karkoli. In skoraj vsi najpomembnejši dogodki so že uvedeni v vsakdanje življenje.
Poznejše raziskave vetrovnikov so postale samoumevne. Vpliv vetra na umetne strukture ali objekte je bilo treba preučiti, ko so zgradbe postale dovolj visoke, da so vetru predstavljale velike površine, in so se posledičnim silam morali upreti notranji elementi stavbe. Opredelitev takšnih sklopov je bila potrebna, preden so lahko gradbeni predpisidoločite potrebno trdnost konstrukcij. In takšni testi se še danes uporabljajo za velike ali nenavadne zgradbe.
Še kasneje so bili preverjani aerodinamični upor avtomobilov. Vendar to ni bilo za določitev sil kot takih, ampak za določitev načinov za zmanjšanje moči, ki je potrebna za premikanje avtomobila po cestišču z določeno hitrostjo. V teh študijah igra interakcija med cesto in vozilom pomembno vlogo. Pri interpretaciji rezultatov testov je treba upoštevati njega.
V realni situaciji se cestišče premika glede na vozilo, zrak pa je še vedno glede na cesto. Toda v vetrovniku se zrak premika glede na cesto. Medtem ko slednji miruje glede na vozilo. Nekateri vetrovniki za preskusna vozila vključujejo premikajoče se pasove pod testnim vozilom. To je zato, da se približamo dejanskemu stanju. Podobne naprave se uporabljajo pri vzletnih in pristajalnih konfiguracijah v vetrovniku.
Oprema
Vzorci športne opreme so prav tako pogosti že vrsto let. Med njimi so bile palice in žogice za golf, olimpijski bob in kolesarji ter čelade za dirkalne avtomobile. Aerodinamika slednjega je še posebej pomembna pri vozilih z odprto kabino (Indycar, Formula 1). Prekomerna dvižna sila na čeladi lahko povzroči znaten stresna vratu voznika, ločitev toka na zadnji strani pa je turbulentno tesnilo in posledično poslabšan vid pri velikih hitrostih.
Napredek v simulacijah računalniške dinamike tekočin (CFD) na hitrih digitalnih računalnikih je zmanjšal potrebo po testiranju v vetrovniku. Vendar rezultati CFD še vedno niso povsem zanesljivi, to orodje se uporablja za preverjanje napovedi CFD.
