Aerodinamički otpor je sila koja djeluje suprotno relativnom kretanju bilo kojeg objekta. Može postojati između dva sloja čvrste površine. Za razliku od drugih skupova otpora, poput suhog trenja, koji su gotovo neovisni o brzini, sile otpora podliježu zadanoj vrijednosti. Iako je krajnji uzrok djelovanja viskozno trenje, turbulencija je neovisna o njemu. Sila otpora proporcionalna je brzini laminarnog toka.
koncept
Aerodinamički otpor je sila koja djeluje na bilo koje čvrsto tijelo koje se kreće u smjeru nadolazeće tekućine. U smislu aproksimacije bliskog polja, otpor je rezultat sila zbog raspodjele tlaka na površini objekta, što je simbolizirano s D. Zbog trenja kože, koje je rezultat viskoznosti, označava se De. Alternativno, izračunata s gledišta polja strujanja, silaotpor nastaje kao rezultat tri prirodna fenomena: udarni valovi, vrtložni sloj i viskoznost. Sve se to može pronaći u tablici aerodinamičkog otpora.
Pregled
Raspodjela pritiska koji djeluje na površinu tijela utječe na velike sile. Oni se, pak, mogu sažeti. Nizvodne komponente ove vrijednosti čine snagu otpora, Drp, zbog raspodjele pritiska koji utječe na tijelo. Priroda ovih sila kombinira efekte udarnog vala, stvaranje vrtložnog sustava i mehanizme buđenja.
Viskoznost tekućine ima značajan utjecaj na otpor. U nedostatku ove komponente, sile pritiska koje djeluju na usporavanje vozila neutraliziraju se snagom koja je u stražnjem dijelu i gura vozilo naprijed. To se naziva ponovnim pritiskom, što rezultira nultim aerodinamičkim otporom. To jest, rad koji tijelo obavlja na strujanju zraka je reverzibilan i nadoknadiv jer ne postoje efekti trenja za pretvaranje energije strujanja u toplinu.
Oporavak tlaka radi čak i u slučaju viskoznog kretanja. Ova vrijednost, međutim, rezultira snagom. To je dominantna komponenta otpora u slučaju vozila s podijeljenim područjima protoka gdje se oporavak glave smatra prilično neučinkovitim.
Sila trenja, koja je tangencijalna snaga na površinizrakoplova, ovisi o konfiguraciji graničnog sloja i viskoznosti. Aerodinamički otpor, Df, izračunava se kao nizvodna projekcija močvarnih skupova procijenjena s površine tijela.
Zbroj otpora trenja i pritiska naziva se viskozni otpor. Iz termodinamičke perspektive, efekti močvare su nepovratni fenomeni i stoga stvaraju entropiju. Izračunati viskozni otpor Dv koristi promjene ove vrijednosti za točno predviđanje sile odbijanja.
Ovdje je također potrebno dati formulu za gustoću zraka za plin: RV=m/MRT.
Kada zrakoplov proizvodi uzgonu, postoji još jedna komponenta odmaka. Inducirani otpor, Di. Ona proizlazi iz promjene raspodjele tlaka vrtložnog sustava koji prati proizvodnju dizala. Alternativna perspektiva podizanja postiže se razmatranjem promjene momenta protoka zraka. Krilo presreće zrak i tjera ga da se pomakne prema dolje. To rezultira jednakom i suprotnom silom otpora koja djeluje na krilo, što je podizanje.
Promjena zamaha strujanja zraka prema dolje dovodi do smanjenja obrnute vrijednosti. Da je to rezultat sile koja djeluje naprijed na primijenjeno krilo. Jednaka, ali suprotna masa djeluje na stražnju stranu, a to je inducirani otpor. Obično je najvažnija komponenta zrakoplova tijekom polijetanja ili slijetanja. Drugi objekt povlačenja, valni otpor (Dw) nastaje zbog udarnih valovapri transzvučnim i nadzvučnim brzinama mehanike leta. Ovi valjci uzrokuju promjene u graničnom sloju i raspodjeli pritiska na površini tijela.
Povijest
Ideja da tijelo koje se kreće kroz zrak (formula gustoće) ili drugu tekućinu nailazi na otpor poznata je još od Aristotelova vremena. Članak Louisa Charlesa Bregueta napisan 1922. započeo je nastojanje da se smanji otpor kroz optimizaciju. Autor je nastavio oživljavati svoje ideje, stvorivši nekoliko rekordnih zrakoplova 1920-ih i 1930-ih. Teorija graničnog sloja Ludwiga Prandtla iz 1920. pružila je poticaj za minimiziranje trenja.
Još jedan važan poziv za sekvenciranje uputio je Sir Melville Jones, koji je uveo teorijske koncepte kako bi uvjerljivo pokazao važnost sekvenciranja u dizajnu zrakoplova. Godine 1929., njegov rad The Streamlined Airplane predstavljen Kraljevskom aeronautičkom društvu bio je prijeloman. Predložio je idealan zrakoplov koji bi imao minimalan otpor, što je dovelo do koncepta "čistog" monoplana i uvlačivog podvozja.
Jedan od aspekata Jonesovog rada koji je najviše šokirao dizajnere tog vremena bio je njegov zaplet konjske snage u odnosu na brzinu za pravi i idealan avion. Ako pogledate podatkovnu točku za zrakoplov i ekstrapolirate je vodoravno na savršenu krivulju, uskoro ćete vidjeti isplativost za istu snagu. Kad je Jones završio svoje izlaganje, jedan od slušateljarazina važnosti kao Carnotov ciklus u termodinamici.
Otpor izazvan podizanjem
Zazor izazvan podizanjem rezultat je stvaranja nagiba na trodimenzionalnom tijelu kao što je krilo ili trup zrakoplova. Inducirano kočenje sastoji se uglavnom od dvije komponente:
- Povucite zbog stvaranja zaostalih vrtloga.
- Imaju dodatni viskozni otpor koji nema kada je podizanje nula.
Povratni vrtlozi u polju strujanja prisutni kao rezultat podizanja tijela nastaju zbog turbulentnog miješanja zraka iznad i ispod objekta, koji teče u nekoliko različitih smjerova kao rezultat stvaranja uzgona.
S ostalim parametrima koji ostaju isti kao i podizanje koje stvara tijelo, otpor uzrokovan nagibom također se povećava. To znači da kako se napadni kut krila povećava, koeficijent uzgona raste, kao i odskok. Na početku zastoja, aerodinamička sila sklona dramatično se smanjuje, kao i otpor izazvan podizanjem. Ali ova vrijednost raste zbog stvaranja turbulentnog nevezanog toka nakon tijela.
Lažno povlačenje
Ovo je otpor uzrokovan kretanjem čvrstog predmeta kroz tekućinu. Parazitski otpor ima nekoliko komponenti, uključujući kretanje zbog viskoznog pritiska i zbog hrapavosti površine (trenje kože). Osim toga, prisutnost više tijela u relativnoj blizini može uzrokovati tzvotpornost na smetnje, koja se ponekad opisuje kao komponenta pojma.
U zrakoplovstvu, inducirani povratni udar ima tendenciju da bude jači pri nižim brzinama jer je za održavanje uzgona potreban veliki napadni kut. Međutim, kako se brzina povećava, ona se može smanjiti, kao i inducirani otpor. Parazitski otpor, međutim, postaje veći jer tekućina teče brže oko izbočenih objekata, povećavajući trenje.
Pri većim brzinama (transsonično), otpor vala doseže novu razinu. Svaki od ovih oblika odbijanja varira proporcionalno ostalima ovisno o brzini. Dakle, ukupna krivulja otpora pokazuje minimum pri određenoj brzini - zrakoplov će biti na ili blizu optimalne učinkovitosti. Piloti će koristiti ovu brzinu za maksimalnu izdržljivost (minimalna potrošnja goriva) ili udaljenost klizanja u slučaju kvara motora.
Aviation Power Curve
Interakcija parazitskog i induciranog otpora kao funkcija brzine zraka može se predstaviti kao karakteristična linija. U zrakoplovstvu se to često naziva krivulja snage. Pilotima je važno jer pokazuje da je ispod određene brzine zraka, a suprotno intuiciji, potreban veći potisak kako bi se održala kako se brzina smanjuje, a ne manje. Implikacije biti "iza kulisa" u letu su važne i poučavaju se kao dio obuke pilota. Na podzvučnomzračne brzine gdje je U-oblik ove krivulje značajan, otpor vala još nije postao faktor. Zato nije prikazan na krivulji.
Kočenje u transzvučnom i nadzvučnom toku
Kompresijski valni otpor je otpor koji nastaje kada se tijelo kreće kroz stlačivu tekućinu i to brzinama blizu brzine zvuka u vodi. U aerodinamici, otpor vala ima mnogo komponenti ovisno o načinu vožnje.
U transzvučnoj aerodinamici leta, otpor vala je rezultat stvaranja udarnih valova u tekućini, koji nastaju pri stvaranju lokalnih područja nadzvučnog strujanja. U praksi se takvo gibanje događa na tijelima koja se kreću znatno ispod brzine signala, budući da se lokalna brzina zraka povećava. Međutim, potpuni nadzvučni protok preko vozila neće se razviti sve dok vrijednost ne ode mnogo dalje. Zrakoplovi koji lete transzvučnim brzinama često doživljavaju valove tijekom normalnog leta. U transzvučnom letu, ovo odbijanje se obično naziva transzvučnim otporom kompresije. Uvelike se pojačava kako se njegova brzina leta povećava, dominirajući drugim oblicima pri tim brzinama.
U nadzvučnom letu, otpor vala je rezultat udarnih valova prisutnih u tekućini i pričvršćenih za tijelo, formirajući se na prednjem i stražnjem rubu tijela. Umjesto toga, u nadzvučnim tokovima ili u trupovima s dovoljno velikim kutovima rotacijenastaju labav udar ili zakrivljeni valovi. Osim toga, lokalna područja transzvučnog strujanja mogu se pojaviti pri nižim nadzvučnim brzinama. Ponekad dovode do razvoja dodatnih udarnih valova prisutnih na površinama drugih podiznih tijela, sličnih onima u transzvučnim strujanjima. U snažnim režimima protoka, valni otpor obično se dijeli na dvije komponente:
- Supersonično podizanje ovisno o vrijednosti.
- Volume, što također ovisi o konceptu.
Rješenje zatvorenog oblika za minimalni valni otpor tijela okretanja s fiksnom duljinom pronašli su Sears i Haack i poznato je kao "Seers-Haack distribucija". Slično, za fiksni volumen, oblik za minimalni otpor valova je "Von Karman Ogive".
Busemannov dvokrilac, u principu, uopće nije podložan takvim radnjama kada radi pri projektiranoj brzini, ali također nije sposoban generirati uzgonu.
Proizvodi
Aerotunel je alat koji se koristi u istraživanju za proučavanje učinka zraka koji se kreće pokraj čvrstih objekata. Ovaj dizajn se sastoji od cjevastog prolaza s predmetom koji se ispituje postavljen u sredini. Zrak se pomiče pored objekta snažnim ventilatorskim sustavom ili na neki drugi način. Ispitni objekt, koji se često naziva model cijevi, opremljen je odgovarajućim senzorima za mjerenje zračnih sila, raspodjele tlaka ili drugihaerodinamičke karakteristike. To je također potrebno kako bi se na vrijeme uočio i ispravio problem u sustavu.
Koje su vrste zrakoplova
Pogledajmo prvo povijest. Najraniji zračni tuneli izumljeni su krajem 19. stoljeća, u prvim danima istraživanja zrakoplovstva. Tada su mnogi pokušali razviti uspješne letjelice teže od zraka. Aerotunel je zamišljen kao sredstvo za preokret konvencionalne paradigme. Umjesto stajanja na mjestu i pomicanja objekta kroz njega, isti učinak bi se dobio kada bi objekt stajao na mjestu, a zrak se kretao većom brzinom. Na taj način, stacionarni promatrač može proučavati leteći proizvod u akciji i mjeriti praktičnu aerodinamiku koja mu je nametnuta.
Razvoj cijevi pratio je razvoj zrakoplova. Veliki aerodinamički predmeti izgrađeni su tijekom Drugog svjetskog rata. Testiranje u takvoj cijevi smatralo se strateški važnim tijekom razvoja nadzvučnih zrakoplova i projektila tijekom Hladnog rata. Danas su zrakoplovi sve. I gotovo svi najvažniji događaji već su uvedeni u svakodnevni život.
Kasnije istraživanje aerotunela postalo je nešto što se podrazumijeva. Učinak vjetra na građevine ili objekte koje je napravio čovjek morao je proučavati kada su zgrade postale dovoljno visoke da vjetru predstavljaju velike površine, a rezultirajućim silama morali su se oduprijeti unutarnji elementi zgrade. Definicija takvih skupova bila je potrebna prije nego što su to mogli građevinski propisiodrediti potrebnu čvrstoću konstrukcija. I takvi se testovi i danas koriste za velike ili neobične zgrade.
Čak i kasnije, provjere su primijenjene na aerodinamički otpor automobila. Ali to nije bilo da se odrede sile kao takve, već da se uspostave načini za smanjenje snage potrebne za kretanje automobila duž kolnika pri datoj brzini. U ovim studijama interakcija između ceste i vozila igra značajnu ulogu. On je taj koji se mora uzeti u obzir pri tumačenju rezultata testa.
U stvarnoj situaciji, kolnik se pomiče u odnosu na vozilo, ali je zrak još uvijek u odnosu na cestu. Ali u aerotunelu, zrak se kreće u odnosu na cestu. Dok je potonji nepomičan u odnosu na vozilo. Neki aerotuneli testnih vozila uključuju pokretne pojaseve ispod ispitnog vozila. Ovo je da bismo se približili stvarnom stanju. Slični se uređaji koriste u konfiguracijama polijetanja i slijetanja u aerotunelu.
Oprema
Uzorci sportske opreme također su uobičajeni dugi niz godina. Među njima su bile palice i loptice za golf, olimpijski bob i biciklisti te kacige za trkaće automobile. Aerodinamika potonjeg posebno je važna u vozilima s otvorenom kabinom (Indycar, Formula One). Prekomjerna sila podizanja na kacigi može uzrokovati značajan stresna vratu vozača, a razdvajanje protoka na stražnjoj strani je turbulentna brtva i, kao rezultat toga, oslabljen vid pri velikim brzinama.
Napredak u simulacijama računalne dinamike fluida (CFD) na digitalnim računalima velike brzine smanjio je potrebu za ispitivanjem u aerotunelu. Međutim, rezultati CFD-a još uvijek nisu potpuno pouzdani, ovaj se alat koristi za provjeru predviđanja CFD-a.
