Aerodinamiskā pretestība ir spēks, kas darbojas pretēji jebkura objekta relatīvajai kustībai. Tas var pastāvēt starp diviem cietas virsmas slāņiem. Atšķirībā no citiem pretestības komplektiem, piemēram, sausās berzes, kas ir gandrīz neatkarīgi no ātruma, pretestības spēki pakļaujas noteiktai vērtībai. Lai gan darbības galvenais iemesls ir viskozā berze, turbulence no tās nav atkarīga. Vilces spēks ir proporcionāls laminārās plūsmas ātrumam.
Koncepcija
Aerodinamiskā pretestība ir spēks, kas iedarbojas uz jebkuru kustīgu cietu ķermeni pretimnākošā šķidruma virzienā. Runājot par tuvā lauka aproksimāciju, pretestība ir spēku rezultāts, ko rada spiediena sadalījums pa objekta virsmu, ko simbolizē D. Ādas berzes dēļ, kas ir viskozitātes rezultāts, apzīmē De. Alternatīvi, aprēķina no plūsmas lauka viedokļa, spēkupretestība rodas trīs dabas parādību rezultātā: triecienviļņi, virpuļslānis un viskozitāte. To visu var atrast aerodinamiskās pretestības tabulā.
Pārskats
Spiediena sadalījums, kas iedarbojas uz ķermeņa virsmu, ietekmē lielus spēkus. Tos savukārt var rezumēt. Šīs vērtības pakārtotie komponenti veido pretestības spēku Drp, kas rodas spiediena sadalījuma dēļ, kas ietekmē ķermeni. Šo spēku būtība apvieno triecienviļņu efektus, virpuļu sistēmas ģenerēšanu un modināšanas mehānismus.
Šķidruma viskozitātei ir būtiska ietekme uz pretestību. Ja šī komponenta nav, spiediena spēki, kas darbojas, lai palēninātu transportlīdzekli, tiek neitralizēti ar spēku, kas atrodas aizmugurē, un virza transportlīdzekli uz priekšu. To sauc par atkārtotu spiedienu, kā rezultātā aerodinamiskā pretestība ir nulle. Tas nozīmē, ka darbs, ko ķermenis veic gaisa plūsmai, ir atgriezenisks un atjaunojams, jo nav berzes ietekmes, lai plūsmas enerģija pārvērstu siltumā.
Spiediena atjaunošana darbojas pat viskozas kustības gadījumā. Tomēr šī vērtība rada jaudu. Tā ir dominējošā pretestības sastāvdaļa transportlīdzekļiem ar dalītas plūsmas reģioniem, kur galvas atgūšana tiek uzskatīta par diezgan neefektīvu.
Berzes spēks, kas ir virsmas tangenciālā jaudagaisa kuģis, ir atkarīgs no robežslāņa konfigurācijas un viskozitātes. Aerodinamiskā pretestība, Df, tiek aprēķināta kā purva kopu lejupvērsta projekcija, kas aprēķināta no ķermeņa virsmas.
Berzes un spiediena pretestības summu sauc par viskozo pretestību. No termodinamiskā viedokļa purva efekti ir neatgriezeniskas parādības, un tādējādi tie rada entropiju. Aprēķinātajā viskozā pretestībā Dv tiek izmantotas šīs vērtības izmaiņas, lai precīzi prognozētu atsitiena spēku.
Šeit ir jānorāda arī formula gaisa blīvumam gāzei: РV=m/MRT.
Kad gaisa kuģis rada pacēlumu, ir vēl viena atgrūšanas sastāvdaļa. Izraisītā pretestība, Di. Tas rodas no virpuļsistēmas spiediena sadalījuma izmaiņām, kas pavada lifta ražošanu. Alternatīva pacelšanas perspektīva tiek sasniegta, ņemot vērā gaisa plūsmas impulsa izmaiņas. Spārns pārtver gaisu un liek tam virzīties uz leju. Tā rezultātā uz spārnu iedarbojas vienāds un pretējs pretestības spēks, kas ir pacelšana.
Mainot gaisa plūsmas impulsu uz leju, tiek samazināta apgrieztā vērtība. Ka tas ir spēka, kas iedarbojas uz priekšu uz pielietoto spārnu, rezultāts. Vienlīdzīga, bet pretēja masa iedarbojas uz muguru, kas ir izraisītā pretestība. Tā mēdz būt vissvarīgākā gaisa kuģa sastāvdaļa pacelšanās vai nolaišanās laikā. Vēl viens vilkšanas objekts, viļņu vilkšana (Dw) ir triecienviļņu dēļlidojuma mehānikas transonic un virsskaņas ātrumos. Šie ruļļi izraisa izmaiņas robežslānī un spiediena sadalījumā pa ķermeņa virsmu.
Vēsture
Ideja, ka kustīgs ķermenis, kas iet caur gaisu (blīvuma formula) vai cits šķidrums, saskaras ar pretestību, ir zināms kopš Aristoteļa laikiem. Luisa Čārlza Brege (Luis Charles Breguet) raksts, kas tika uzrakstīts 1922. gadā, aizsāka centienus samazināt vilkšanu, izmantojot optimizāciju. Autors turpināja īstenot savas idejas, 20. gadsimta 20. un 30. gados izveidojot vairākas rekordlielas lidmašīnas. Ludviga Prandtla robežslāņa teorija 1920. gadā radīja stimulu samazināt berzi.
Vēl vienu svarīgu aicinājumu veikt secību izteica sers Melvils Džonss, kurš iepazīstināja ar teorētiskām koncepcijām, lai pārliecinoši parādītu sekvencēšanas nozīmi gaisa kuģu konstrukcijā. 1929. gadā viņa darbs The Streamlined Airplane, kas tika iesniegts Karaliskajai aeronautikas biedrībai, bija nozīmīgs. Viņš ierosināja ideālu lidmašīnu, kam būtu minimāla pretestība, tādējādi radot koncepciju par "tīru" monoplānu un ievelkamu šasiju.
Viens no Džonsa darba aspektiem, kas visvairāk šokēja tā laika dizainerus, bija viņa zirgspēku un ātruma sižets īstai un ideālai lidmašīnai. Ja skatāties uz gaisa kuģa datu punktu un ekstrapolējat to horizontāli līdz nevainojamai līknei, drīz varēsit redzēt atlīdzību par tādu pašu jaudu. Kad Džonss bija pabeidzis prezentāciju, viens no klausītājiemnozīmes līmenis kā Karno cikls termodinamikā.
Pacelšanas izraisīta pretestība
Pacelšanas izraisītā pretreakcija rodas, izveidojot slīpumu uz trīsdimensiju korpusa, piemēram, lidmašīnas spārna vai fizelāžas. Inducētā bremzēšana galvenokārt sastāv no divām sastāvdaļām:
- Velciet, jo tiek izveidoti beigu virpuļi.
- Ir papildu viskozā pretestība, kas nepastāv, kad pacelšana ir nulle.
Aizmugurējie virpuļi plūsmas laukā, kas rodas ķermeņa pacelšanas rezultātā, rodas gaisa turbulentas sajaukšanās rezultātā virs un zem objekta, kas plūst vairākos dažādos virzienos, radot liftu..
Ar citiem parametriem, kas paliek tādi paši kā ķermeņa radītais pacēlums, palielinās arī slīpuma radītā pretestība. Tas nozīmē, ka, palielinoties spārna uzbrukuma leņķim, palielinās pacelšanas koeficients, kā arī palielinās atsitiens. Apstāšanās sākumā krasi samazinās aerodinamiskais spēks, kā arī pacelšanas izraisītā pretestība. Bet šī vērtība palielinās, jo pēc korpusa veidojas turbulenta nesaistīta plūsma.
Nepatiesa vilkšana
Šī ir pretestība, ko izraisa cieta objekta kustība caur šķidrumu. Parazītiskajai pretestībai ir vairākas sastāvdaļas, tostarp kustība viskoza spiediena un virsmas raupjuma (ādas berzes) dēļ. Turklāt vairāku ķermeņu atrašanās relatīvā tuvumā var izraisīt t.spretestība pret traucējumiem, kas dažkārt tiek aprakstīta kā termina sastāvdaļa.
Aviācijā inducētā pretreakcija mēdz būt spēcīgāka pie mazākiem ātrumiem, jo ir nepieciešams augsts uzbrukuma leņķis, lai saglabātu pacēlumu. Taču, pieaugot ātrumam, to var samazināt, kā arī izraisīto pretestību. Tomēr parazītiskā pretestība kļūst lielāka, jo šķidrums ātrāk plūst ap izvirzītiem objektiem, palielinot berzi.
Lielākos ātrumos (transonic) viļņu pretestība sasniedz jaunu līmeni. Katrs no šiem atgrūšanas veidiem atšķiras proporcionāli citiem atkarībā no ātruma. Tātad kopējā pretestības līkne parāda minimumu pie noteikta gaisa ātruma - lidmašīna būs ar vai tuvu optimālai efektivitātei. Piloti izmantos šo ātrumu, lai palielinātu izturību (minimālo degvielas patēriņu) vai slīdēšanas attālumu dzinēja atteices gadījumā.
Aviācijas jaudas līkne
Parazītiskās un inducētās pretestības mijiedarbību kā gaisa ātruma funkciju var attēlot kā raksturīgu līniju. Aviācijā to bieži dēvē par jaudas līkni. Tas ir svarīgi pilotiem, jo tas parāda, ka zem noteikta gaisa ātruma, un pretēji intuitīvi, ir nepieciešams lielāks vilces spēks, lai to uzturētu, samazinoties gaisa ātrumam, nevis mazākam. Lidojuma "aizkulisēs" ietekme ir svarīga, un to māca kā daļu no pilotu apmācības. Zemskaņas režīmāgaisa ātrumiem, kur šīs līknes U forma ir nozīmīga, viļņu pretestība vēl nav kļuvusi par faktoru. Tāpēc tas nav parādīts līknē.
Bremzēšana transoniskā un virsskaņas plūsmā
Saspiešanas viļņu pretestība ir pretestība, kas rodas, ķermenim pārvietojoties pa saspiežamu šķidrumu un ar ātrumu, kas ir tuvu skaņas ātrumam ūdenī. Aerodinamikā viļņu pretestībai ir daudz komponentu atkarībā no braukšanas režīma.
Transoniskā lidojuma aerodinamikā viļņu pretestība ir triecienviļņu veidošanās rezultāts šķidrumā, kas veidojas, veidojot lokālas virsskaņas plūsmas zonas. Praksē šāda kustība notiek uz ķermeņiem, kas pārvietojas krietni zem signāla ātruma, jo palielinās gaisa lokālais ātrums. Tomēr pilna virsskaņas plūsma pār transportlīdzekli neattīstīsies, kamēr vērtība nebūs daudz lielāka. Lidmašīnas, kas lido ar transonisku ātrumu, parastā lidojuma laikā bieži piedzīvo viļņu apstākļus. Transoniskā lidojumā šo atgrūšanu parasti sauc par transoniskās saspiežamības pretestību. Tas ievērojami pastiprinās, palielinoties lidojuma ātrumam, dominējot citos veidos ar šiem ātrumiem.
Virskaņas lidojumā viļņu pretestība ir triecienviļņu rezultāts, kas atrodas šķidrumā un ir piesaistīti ķermenim, veidojoties ķermeņa priekšējās un aizmugurējās malās. Virsskaņas plūsmās vai korpusos ar pietiekami lieliem griešanās leņķiem tā vietā būsveidojas vaļīgi triecieni vai izliekti viļņi. Turklāt vietējās transoniskās plūsmas zonas var rasties pie mazākiem virsskaņas ātrumiem. Dažreiz tie izraisa papildu triecienviļņus, kas atrodas uz citu liftu ķermeņu virsmām, līdzīgi tiem, kas sastopami transoniskajās plūsmās. Spēcīgos plūsmas režīmos viļņu pretestība parasti tiek sadalīta divās daļās:
- Virsskaņas pacelšana atkarībā no vērtības.
- Skaļums, kas ir atkarīgs arī no koncepcijas.
Slēgtas formas risinājumu minimālajai viļņu pretestībai apgriezienu korpusam ar fiksētu garumu atrada Sears un Haack, un tas ir pazīstams kā "Seers-Haack sadalījums". Tāpat fiksētam skaļumam minimālās viļņu pretestības forma ir "Von Karman Ogive".
Busemann divplāksnis principā nav pakļauts šādai darbībai, ja tas darbojas projektētajā ātrumā, taču tas arī nespēj radīt pacēlumu.
Produkti
Vēja tunelis ir rīks, ko izmanto pētījumos, lai pētītu ietekmi, ko gaiss pārvietojas garām cietiem objektiem. Šis dizains sastāv no cauruļveida ejas, kuras vidū ir novietots pārbaudāmais objekts. Gaiss tiek pārvietots garām objektam ar jaudīgu ventilatora sistēmu vai citiem līdzekļiem. Testa objekts, ko bieži dēvē par caurules modeli, ir aprīkots ar atbilstošiem sensoriem gaisa spēku, spiediena sadalījuma vai citu mērīšanai.aerodinamiskās īpašības. Tas nepieciešams arī, lai savlaicīgi pamanītu un novērstu problēmu sistēmā.
Kādi ir lidaparātu veidi
Vispirms ieskatīsimies vēsturē. Agrākie vēja tuneļi tika izgudroti 19. gadsimta beigās, aviācijas pētījumu sākumposmā. Toreiz daudzi mēģināja izstrādāt veiksmīgas par gaisu smagākas lidmašīnas. Vēja tunelis tika iecerēts kā līdzeklis tradicionālās paradigmas maiņai. Tā vietā, lai stāvētu uz vietas un pārvietotu objektu caur to, tāds pats efekts tiktu iegūts, ja objekts stāvētu uz vietas un gaiss kustētos ar lielāku ātrumu. Tādā veidā stacionārs novērotājs var pētīt lidojošo produktu darbībā un izmērīt tam uzlikto praktisko aerodinamiku.
Cauruļu izstrāde pavadīja lidmašīnas attīstību. Otrā pasaules kara laikā tika uzbūvēti lieli aerodinamiski priekšmeti. Testēšana šādā caurulē tika uzskatīta par stratēģiski svarīgu virsskaņas lidmašīnu un raķešu izstrādes laikā aukstā kara laikā. Mūsdienās lidmašīnas ir jebkas. Un gandrīz visas svarīgākās norises jau ir ieviestas ikdienas dzīvē.
Vēlāk vēja tuneļa izpēte kļuva par pašsaprotamu lietu. Vēja ietekme uz cilvēka radītām konstrukcijām vai objektiem bija jāizpēta, kad ēkas kļuva pietiekami augstas, lai vējam pakļautu lielas virsmas, un radušos spēkus nācās pretoties ēkas iekšējiem elementiem. Šādu komplektu definīcija bija nepieciešama pirms būvnormatīviemnoteikt nepieciešamo konstrukciju stiprību. Un šādus testus joprojām izmanto lielām vai neparastām ēkām.
Arī vēlāk tika veiktas automašīnu aerodinamiskās pretestības pārbaudes. Bet tas nebija, lai noteiktu spēkus kā tādus, bet gan lai noteiktu veidus, kā samazināt jaudu, kas nepieciešama, lai automašīnu pārvietotu pa ceļa gultnēm noteiktā ātrumā. Šajos pētījumos nozīmīga loma ir ceļa un transportlīdzekļa mijiedarbībai. Tieši viņš ir jāņem vērā, interpretējot testa rezultātus.
Reālā situācijā brauktuve pārvietojas attiecībā pret transportlīdzekli, bet gaiss joprojām ir attiecībā pret ceļu. Bet vēja tunelī gaiss pārvietojas attiecībā pret ceļu. Kamēr pēdējais ir nekustīgs attiecībā pret transportlīdzekli. Dažos testa transportlīdzekļu vēja tuneļos zem testa transportlīdzekļa ir iekļautas kustīgas jostas. Tas ir paredzēts, lai tuvotos faktiskajam stāvoklim. Līdzīgas ierīces tiek izmantotas vēja tuneļa pacelšanās un nosēšanās konfigurācijās.
Aprīkojums
Sporta inventāra paraugi arī ir izplatīti jau daudzus gadus. Tie ietvēra golfa nūjas un bumbas, olimpiskos bobslejas un riteņbraucējus, kā arī sacīkšu automašīnu ķiveres. Pēdējā aerodinamika ir īpaši svarīga transportlīdzekļos ar atvērtu kabīni (Indycar, Formula One). Pārmērīgs ķiveres pacelšanas spēks var radīt ievērojamu stresuuz vadītāja kakla, un plūsmas atdalīšana aizmugurē ir vētraina blīve un rezultātā tiek traucēta redze lielā ātrumā.
Attīstība skaitļošanas šķidruma dinamikas (CFD) simulācijās ātrdarbīgos digitālajos datoros ir samazinājusi vajadzību pēc vēja tuneļa testēšanas. Tomēr CFD rezultāti joprojām nav pilnībā ticami, šis rīks tiek izmantots, lai pārbaudītu CFD prognozes.
