Aerodinaminis pasipriešinimas yra jėga, veikianti priešingai santykiniam bet kurio objekto judėjimui. Jis gali būti tarp dviejų kieto paviršiaus sluoksnių. Skirtingai nuo kitų varžinių rinkinių, tokių kaip sausoji trintis, kurios beveik nepriklauso nuo greičio, pasipriešinimo jėgos paklūsta nurodytai vertei. Nors pagrindinė veiksmo priežastis yra klampi trintis, turbulencija nuo jos nepriklauso. Tempimo jėga yra proporcinga laminarinio srauto greičiui.
Koncepcija
Aerodinaminis pasipriešinimas yra jėga, kuri veikia bet kurį judantį kietą kūną artėjančio skysčio kryptimi. Kalbant apie artimojo lauko aproksimaciją, pasipriešinimas yra jėgų, atsirandančių dėl slėgio pasiskirstymo objekto paviršiuje, rezultatas, simbolizuojamas D. Dėl odos trinties, kuri yra klampumo rezultatas, žymimas De. Arba, skaičiuojant srauto lauko požiūriu, jėgaatsparumas atsiranda dėl trijų gamtos reiškinių: smūginės bangos, sūkurio sluoksnio ir klampumo. Visa tai galima rasti aerodinaminio pasipriešinimo lentelėje.
Apžvalga
Slėgio pasiskirstymas, veikiantis kūno paviršių, veikia dideles jėgas. Juos, savo ruožtu, galima apibendrinti. Žemiau esantys šios vertės komponentai sudaro pasipriešinimo galią Drp, atsirandančią dėl slėgio pasiskirstymo, kuris veikia kūną. Šių jėgų prigimtis apjungia smūginės bangos efektus, sūkurių sistemos generavimą ir pažadinimo mechanizmus.
Skysčio klampumas turi didelę įtaką pasipriešinimui. Jei šio komponento nėra, slėgio jėgos, veikiančios lėtinant transporto priemonę, neutralizuojamos jėgos, esančios užpakalinėje dalyje, ir stumia transporto priemonę į priekį. Tai vadinama pakartotiniu slėgiu, dėl kurio aerodinaminis pasipriešinimas yra nulinis. Tai reiškia, kad darbas, kurį kūnas atlieka su oro srautu, yra grįžtamasis ir atgaunamas, nes nėra trinties poveikio srauto energijai paversti šiluma.
Slėgio atstatymas veikia net esant klampiam judėjimui. Tačiau ši vertė lemia galią. Tai yra dominuojantis pasipriešinimo komponentas transporto priemonėse su padalijusiais srauto regionais, kur galvos atstatymas laikomas gana neefektyviu.
Trinties jėga, kuri yra paviršiaus tangentinė galiaorlaivis, priklauso nuo ribinio sluoksnio konfigūracijos ir klampumo. Aerodinaminis pasipriešinimas, Df, apskaičiuojamas kaip pelkių rinkinių pasroviui projekcija, apskaičiuota pagal kūno paviršių.
Trinties ir atsparumo slėgiui suma vadinama klampiu atsparumu. Žvelgiant iš termodinaminės perspektyvos, pelkės efektai yra negrįžtami reiškiniai, todėl jie sukuria entropiją. Apskaičiuotas klampus pasipriešinimas Dv naudoja šios vertės pokyčius, kad būtų galima tiksliai numatyti atšokimo jėgą.
Čia taip pat reikia pateikti dujų oro tankio formulę: РV=m/MRT.
Kai orlaivis sukuria pakėlimą, yra dar vienas atstūmimo komponentas. Sukeltas pasipriešinimas, Di. Jis atsiranda dėl sūkurinės sistemos slėgio pasiskirstymo pasikeitimo, kuris lydi lifto gamybą. Alternatyvi pakėlimo perspektyva pasiekiama įvertinus oro srauto impulso pokytį. Sparnas sulaiko orą ir priverčia jį judėti žemyn. Dėl to sparną veikia vienoda ir priešinga pasipriešinimo jėga, kuri yra pakėlimas.
Pakeitus oro srauto impulsą žemyn, sumažėja atvirkštinė vertė. Kad tai yra jėgos, veikiančios į priekį ant pritaikyto sparno, rezultatas. Lygi, bet priešinga masė veikia nugarą, o tai yra sukeltas pasipriešinimas. Paprastai tai yra svarbiausias orlaivio komponentas kylant ar leidžiantis. Kitas tempimo objektas, bangos pasipriešinimas (Dw) yra dėl smūginių bangųesant transoniniams ir viršgarsiniams skrydžio mechanikos greičiams. Dėl šių ritinėlių pasikeičia ribinis sluoksnis ir slėgio pasiskirstymas kūno paviršiuje.
Istorija
Idėja, kad judantis kūnas, einantis per orą (tankio formulė) ar kitą skystį, susiduria su pasipriešinimu, buvo žinoma nuo Aristotelio laikų. Louis Charles Breguet straipsnis, parašytas 1922 m., pradėjo pastangas sumažinti pasipriešinimą optimizuojant. Autorius ir toliau įgyvendino savo idėjas, XX amžiaus 2–3 dešimtmečiais sukūrė kelis rekordinius lėktuvus. Ludwigo Prandtlio ribinio sluoksnio teorija 1920 m. paskatino sumažinti trintį.
Kitas svarbus raginimas nustatyti seką buvo seras Melville'is Jonesas, kuris pristatė teorines koncepcijas, kad įtikinamai parodytų sekos svarbą kuriant orlaivius. 1929 m. jo darbas „The Streamlined Airplane“, pristatytas Karališkajai aeronautikos draugijai, buvo reikšmingas. Jis pasiūlė idealų orlaivį, kurio pasipriešinimas būtų minimalus, todėl atsirado „švaraus“vienaplanio lėktuvo ir ištraukiamos važiuoklės koncepcija.
Vienas iš Joneso darbo aspektų, labiausiai šokiravusių to meto dizainerius, buvo jo siužetas apie arklio galią ir greitį realiame ir idealiame lėktuve. Jei pažvelgsite į orlaivio duomenų tašką ir ekstrapoliuosite jį horizontaliai iki tobulos kreivės, netrukus pamatysite, kad tokia pati galia atsipirks. Kai Jonesas baigė savo pristatymą, vienas iš klausytojųsvarbą kaip Karno ciklą termodinamikoje.
Kėlimo sukeltas pasipriešinimas
Kėlimo sukeltas atstumas atsiranda dėl trimačio kūno, pvz., orlaivio sparno ar fiuzeliažo, nuolydžio. Indukcinį stabdymą daugiausia sudaro du komponentai:
- Vilkite, nes sukursite galinius sūkurius.
- Turi papildomą klampų pasipriešinimą, kurio nėra, kai pakėlimas lygus nuliui.
Galiniai sūkuriai srauto lauke, atsirandantys dėl kūno pakėlimo, atsiranda dėl turbulencinio oro maišymosi virš objekto ir po juo, kuris dėl keltuvo sukūrimo teka keliomis skirtingomis kryptimis..
Esant kitiems parametrams, kurie išlieka tokie patys kaip ir kūno sukuriamas keltuvas, nuolydžio sukeliamas pasipriešinimas taip pat didėja. Tai reiškia, kad didėjant sparno atakos kampui, didėja ir kėlimo koeficientas, ir atšokimas. Stingimo pradžioje stipriai sumažėja linkusi aerodinaminė jėga, taip pat ir kėlimo sukeltas pasipriešinimas. Tačiau ši vertė didėja dėl to, kad po korpuso susidaro turbulentinis, neprisijungęs srautas.
Netikras vilkimas
Tai pasipriešinimas, kurį sukelia kieto objekto judėjimas per skystį. Parazitinis pasipriešinimas turi keletą komponentų, įskaitant judėjimą dėl klampaus slėgio ir paviršiaus šiurkštumo (odos trinties). Be to, kelių kūnų buvimas santykinai arti gali sukelti vadinamąjįatsparumas trukdžiams, kuris kartais apibūdinamas kaip termino komponentas.
Aviacijoje sukeltas atsakas būna stipresnis važiuojant mažesniu greičiu, nes norint išlaikyti pakilimą reikalingas didelis atakos kampas. Tačiau, didėjant greičiui, jį galima sumažinti, taip pat ir sukeltą pasipriešinimą. Tačiau parazitinis pasipriešinimas tampa didesnis, nes skystis greičiau teka aplink išsikišusius objektus, todėl padidėja trintis.
Didesniu greičiu (transonic) bangos pasipriešinimas pasiekia naują lygį. Kiekviena iš šių atstūmimo formų skiriasi proporcingai kitoms, priklausomai nuo greičio. Taigi bendra pasipriešinimo kreivė rodo minimumą esant tam tikram oro greičiui – orlaivio efektyvumas bus arba beveik optimalus. Pilotai naudos šį greitį, kad padidintų ištvermę (minimalias degalų sąnaudas) arba slydimo atstumą variklio gedimo atveju.
Aviacijos galios kreivė
Parazitinės ir sukeltos pasipriešinimo sąveika kaip oro greičio funkcija gali būti pavaizduota kaip būdinga linija. Aviacijoje tai dažnai vadinama galios kreive. Pilotams tai svarbu, nes rodo, kad mažesnis nei tam tikras oro greitis, ir priešingai, jam palaikyti reikia daugiau traukos, kai oro greitis mažėja, o ne mažesnis. „Užkulisių“pasekmės skrydžio metu yra svarbios ir yra mokomos kaip piloto mokymo dalis. Ikigarsiniuoro greičiai, kai šios kreivės U forma yra reikšminga, bangos pasipriešinimas dar netapo veiksniu. Štai kodėl jis nerodomas kreivėje.
Stabdymas transoniniu ir viršgarsiniu srautu
Suspaudimo bangos pasipriešinimas yra pasipriešinimas, kuris susidaro, kai kūnas juda per suspaudžiamą skystį ir greičiu, artimu garso greičiui vandenyje. Aerodinamikoje bangų pasipriešinimas turi daug komponentų, priklausomai nuo važiavimo režimo.
Transoninio skrydžio aerodinamikos atveju bangos pasipriešinimas yra skystyje susidariusių smūginių bangų, kurios susidaro kuriant vietines viršgarsinio srauto sritis, rezultatas. Praktiškai toks judesys atsiranda kūnams, judantiems gerokai žemiau signalo greičio, nes vietinis oro greitis didėja. Tačiau visiškas viršgarsinis srautas virš transporto priemonės neišsivys, kol vertė nepadidės. Orlaiviai, skraidantys transoniniu greičiu, įprastos skrydžio metu dažnai patiria bangų sąlygas. Transoninio skrydžio metu šis atstūmimas paprastai vadinamas transoniniu suspaudžiamumo pasipriešinimu. Jis labai sustiprėja didėjant skrydžio greičiui, o tokiu greičiu dominuoja kitos formos.
Viršgarsinio skrydžio metu bangos pasipriešinimas yra skystyje esančių smūginių bangų, prisitvirtinusių prie kūno, rezultatas, susidarančių priekiniuose ir užpakaliniuose kūno kraštuose. Viršgarsiniuose srautuose arba korpusuose su pakankamai dideliais sukimosi kampais jų bussusidaro laisvos smūginės arba lenktos bangos. Be to, vietinės transoninio srauto sritys gali atsirasti esant mažesniam viršgarsiniam greičiui. Kartais jie sukelia papildomų smūginių bangų atsiradimą ant kitų kėlimo kūnų paviršių, panašių į tas, kurios yra transoniniuose srautuose. Esant galingiems srauto režimams, bangų pasipriešinimas paprastai skirstomas į du komponentus:
- Viršgarsinis pakėlimas, priklausomai nuo vertės.
- Tūris, kuris taip pat priklauso nuo koncepcijos.
Uždaros formos sprendimą, skirtą fiksuoto ilgio sukimosi kūno minimalios bangos pasipriešinimui, rado Sears ir Haack, ir jis žinomas kaip „Seers-Haack paskirstymas“. Panašiai, esant fiksuotam garsui, minimalaus bangos pasipriešinimo forma yra „Von Karman Ogive“.
Busemann biplanui iš principo tokie veiksmai visiškai netaikomi, kai jis veikia projektiniu greičiu, tačiau jis taip pat negali generuoti keliamosios galios.
Produktai
Vėjo tunelis yra įrankis, naudojamas tyrimams tirti oro judėjimo pro kietus objektus poveikį. Ši konstrukcija susideda iš vamzdinio praėjimo, kurio viduryje yra bandomas objektas. Oras pro objektą judinamas galinga ventiliatoriaus sistema ar kitomis priemonėmis. Bandymo objektas, dažnai vadinamas vamzdžio modeliu, turi atitinkamus jutiklius oro jėgoms, slėgio pasiskirstymui ar kt.aerodinamines charakteristikas. Tai taip pat būtina norint laiku pastebėti ir pašalinti sistemos problemą.
Kokie yra orlaivių tipai
Pirmiausia pažvelkime į istoriją. Ankstyviausi vėjo tuneliai buvo išrasti XIX amžiaus pabaigoje, pirmaisiais aviacijos tyrimų laikais. Tada daugelis bandė sukurti sėkmingus sunkesnius už orą orlaivius. Vėjo tunelis buvo sumanytas kaip priemonė pakeisti įprastą paradigmą. Užuot stovėjus vietoje ir perkeliant daiktą per jį, toks pat efektas būtų gautas, jei objektas stovėtų vietoje ir oras judėtų didesniu greičiu. Tokiu būdu stacionarus stebėtojas gali ištirti skraidantį gaminį ir išmatuoti jam taikomą praktinę aerodinamiką.
Vamzdžių kūrimas lydėjo orlaivio kūrimą. Dideli aerodinaminiai daiktai buvo pastatyti Antrojo pasaulinio karo metais. Bandymai tokiame vamzdyje buvo laikomi strategiškai svarbiais kuriant viršgarsinius orlaivius ir raketas Š altojo karo metais. Šiandien orlaiviai yra bet kas. Ir beveik visi svarbiausi pokyčiai jau buvo įtraukti į kasdienį gyvenimą.
Vėliau vėjo tunelio tyrimai tapo savaime suprantamu dalyku. Vėjo poveikis žmogaus sukurtoms konstrukcijoms ar objektams turėjo būti tiriamas, kai pastatai pasidarė pakankamai aukšti, kad vėjui patektų dideli paviršiai, o atsirandančioms jėgoms turėjo atsispirti vidiniai pastato elementai. Tokių rinkinių apibrėžtis buvo reikalinga prieš statybos kodeksusnustatyti reikiamą konstrukcijų stiprumą. Tokie bandymai dideliems ar neįprastiems pastatams ir toliau naudojami iki šiol.
Dar vėliau buvo tikrinamas automobilių aerodinaminis pasipriešinimas. Tačiau tai buvo skirta ne pačių jėgų nustatymui, o būdų, kaip sumažinti galią, reikalingą automobiliui pajudėti kelio sankasomis tam tikru greičiu, sumažinti. Šiuose tyrimuose svarbų vaidmenį vaidina kelių ir transporto priemonių sąveika. Vertinant testo rezultatus, reikia atsižvelgti į jį.
Realioje situacijoje važiuojamoji dalis juda transporto priemonės atžvilgiu, bet oras vis tiek yra kelio atžvilgiu. Tačiau vėjo tunelyje oras juda kelio atžvilgiu. Pastarasis stovi transporto priemonės atžvilgiu. Kai kuriuose bandomųjų transporto priemonių vėjo tuneliuose po bandomąja transporto priemone yra judantys diržai. Taip siekiama priartėti prie tikrosios būsenos. Panašūs įtaisai naudojami vėjo tunelio konfigūracijoms kilti ir tūpti.
Įranga
Sportinio inventoriaus pavyzdžiai taip pat buvo įprasti jau daugelį metų. Tai buvo golfo lazdos ir kamuoliai, olimpiniai bobslejai ir dviratininkai bei lenktyninių automobilių šalmai. Pastarųjų aerodinamika ypač svarbi transporto priemonėse su atvira kabina („Indycar“, „Formulė 1“). Per didelė šalmo kėlimo jėga gali sukelti didelį stresąant vairuotojo kaklo, o srauto atskyrimas galinėje pusėje yra turbulentinis sandariklis ir dėl to pablogėja regėjimas važiuojant dideliu greičiu.
Skaičiavimo skysčių dinamikos (CFD) modeliavimo pažanga didelės spartos skaitmeniniuose kompiuteriuose sumažino vėjo tunelio bandymų poreikį. Tačiau CFD rezultatai vis dar nėra visiškai patikimi, šis įrankis naudojamas CFD prognozėms patikrinti.
