Aerodinamički otpor je sila koja djeluje suprotno od relativnog kretanja bilo kojeg objekta. Može postojati između dva sloja čvrste površine. Za razliku od drugih otpornih skupova, kao što je suho trenje, koje su gotovo neovisne o brzini, sile otpora podliježu datoj vrijednosti. Iako je krajnji uzrok djelovanja viskozno trenje, turbulencija je neovisna o tome. Sila otpora je proporcionalna brzini laminarnog toka.
Concept
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 pritiska po površini objekta, što je simbolizirano sa D. Zbog trenja kože, koje je rezultat viskoznosti, označava se De. Alternativno, izračunata sa stanovišta polja protoka, silaotpor nastaje kao rezultat tri prirodna fenomena: udarni valovi, vrtložni sloj i viskozitet. Sve ovo se može naći u tabeli aerodinamičkog otpora.
Pregled
Distribucija pritiska koji deluje na površinu tela utiče 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 kombinuje efekte udarnog talasa, stvaranje vrtložnog sistema i mehanizme buđenja.
Viskozitet tečnosti ima značajan uticaj 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 zove repritisak, što rezultira nultim aerodinamičkim otporom. To jest, rad koji tijelo obavlja na protoku zraka je reverzibilan i povrativ jer ne postoje efekti trenja za pretvaranje energije strujanja u toplinu.
Oporavak pritiska radi čak iu slučaju viskoznog kretanja. Ova vrijednost, međutim, rezultira snagom. To je dominantna komponenta otpora u slučaju vozila sa podijeljenim područjima protoka gdje se oporavak glave smatra prilično neefikasnim.
Sila trenja, koja je tangencijalna snaga na površiniaviona, zavisi od konfiguracije graničnog sloja i viskoziteta. Aerodinamički otpor, Df, izračunava se kao nizvodna projekcija močvarnih skupova procijenjena sa površine tijela.
Zbir 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 precizno predviđanje sile odbijanja.
Ovde je potrebno dati i formulu za gustinu vazduha za gas: RV=m/MRT.
Kada avion proizvodi uzgon, postoji još jedna komponenta povratka. Inducirani otpor, Di. Nastaje zbog promjene raspodjele pritiska vrtložnog sistema koji prati proizvodnju lifta. Alternativna perspektiva dizanja postiže se razmatranjem promjene momenta protoka zraka. Krilo presreće vazduh i tera ga da se pomeri prema dole. Ovo rezultira jednakom i suprotnom silom otpora koja djeluje na krilo, što je podizanje.
Promena momenta protoka vazduha naniže dovodi do smanjenja reverzne vrednosti. Da je to rezultat sile koja djeluje naprijed na primijenjeno krilo. Jednaka, ali suprotna masa djeluje na stražnju stranu, što je inducirani otpor. Obično je najvažnija komponenta aviona tokom poletanja ili sletanja. Drugi objekat povlačenja, valni otpor (Dw) nastaje zbog udarnih talasapri transzvučnim i nadzvučnim brzinama mehanike leta. Ovi valjci uzrokuju promjene u graničnom sloju i raspodjeli pritiska na površini tijela.
Historija
Ideja da tijelo koje se kreće prolazeći kroz zrak (formula gustine) ili drugu tečnost nailazi na otpor je poznata još od vremena Aristotela. Članak Louisa Charlesa Bregueta napisan 1922. godine započeo je nastojanje da se smanji otpor kroz optimizaciju. Autor je nastavio da oživljava svoje ideje, stvarajući nekoliko rekordnih aviona 1920-ih i 1930-ih godina. Teorija graničnog sloja Ludwiga Prandtla iz 1920. godine 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 aviona. Godine 1929., njegov rad The Streamlined Airplane predstavljen Kraljevskom aeronautičkom društvu bio je revolucionaran. Predložio je idealan avion koji bi imao minimalan otpor, što je dovelo do koncepta "čistog" monoplana i podvozja koji se može uvlačiti.
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 tačku podataka za avion i ekstrapolirate je horizontalno do savršene krive, uskoro ćete vidjeti isplatu za istu snagu. Kada je Džons završio svoje izlaganje, jedan od slušalacanivo 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 aviona. Indukovano kočenje se uglavnom sastoji od dvije komponente:
- Vuci zbog stvaranja vrtloga koji prate.
- 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 podizanja.
S ostalim parametrima koji ostaju isti kao i podizanje koje stvara tijelo, otpor uzrokovan nagibom se također povećava. To znači da kako se napadni ugao krila povećava, koeficijent uzgona raste, kao i odskok. Na početku zastoja, aerodinamička sila u ležećem položaju dramatično se smanjuje, kao i otpor izazvan podizanjem. Ali ova vrijednost se povećava zbog formiranja turbulentnog nevezanog toka nakon tijela.
Lažno povlačenje
Ovo je otpor uzrokovan kretanjem čvrstog predmeta kroz tečnost. Parazitski otpor ima nekoliko komponenti, uključujući kretanje zbog viskoznog pritiska i zbog hrapavosti površine (trenje kože). Osim toga, prisustvo više tijela u relativnoj blizini može uzrokovati tzvotpornost na smetnje, koja se ponekad opisuje kao komponenta pojma.
U vazduhoplovstvu, indukovani povratni udar ima tendenciju da bude jači pri nižim brzinama jer je potreban veliki napadni ugao da bi se održalo podizanje. Međutim, kako se brzina povećava, ona se može smanjiti, kao i inducirani otpor. Parazitski otpor, međutim, postaje veći jer tečnost teče brže oko izbočenih objekata, povećavajući trenje.
Pri većim brzinama (transsonično), otpor talasa dostiže novi nivo. Svaki od ovih oblika odbijanja varira proporcionalno ostalima u zavisnosti od brzine. Dakle, ukupna krivulja otpora pokazuje minimum pri određenoj brzini - avion će biti na ili blizu optimalne efikasnosti. Piloti će koristiti ovu brzinu da maksimiziraju izdržljivost (minimalna potrošnja goriva) ili udaljenost klizanja u slučaju kvara motora.
Aviation Power Curve
Interakcija parazitskog i indukovanog otpora kao funkcija brzine vazduha može se predstaviti kao karakteristična linija. U avijaciji, ovo se često naziva krivom snage. Pilotima je važno jer pokazuje da je ispod određene brzine, a suprotno intuiciji, potreban veći potisak kako bi se održala kako se brzina smanjuje, a ne manje. Implikacije "iza kulisa" u letu su važne i uče se kao dio obuke pilota. Na podzvučnomvazdušne brzine kod kojih je U-oblik ove krive značajan, otpor talasa još nije postao faktor. Zato nije prikazan na krivulji.
Kočenje u transzvučnom i nadzvučnom toku
Vlasni otpor kompresije je otpor koji nastaje kada se tijelo kreće kroz kompresibilnu tekućinu i pri brzinama bliskim brzini zvuka u vodi. U aerodinamici, otpor talasa ima mnogo komponenti u zavisnosti od načina vožnje.
U transzvučnoj aerodinamici leta, otpor talasa je rezultat formiranja udarnih talasa u tečnosti, koji nastaju prilikom stvaranja lokalnih područja nadzvučnog strujanja. U praksi se takvo kretanje događa na tijelima koja se kreću znatno ispod brzine signala, jer 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 tokom normalnog toka leta. U transzvučnom letu, ovo odbijanje se obično naziva transzvučnim otporom kompresije. Uvelike se intenzivira kako se njegova brzina leta povećava, dominirajući drugim oblicima pri tim brzinama.
U nadzvučnom letu, otpor talasa je rezultat udarnih talasa prisutnih u tečnosti i vezanih za telo, formirajući se na prednjoj i zadnjoj ivici tela. U nadzvučnim tokovima, ili u trupovima s dovoljno velikim uglovima rotacije, postojaćeformiraju se 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 koji se nalaze u transzvučnim strujanjima. U moćnim režimima protoka, otpor talasa se obično deli na dve komponente:
- Supersonično podizanje u zavisnosti od vrijednosti.
- Zapremina, koja takođe zavisi od koncepta.
Rešenje zatvorenog oblika za minimalni talasni otpor obrtnog tela sa fiksnom dužinom su pronašli Sears i Haack i poznato je kao "Seers-Haack distribucija". Slično, za fiksni volumen, oblik za minimalni otpor talasa je "Von Karman Ogive".
Busemannov dvokrilac, u principu, uopšte nije podložan takvoj akciji kada radi pri projektovanoj brzini, ali takođe nije sposoban da generiše uzgon.
Proizvodi
Aerotunel je alat koji se koristi u istraživanju za proučavanje uticaja vazduha koji se kreće pored čvrstih objekata. Ovaj dizajn se sastoji od cevastog prolaza sa predmetom koji se ispituje postavljen u sredini. Zrak se pomiče pored objekta pomoću moćnog sistema ventilatora ili na neki drugi način. Ispitni objekat, koji se često naziva model cijevi, opremljen je odgovarajućim senzorima za mjerenje zračnih sila, raspodjele pritiska ili drugihaerodinamičke karakteristike. Ovo je takođe neophodno da bi se na vreme uočio i otklonio problem u sistemu.
Koje su vrste aviona
Pogledajmo prvo istoriju. Najraniji aerotuneli izmišljeni su krajem 19. vijeka, u ranim danima istraživanja avijacije. Tada su mnogi pokušali da razviju uspješne avione teže od zraka. Aerotunel je zamišljen kao sredstvo za preokret konvencionalne paradigme. Umjesto stajanja i pomicanja objekta kroz njega, isti efekat bi se postigao kada bi objekt stajao u mjestu, a zrak se kretao većom brzinom. Na ovaj način, stacionarni posmatrač može proučavati leteći proizvod u akciji i izmjeriti praktičnu aerodinamiku koja mu je nametnuta.
Razvoj cijevi pratio je razvoj aviona. Veliki aerodinamički predmeti napravljeni su tokom Drugog svetskog rata. Testiranje u takvoj cijevi smatrano je strateški važnim tokom razvoja nadzvučnih aviona i projektila tokom Hladnog rata. Danas su avioni sve. I skoro svi najvažniji događaji su već uvedeni u svakodnevni život.
Kasnije istraživanje aerotunela postalo je nešto što se podrazumeva. Utjecaj vjetra na strukture ili objekte koje je napravio čovjek morao je proučavati kada su zgrade postale dovoljno visoke da vjetru predstave velike površine, a rezultirajućim silama morali su se oduprijeti unutrašnji elementi zgrade. Definicija ovakvih skupova bila je potrebna prije nego što su to mogli građevinski kodoviodrediti potrebnu čvrstoću konstrukcija. I takvi testovi se 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 utvrde načini za smanjenje snage potrebne da se automobil pomjeri duž dna puta pri datoj brzini. U ovim studijama, interakcija između ceste i vozila igra značajnu ulogu. On je taj koji se mora uzeti u obzir prilikom tumačenja rezultata testa.
U stvarnoj situaciji, kolovoz se pomera u odnosu na vozilo, ali je vazduh i dalje u odnosu na put. Ali u aerotunelu, vazduh se kreće u odnosu na cestu. Dok potonji miruje u odnosu na vozilo. Neki aerotuneli testnih vozila uključuju pokretne pojaseve ispod ispitnog vozila. Ovo je da se približi stvarnom stanju. Slični uređaji se koriste u konfiguracijama poletanja i sletanja u aerotunelu.
Oprema
Uzorci sportske opreme takođe 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 je posebno važna kod vozila s otvorenom kabinom (Indycar, Formula 1). Prekomjerna sila podizanja na kacigi može uzrokovati značajan stresna vratu vozača, a razdvajanje protoka na zadnjoj strani je turbulentno zaptivanje i, kao rezultat toga, oslabljen vid pri velikim brzinama.
Napredak u simulacijama računarske dinamike fluida (CFD) na digitalnim računarima velike brzine smanjio je potrebu za testiranjem u aerotunelu. Međutim, CFD rezultati još uvijek nisu potpuno pouzdani, ovaj alat se koristi za provjeru CFD predviđanja.
