Aerodünaamiline takistus on jõud, mis toimib vastupidiselt mis tahes objekti suhtelisele liikumisele. See võib eksisteerida kahe tahke pinna kihi vahel. Erinev alt teistest takistustest, nagu kuivhõõrdumine, mis on peaaegu sõltumatud kiirusest, järgivad tõmbejõud etteantud väärtust. Kuigi tegevuse lõplik põhjus on viskoosne hõõrdumine, ei sõltu turbulents sellest. Tõmbejõud on võrdeline laminaarse voolukiirusega.
Konseptsioon
Aerodünaamiline takistus on jõud, mis mõjub mis tahes liikuvale tahkele kehale läheneva vedeliku suunas. Lähivälja aproksimatsiooni mõttes on takistus jõudude tulemus, mis tulenevad rõhu jaotumisest üle objekti pinna, mida sümboliseerib D. Naha hõõrdumise tõttu, mis on viskoossuse tulemus, tähistatakse De. Teise võimalusena arvutatakse vooluvälja vaatepunktist jõudvastupanu tekib kolme loodusnähtuse tagajärjel: lööklained, keeriskiht ja viskoossus. Kõik see on leitav aerodünaamilise takistuse tabelist.
Ülevaade
Keha pinnale mõjuva rõhu jaotus mõjutab suuri jõude. Need võib omakorda kokku võtta. Selle väärtuse allavoolu komponendid moodustavad tõmbejõu Drp, mis on tingitud kehale mõjuva rõhu jaotusest. Nende jõudude olemus ühendab lööklaine efektid, keerisesüsteemi tekitamise ja äratusmehhanismid.
Vedeliku viskoossus mõjutab oluliselt takistust. Selle komponendi puudumisel neutraliseeritakse sõidukit aeglustavad survejõud tagumises osas oleva jõu toimel ja lükatakse sõidukit edasi. Seda nimetatakse uuesti survestamiseks, mille tulemuseks on null aerodünaamiline takistus. See tähendab, et keha õhuvooluga tehtav töö on pöörduv ja taastatav, kuna puuduvad hõõrdemõjud, mis muudaksid voolu energia soojuseks.
Rõhu taastamine toimib ka viskoosse liikumise korral. Selle väärtuse tulemuseks on aga võimsus. See on takistuse domineeriv komponent jagatud voolupiirkondadega sõidukite puhul, kus peataastust peetakse üsna ebaefektiivseks.
Hõõrdejõud, mis on pinna tangentsiaalne jõudõhusõiduki puhul, sõltub piirdekihi konfiguratsioonist ja viskoossusest. Aerodünaamiline takistus Df arvutatakse kehapinnast hinnatud rabakogumite allavoolu projektsioonina.
Hõõrdumise ja rõhukindluse summat nimetatakse viskoostakistusteks. Termodünaamilisest vaatenurgast on rabaefektid pöördumatud nähtused ja loovad seega entroopia. Arvutatud viskoosne takistus Dv kasutab selle väärtuse muutusi tagasilöögijõu täpseks ennustamiseks.
Siin on vaja anda ka gaasi õhutiheduse valem: РV=m/MRT.
Kui õhusõiduk tekitab tõstejõudu, on tagasilöögil veel üks komponent. Indutseeritud resistentsus, Di. See tuleneb lifti tootmisega kaasnevast keerisesüsteemi rõhujaotuse muutumisest. Alternatiivne tõsteperspektiiv saavutatakse, võttes arvesse õhuvoolu impulsi muutust. Tiib püüab õhu kinni ja sunnib seda allapoole liikuma. Selle tulemuseks on võrdne ja vastupidine tõmbejõud, mis mõjub tiivale, mis on tõstejõud.
Õhuvoolu impulsi muutmine allapoole viib pöördväärtuse vähenemiseni. Et see on rakendatud tiivale edasi mõjuva jõu tulemus. Seljale mõjub võrdne, kuid vastupidine mass, mis on indutseeritud takistus. See kipub olema õhusõiduki kõige olulisem komponent stardi või maandumise ajal. Teine takistusobjekt, lainetakistus (Dw) on tingitud lööklainetestlennumehaanika trans- ja ülehelikiirusel. Need rullid põhjustavad muutusi piirkihis ja rõhu jaotuses keha pinnal.
Ajalugu
Mõte, et õhku (tihedusvalem) või muud vedelikku läbiv liikuv keha puutub kokku vastupanuga, on olnud teada juba Aristotelese ajast. Louis Charles Bregueti 1922. aastal kirjutatud artikkel alustas pingutusi optimeerimise kaudu takistuse vähendamiseks. Autor jätkas oma ideede elluviimist, luues 1920. ja 1930. aastatel mitu rekordilist lennukit. Ludwig Prandtli piirkihi teooria 1920. aastal andis stiimuli hõõrdumise minimeerimiseks.
Teise olulise üleskutse järjestamiseks tegi Sir Melville Jones, kes tutvustas teoreetilisi kontseptsioone, et veenv alt demonstreerida sekveneerimise olulisust lennukite disainis. 1929. aastal oli tema kuninglikule lennundusühingule esitatud töö The Streamlined Airplane ülioluline. Ta pakkus välja ideaalse õhusõiduki, millel oleks minimaalne takistus, mis viis "puhta" monoplaani ja sissetõmmatava veermiku kontseptsioonini.
Üks Jonesi töö aspektidest, mis tolleaegseid disainereid kõige enam vapustas, oli tema süžee hobujõu ja kiiruse vahel tõelise ja ideaalse lennuki jaoks. Kui vaatate lennuki andmepunkti ja ekstrapoleerite selle horisontaalselt täiuslikuks kõveraks, näete peagi sama võimsuse tasuvust. Kui Jones oli oma ettekande lõpetanud, siis üks kuulajatesttähtsust Carnot' tsüklina termodünaamikas.
Tõstmisest tingitud takistus
Tõste tekitatud tagasilöök tuleneb kalde loomisest kolmemõõtmelisele kehale, nagu lennukitiivale või kerele. Indutseeritud pidurdamine koosneb peamiselt kahest komponendist:
- Lohistage järelpööriste loomise tõttu.
- Täiendav viskoosne takistus, mida pole, kui tõstejõud on null.
Keha tõstmise tagajärjel tekkivad tagasipöörised vooluväljas on tingitud õhu turbulentsest segunemisest objekti kohal ja all, mis liigub tõstejõu tekitamise tulemusena mitmes erinevas suunas..
Muude parameetritega, mis jäävad keha tekitatud tõstejõuga samaks, suureneb ka kaldest tingitud takistus. See tähendab, et tiiva lööginurga kasvades suureneb tõste koefitsient, nagu ka tagasilöök. Seiskumise alguses väheneb järsult kalduv aerodünaamiline jõud, nagu ka tõstest tingitud takistus. Kuid see väärtus suureneb turbulentse lahtise voolu moodustumise tõttu pärast keha.
Ebalik lohistamine
See on takistus, mille põhjustab tahke eseme liikumine läbi vedeliku. Parasiittakistusel on mitu komponenti, sealhulgas viskoosse rõhu ja pinna kareduse (naha hõõrdumine) põhjustatud liikumine. Lisaks võib mitme keha olemasolu suhtelises läheduses põhjustada nnhäirekindlus, mida mõnikord kirjeldatakse termini komponendina.
Lennunduses kipub esilekutsutud tagasilöök madalamatel kiirustel tugevam olema, kuna tõstejõu säilitamiseks on vaja suurt lööginurka. Kiiruse kasvades saab seda aga vähendada, aga ka indutseeritud takistust. Parasiitne takistus muutub aga suuremaks, kuna vedelik voolab kiiremini ümber väljaulatuvate esemete, suurendades hõõrdumist.
Suurematel kiirustel (transooniline) saavutab lainetakistus uue taseme. Kõik need tõrjumise vormid varieeruvad sõltuv alt kiirusest proportsionaalselt teistega. Seega näitab üldine takistuskõver teatud õhukiirusel miinimumi – lennuki efektiivsus on optimaalne või selle lähedal. Piloodid kasutavad seda kiirust mootoririkke korral vastupidavuse (minimaalse kütusekulu) või libisemiskauguse maksimeerimiseks.
Lennunduse võimsuskõver
Parasiit- ja indutseeritud takistuse vastasmõju õhukiiruse funktsioonina võib esitada iseloomuliku joonena. Lennunduses nimetatakse seda sageli võimsuskõveraks. See on pilootidele oluline, kuna see näitab, et teatud õhukiirusest madalamal ja vastupidiselt on selle säilitamiseks vaja rohkem tõukejõudu, kui õhukiirus väheneb, mitte vähem. Lennu ajal "kulisside taga" viibimise tagajärjed on olulised ja neid õpetatakse piloodi koolituse raames. Allhelikiiruselõhukiirustel, kus selle kõvera U-kuju on märkimisväärne, ei ole lainetakistus veel muutunud teguriks. Sellepärast seda kõveral ei näidata.
Pidurdamine trans- ja ülehelikiirusel
Tihutuslaine takistus on takistus, mis tekib siis, kui keha liigub läbi kokkusurutava vedeliku kiirusega, mis on lähedases helikiirusele vees. Aerodünaamikas on lainetakistusel palju komponente, olenev alt sõidurežiimist.
Transoonilise lennu aerodünaamikas on lainetakistus tingitud lööklainete moodustumisest vedelikus, mis tekivad kohalike ülehelikiirusega voolualade loomisel. Praktikas toimub selline liikumine kehadel, mis liiguvad palju alla signaali kiiruse, kuna õhu kohalik kiirus suureneb. Täielik ülehelikiirus sõiduki kohal ei arene aga enne, kui väärtus on läinud palju kaugemale. Transoonilise kiirusega lendavad lennukid kogevad tavapärase lennu käigus sageli lainetingimusi. Transoonilise lennu korral nimetatakse seda tõrjumist tavaliselt transoonilise kokkusurutavuse takistuseks. See intensiivistub oluliselt, kui selle lennukiirus suureneb, domineerides nendel kiirustel teistes vormides.
Ülehelikiirusel lendudes tuleneb lainetakistus vedelikus esinevatest lööklainetest, mis on kinnitunud kehale ning moodustuvad keha esi- ja tagaservades. Ülehelikiirusega voogudes või piisav alt suure pöördenurgaga keredes on see hoopis olemastekivad lahtised lööklained või kõverad lained. Lisaks võivad madalamal ülehelikiirusel esineda kohalikud transoonilise voolu alad. Mõnikord põhjustavad need täiendavate lööklainete teket teiste tõstekehade pindadel, mis on sarnased transoonilistes voogudes leiduvatele. Võimsates voolurežiimides jagatakse lainetakistus tavaliselt kaheks komponendiks:
- Ülehelikiirus olenev alt väärtusest.
- Helitugevus, mis sõltub ka kontseptsioonist.
Fikseeritud pikkusega pöördekeha minimaalse lainetakistusega suletud vormis lahenduse leidsid Sears ja Haack ning seda tuntakse "Seers-Haacki distributsioonina". Samamoodi on fikseeritud helitugevuse puhul minimaalse lainetakistuse vorm "Von Karman Ogive".
Busemanni biplaan ei allu projekteerimiskiirusel töötades põhimõtteliselt sellisele tegevusele, kuid ei ole ka võimeline tõstma.
Tooted
Tuuletunnel on tööriist, mida kasutatakse teadusuuringutes tahketest objektidest mööda liikuva õhu mõju uurimiseks. See konstruktsioon koosneb torukujulisest läbikäigust, mille keskel on katsetatav objekt. Õhk liigub objektist mööda võimsa ventilaatorisüsteemi või muul viisil. Katseobjekt, mida sageli nimetatakse torumudeliks, on varustatud sobivate anduritega õhujõudude, rõhujaotuse või muu mõõtmiseks.aerodünaamilised omadused. See on vajalik ka süsteemi probleemi õigeaegseks märkamiseks ja parandamiseks.
Millised on lennukitüübid
Vaatame kõigepe alt ajalugu. Varaseimad tuuletunnelid leiutati 19. sajandi lõpus, lennundusuuringute algusaegadel. Just siis püüdsid paljud välja töötada edukaid õhust raskemaid lennukeid. Tuuletunnel loodi tavapärase paradigma ümberpööramise vahendina. Selle asemel, et paigal seista ja objekti läbi selle liigutada, saaks sama efekti, kui objekt seisaks paigal ja õhk liiguks suurema kiirusega. Nii saab statsionaarne vaatleja uurida lendavat toodet töös ja mõõta selle praktilist aerodünaamikat.
Lennuki arendamisega kaasnes torude arendamine. Teise maailmasõja ajal ehitati suuri aerodünaamilisi esemeid. Sellises torus katsetamist peeti külma sõja ajal ülehelikiirusega lennukite ja rakettide väljatöötamise ajal strateegiliselt oluliseks. Tänapäeval on lennukid kõik. Ja peaaegu kõik olulisemad arengud on juba igapäevaellu sisse viidud.
Hilisem tuuletunnelite uurimine muutus iseenesestmõistetavaks. Tuule mõju tehiskonstruktsioonidele või objektidele tuli uurida siis, kui hooned muutusid piisav alt kõrgeks, et tuulele tekitada suuri pindu, ning tekkivatele jõududele tuli vastu seista hoone siseelementidega. Selliste komplektide määratlus oli vajalik enne, kui ehitusnormid seda teha saidmäärata konstruktsioonide vajalik tugevus. Ja selliseid teste kasutatakse suurte või ebatavaliste hoonete puhul siiani.
Ka hiljem hakati kontrollima autode aerodünaamilist takistust. Kuid selle eesmärk ei olnud jõudude kui selliste määramine, vaid viiside leidmine võimsuse vähendamiseks, mis on vajalik auto liikumiseks mööda teepeenraid etteantud kiirusel. Nendes uuringutes mängib olulist rolli tee ja sõiduki vaheline interaktsioon. Temaga tuleb katsetulemuste tõlgendamisel arvestada.
Reaalses olukorras liigub sõidutee sõiduki suhtes, kuid õhk on siiski tee suhtes. Tuuletunnelis aga liigub õhk tee suhtes. Samal ajal kui viimane on sõiduki suhtes paigal. Mõned katsesõidukite tuuletunnelid sisaldavad katsesõiduki all liikuvaid rihmasid. Seda selleks, et jõuda tegelikule olekule lähemale. Sarnaseid seadmeid kasutatakse tuuletunneli stardi- ja maandumiskonfiguratsioonides.
Varustus
Spordivarustuse näidised on samuti olnud levinud juba aastaid. Nende hulka kuulusid golfikepid ja -pallid, olümpiabobikelgud ja jalgratturid ning võidusõiduautode kiivrid. Viimase aerodünaamika on eriti oluline avatud kabiiniga sõidukite puhul (Indycar, Formula One). Liigne tõstejõud kiivrile võib põhjustada märkimisväärset stressijuhi kaelal ja tagaküljel olev voolueraldus on turbulentne tihend ja selle tulemusena halvenenud nägemine suurtel kiirustel.
Arvutusvedeliku dünaamika (CFD) simulatsioonide edusammud kiiretel digitaalarvutitel on vähendanud vajadust tuuletunneli testimise järele. Kuid CFD tulemused ei ole ikka veel täiesti usaldusväärsed, seda tööriista kasutatakse CFD prognooside kontrollimiseks.
