Аеродинамично съпротивление. Фронтална устойчивост. Аеродинамична тръба

Аеродинамичното съпротивление е сила, действаща в противовес на относителното движение на всеки обект. Тя може да съществува между два слоя твърда повърхност. За разлика от други съпротивителни сили, като например сухото триене, което почти не зависи от скоростта, силите на съпротивление се подчиняват на определена стойност. Въпреки че крайната причина за действието е вискозното триене, турбулентността не зависи от него. Силата на съпротивление е пропорционална на скоростта на ламинарния поток.

Концепцията

Аеродинамичното съпротивление е силата, която действа на всяко движещо се твърдо тяло по посока на течащата среда на входящия поток. По отношение на приближението на близкото поле съпротивлението е резултат от силите, дължащи се на разпределението на налягането върху повърхността на обекта, символизирано с D. Заради кожното триене, което е резултат от вискозитета, се означава с De. Алтернативно, силата на съпротивление, изчислена по отношение на полето на потока, е резултат от три природни явления: ударни вълни, вихров слой и вискозитет. Всичко това може да се намери в таблицата за аеродинамичното съпротивление.

Преглед

Разпределението на налягането, действащо върху повърхността на тялото, оказва влияние върху големите сили. Те от своя страна могат да бъдат обобщени. Компонентите на тази стойност, които действат надолу по веригата, представляват мощността на съпротивлението, Drp, дължаща се на разпределението на налягането, което въздейства върху тялото. Характерът на тези сили съчетава въздействието на ударната вълна, генерирането на вихри и механизмите за проследяване.

Вискозитетът на флуида оказва значително влияние върху съпротивлението. При липса на тази компонента на силата на натиск, действаща за забавяне на движението на превозното средство, се неутрализират от кърмата на двигателя, която тласка автомобила напред. Това се нарича възстановяване на налягането, което води до нулево аеродинамично съпротивление. Това означава, че работата, която тялото извършва върху въздушната струя, е обратима и възстановима, тъй като няма ефекти на триене, които да превръщат енергията на струята в топлина.

Възстановяването на налягането е валидно дори в случай на вискозно движение. Тази стойност обаче води до мощност. Това е доминиращият компонент на съпротивлението при превозни средства с разделени зони на потока, при които възстановяването на напора се счита за доста неефективно.

Силата на триене, която е тангенциална сила върху повърхността на въздухоплавателното средство, зависи от конфигурацията на граничния слой и вискозитета. Аеродинамичното съпротивление, Df, се изчислява като проекция на множествата от квагми надолу по течението, изчислени от повърхността на тялото.

Сумата от триенето и отблъскването под налягане се нарича вискозно съпротивление. От гледна точка на термодинамиката ефектите на квадрантите са необратими явления и следователно създават ентропия. Изчисленото вискозно съпротивление Dv използва промените в тази стойност, за да предвиди точно силата на противоналягането.

Тук трябва да дадем и формулата за плътността на въздуха за газ: P*V=m/M * R*T.

Когато въздухоплавателното средство създава подемна сила, има още един компонент на хлабина. Индуцирано съпротивление, Di. Тя се дължи на промяната в разпределението на налягането във вихровата система, която съпътства създаването на подемна сила. Алтернативна гледна точка към подемната сила се постига чрез разглеждане на промяната в инерцията на въздушния поток. Крилото прихваща въздуха и го насочва надолу. В резултат на това върху крилото действа равна и противоположна сила на съпротивление, която е подемна сила.

Промяната на импулса на въздуха в посока надолу води до намаляване на обратната стойност на. Това е резултат от прилагането на предната сила, действаща върху крилото. Еднаква, но противоположна маса действа върху задната част, което е индуцирано съпротивление. Той обикновено е най-важният компонент за въздухоплавателните средства по време на излитане или кацане. Друг обект на съпротивление, вълновото съпротивление (Dw), се дължи на ударните вълни при дозвукови и свръхзвукови скорости механика на полета. Тези ролки предизвикват промени в граничния слой и разпределението на налягането по повърхността на тялото.

История

Идеята, че движещо се тяло, преминаващо през въздух (формула за плътност) или друг флуид, среща съпротивление, е известна още от времето на Аристотел. В статия на Луи Шарл Бреге, написана през 1922 г., се поставя началото на усилията за намаляване на съпротивлението чрез оптимизиране на. Авторът продължава да реализира идеите си, като през 1920 и 1930 г. построява няколко самолета рекордьори. Теорията за граничните слоеве на Лудвиг Прандл през 1920 г. дава тласък за намаляване на триенето.

Друг важен призив за рационализация е отправен от сър Мелвил Джоунс, който представя теоретични концепции, за да докаже убедително значението на рационализацията при проектирането на самолети. Докладът му от 1929 г. "Обтекаем самолет", представен пред Кралското аеронавтично дружество, е плодотворен. Той предлага идеалния самолет, който да има минимално съпротивление, което води до концепцията за "чист" моноплан и прибиращо се шаси.

Един от аспектите на работата на Джоунс, който най-много шокира конструкторите по онова време, е неговата графика на зависимостта между мощността и скоростта за реален и идеален самолет. Ако разгледате точката с данни за самолет и я екстраполирате хоризонтално към идеалната крива, можете да видите увеличението на скоростта при същата мощност. Когато Джоунс завърши презентацията си, един от присъстващите нарече резултатите от същото ниво на важност като цикъла на Карно в термодинамиката.

Влечение, предизвикано от повдигането

Съпротивлението, причинено от подемната сила, е резултат от създаването на наклон върху триизмерно тяло, като крилото или фюзелажа на самолет. Индуктивното спиране се състои основно от два компонента:

• Съпротивление, дължащо се на образуването на вихри.
• Наличието на допълнително вискозно съпротивление, което не е налице, когато подемната сила е нула.

Обратните вихри в полето на потока, които се появяват в резултат на повдигането на тялото, се дължат на турбулентното смесване на въздуха над и под обекта, който тече в няколко различни посоки в резултат на създаването на подемна сила.

При запазване на другите параметри, както и при издигането, създавано от тялото, съпротивлението, причинено от наклона, също се увеличава. Това означава, че с увеличаване на ъгъла на атака на крилото коефициентът на подемна сила се увеличава, както и съпротивлението. В началото на прелитането предната аеродинамична сила намалява драстично, както и съпротивлението, причинено от подемната сила. Но тази стойност се увеличава поради образуването на турбулентен несвързан поток след тялото.

Паразитно съпротивление

Това е съпротивлението, причинено от твърд обект, който се движи в течност. Паразитното съпротивление се състои от няколко компонента, включително съпротивлението, дължащо се на вискозното налягане, и съпротивлението, дължащо се на грапавостта на повърхността (триене на кожата). Освен това наличието на няколко тела в относителна близост може да предизвика т.нар. интерференчно съпротивление, което понякога се описва като компонент на термина.

В авиацията индуцираното съпротивление е по-силно при по-ниски скорости, тъй като за поддържане на подемната сила е необходим голям ъгъл на атака. Но с увеличаване на скоростта то може да се намали, както и индуцираното съпротивление. Паразитното отблъскване обаче става по-голямо, тъй като флуидът тече по-бързо около стърчащите обекти, което увеличава триенето.

При по-високи скорости (трансонични) съпротивлението на вълните достига ново ниво. Всяка от тези форми на отблъскване варира пропорционално на останалите, в зависимост от скоростта. По този начин общата крива на съпротивлението показва минимум при определена скорост - самолетът ще има оптимална ефективност или ще се доближи до нея. Пилотите използват тази скорост, за да увеличат максимално издръжливостта (минимален разход на гориво) или обхвата на плаване в случай на повреда на двигателя.

Крива на мощността в авиацията

Взаимодействието на блуждаещото и индуцираното съпротивление като функция на скоростта на полета може да се представи като характерна линия. В авиацията това често се нарича крива на мощността. Това е важно за пилотите, защото показва, че под определена скорост и за поддържането ѝ се изисква повече тяга с намаляваща бързина, а не по-малко. Ефектът от "задкулисието" по време на полет е важен и се изучава като част от обучението на пилотите. При дозвуковите скорости на въздуха, където U-образната форма на кривата е значителна, съпротивлението все още не е фактор. Ето защо тя не е показана на кривата.

Забавяне при трансоничен и свръхзвуков поток

Съпротивлението при компресия е съпротивлението, което се получава, когато тялото се движи в сгъстяващ се флуид и при скорости, близки до скоростта на звука във вода. В аеродинамиката съпротивлението на вълните се състои от много компоненти в зависимост от начина на движение.

В аеродинамиката на трансоничните полети вълновото съпротивление е резултат от образуването на ударни ролки във флуида, породени от създаването на локални области на свръхзвуков поток. На практика такова движение се наблюдава при тела, които се движат със скорост, значително по-ниска от тази на сигнала, тъй като местната скорост на въздуха се увеличава. Въпреки това, пълен свръхзвуков поток над превозното средство ще се развие едва след като стойността се увеличи много повече. Самолетите, летящи с дозвукова скорост, често изпитват състояние на вълна по време на нормален полет. При трансонален полет това отблъскване обикновено се нарича съпротивление на трансонална компресия. Тя се увеличава драстично с увеличаването на скоростта на полета и доминира над другите форми при тези скорости.

При свръхзвуковия полет вълновото съпротивление е резултат от ударните вълни, които се намират във флуида и са прикрепени към тялото и се образуват в предния и задния край на тялото. При свръхзвукови потоци или при корпуси с достатъчно голям ъгъл на завъртане вместо това ще се образуват неограничени ударни или огънати вълни. Освен това при по-ниски свръхзвукови скорости могат да се появят локални области на трансоничен поток. Понякога те водят до развитието на допълнителни ударни валове, разположени върху повърхностите на други повдигащи се тела, подобни на тези, които се срещат в трансоничните потоци. При мощни режими потоците на вълново съпротивление обикновено се разделят на два компонента:

• Свръхзвукова подемна сила в зависимост от стойността.
• обем, който също зависи от понятието за.

Решението в затворен вид за минималното вълново съпротивление на въртящо се тяло с фиксирана дължина е намерено от Сиърс и Хаак и е известно като "Разпределение на Sears-Haak". По същия начин за фиксиран обем формата за минималното вълново съпротивление е "Острието на фон Карман".

По принцип бипланът Buzeman изобщо не подлежи на това действие на работа при проектна скорост, но не е в състояние да генерира подемна сила.

Продукти

Аеродинамичният тунел е инструмент, използван в научните изследвания за изследване на въздействието на въздуха, движещ се покрай твърди обекти. Такава конструкция се състои от тръбен коридор, в чийто център е монтиран изпитваният обект. Въздухът се движи покрай обект с помощта на мощна вентилаторна система или други средства. Обектът за изпитване, често наричан моделна тръба, е оборудван с подходящи сензори за измерване на въздушните сили, разпределението на налягането или други аеродинамични характеристики. Това се прави и с цел своевременно откриване и отстраняване на проблеми в системата.

Какви летателни апарати има?

Нека първо погледнем назад в историята. Първите аеродинамични тунели са изобретени в края на XIX век, в началото на авиационните изследвания. Тогава мнозина се опитват да разработят успешни летателни апарати, по-тежки от въздуха. Аеродинамичният тунел е замислен като средство за обръщане на традиционната парадигма. Вместо да стои неподвижно и през него да се движи предмет, същият ефект ще се получи, ако предметът стои неподвижно, а въздухът се движи с по-висока скорост. По този начин един неподвижен наблюдател може да изучава летящ обект в действие и да измерва практическата аеродинамика, която му се налага.

Развитието на тръбите съпътстваше развитието на самолета. По време на Втората световна война са създадени големи аеродинамични продукти. Изпитанията в такава тръба се смятат за стратегически по време на разработването на свръхзвукови самолети и ракети по време на Студената война. Днес летателните апарати са с най-различни форми и размери. Почти всички най-важни разработки вече са внедрени в ежедневието.

По-късно изучаването на въздушния тунел се превръща в нещо естествено. Въздействието на вятъра върху конструкции или предмети, създадени от човека, трябваше да бъде проучено, когато сградите станаха достатъчно високи, за да излагат на вятъра големи повърхности, и произтичащите от това сили трябваше да бъдат удържани от вътрешните елементи на сградата. Определянето на такива набори е необходимо, за да могат строителните норми да определят необходимата якост на конструкциите. Такива тестове продължават да се използват за големи или необичайни сгради и до днес.

Още по-късно тестовете се прилагат за аеродинамичното съпротивление на превозни средства. Но това не беше за определяне на силите като такива, а за установяване на начини за понижаването му мощност, мощността, необходима за движението на машината по пътната настилка при определена скорост. В тези изследвания взаимодействието между пътя и превозното средство играе важна роля. Това трябва да се вземе предвид при тълкуването на резултатите от теста.

В реалната ситуация пътното платно се движи спрямо автомобила, но въздухът е неподвижен спрямо трасето. Но в аеродинамичния тунел въздухът се движи спрямо пътя. Докато последният е неподвижен по отношение на превозното средство. Някои аеродинамични тунели за изпитване на превозни средства включват подвижни ленти под изпитваното превозно средство. Това е приближаване до действителното състояние. Подобни устройства се използват в конфигурациите на аеродинамични тунели за излитане и кацане на самолети.

Оборудване

Тестовете на спортно оборудване също са често срещани от много години. Те включват стикове и топки за голф, олимпийски бобслеи и велосипедисти, както и каски за състезателни автомобили. Аеродинамиката на последния е особено важна при автомобилите с открита кабина (Indycar, Formula 1). Прекомерното повдигане на каската може да доведе до значително натоварване на врата на водача, докато разделянето на потока в задната част причинява турбулентно уплътняване и последващо влошаване на зрението при високи скорости.

Напредъкът в моделирането на изчислителната динамика на флуидите (CFD) с високоскоростни цифрови компютри намали необходимостта от изпитване в аеродинамичен тунел. Въпреки това резултатите от CFD все още не са напълно надеждни, този инструмент се използва да проверявате Прогнози за CFD.