При рассмотрении воздуха, как совокупности большого числа молекул, его можно назвать сплошной средой. В ней отдельные частицы могут соприкасаться друг с другом. Такое представление позволяет значительно упростить способы исследования воздуха. В аэродинамике существует такое понятие, как обратимость движения, которое широко применяется в сфере проведения опытов для аэродинамических труб и в теоретических исследованиях с использованием понятия воздушного потока.
Важное понятие аэродинамики
Согласно принципу обратимости движения, вместо рассмотрения перемещения тела в среде неподвижной, можно рассмотреть ход среды по отношению к неподвижному телу.
Скорость набегающего невозмущенного потока в обращенном движении равна скорости самого тела в неподвижном воздухе.
Для тела, которое движется в неподвижном воздухе, аэродинамические силы будут такими же, как и для неподвижного (статичного) тела, подвергнутого обтеканию воздухом. Это правило работает при условии, что скорость движения тела по отношению к воздуху будет одной и той же.
Что такое воздушный поток и какие основные понятия его определяют
Существуют разные методы для изучения движения частиц газа или жидкости. В одном из них исследуются линии тока. При этом методе движение отдельных частиц необходимо рассматривать в данный момент времени при определенной точке пространства. Направленное движение частиц, которые перемещаются хаотически – это воздушный поток (понятие, широко применяемое в аэродинамике).
Движение потока воздуха будет считаться установившимся, если в любой точке пространства, им занимаемого, плотность, давление, направление и величина его скорости остаются неизменными с течением времени. Если эти параметры изменяются, то движение считается неустановившимся.
Линия тока определяется так: касательная в каждой точке к ней совпадает с вектором скорости в той же точке. Совокупность таких линий тока образует элементарную струю. Она заключена в некую трубку. Каждую отдельную струйку можно выделить и представить изолированно текущей от общей воздушной массы.
Когда воздушный поток разделен на струйки, можно наглядно представить его сложное течение в пространстве. К каждой отдельной струе можно применять основные законы движения. Речь идет об сохранении массы и энергии. Используя уравнения для этих законов, можно провести физический анализ взаимодействий воздуха и твердого тела.
Скорость и тип движения
Относительно характера течения воздушный поток бывает турбулентным и ламинарным. Когда струйки воздуха передвигаются в одном направлении и при этом параллельны друг другу – это ламинарный поток. Если скорость частиц воздуха увеличивается, то они начинают обладать помимо поступательной, другими быстро меняющимися скоростями. Образуется поток перпендикулярных к направлению поступательного движения частиц. Это и есть беспорядочный – турбулентный поток.
Формула, по которой измеряется скорость воздушного потока, включает в себя давление, определяемое разными способами.
Скорость несжимаемого потока определяется с помощью зависимости разности полного и статистического давления по отношению к плотности воздушной массы (уравнение Бернулли): v=√2(p0-p)/p
Эта формула работает для потоков со скоростью не больше 70 м/с.
Плотность воздуха определяют по номограмме давления и температуры.
Величину давления обычно определяют жидкостным манометром.
Скорость потока воздуха не будет постоянной по длине трубопровода. Если уменьшается давление и увеличивается объем воздуха, то она постоянно возрастает, способствуя увеличению скорости частиц материала. Если скорость потока больше 5 м/с, то возможно появление дополнительного шума в клапанах, прямоугольных поворотах и решетках устройства, по которому он проходит.
Энергетический показатель
Формула, по которой определяется мощность воздушного потока воздуха (свободного), выглядит следующим образом: N=0,5SrV³ (Вт). В этом выражении N – мощность, r – плотность воздуха, S - площадь ветроколеса, находящаяся под действием потока (м²) и V – это скорость ветра (м/с).
Из формулы видно, что выходная мощность увеличивается пропорционально третьей степени скорости потока воздуха. Значит, когда скорость возрастает в 2 раза, то мощность возрастает в 8 раз. Следовательно, при малых скоростях потока будет небольшое количество энергии.
Всю энергию от потока, который создает, например, ветер, извлечь не получится. Дело в том, что прохождение через ветроколесо между лопастями происходит беспрепятственно.
Поток воздуха обладает подобно любому движущемуся телу энергией движения. Он имеет определенный запас кинетической энергии, которая по мере преобразования переходит в механическую.
Факторы, влияющие на объем потока воздуха
Тот максимальный объем воздуха, который может быть, зависит от многих факторов. Это параметры самого устройства и окружающего пространства. К примеру, если речь идет о кондиционере, то максимальный воздушный поток, охлаждаемый оборудованием за одну минуту, значительно зависит от размеров помещения и технических характеристик прибора. С большими площадями все иначе. Для них, подлежащих охлаждению, нужны более интенсивные воздушные потоки.
В вентиляторах важен диаметр, скорость вращения и размер лопастей, скорость вращения, материал, используемый при его изготовлении.
В природе мы наблюдаем такие явления, как смерчи, тайфуны и торнадо. Это все движения воздуха, который, как известно, содержит азот, кислород, молекулы углекислого газа, а также воды, водорода и других газов. Это тоже потоки воздуха, подчиняющиеся законам аэродинамики. Например, при образовании вихря, мы слышим звуки реактивного двигателя.
