Аэродинамическое сопротивление. Лобовое сопротивление. Аэродинамическая труба

Аэродинамическое сопротивление является силой, действующей противоположно относительного движения любого объекта. Оно может существовать между двумя слоями твердой поверхности. В отличие от других резистивных множеств, таких как сухое трение, которые почти не зависят от скорости, силы сопротивления подчиняются данному значению. Несмотря на то, что конечной причиной действия является вязкое трение, турбулентность не зависит от нее. Сила сопротивления пропорциональна скорости ламинарного потока.

Понятие

Аэродинамическое сопротивление — это сила, которая действует на любом двигающемся твердом теле в направлении текучей среды набегающего потока. С точки зрения приближения ближнего поля, сопротивление является результатом сил из-за распределения давления по поверхности объекта, символизируемых D. Из-за трения кожи, которое является результатом вязкости, обозначается De. Альтернативно, рассчитанная, с точки зрения поля течения, сила сопротивления возникает в результате трех природных явлений: ударных волн, вихревого слоя и вязкости. Это все можно найти в таблице аэродинамических сопротивлений.

Обзор

Распределение давления, действующего на поверхность тела, оказывает влияние на большие силы. Они, в свою очередь, могут быть суммированы. Компоненты данного значения, которые действуют ниже по течению, составляют мощность сопротивления, Drp, из-за распределения давления, которое влияет на организм. Природа этих сил объединяет эффекты ударной волны, генерацию вихревой системы и механизмы следа.

Вязкость жидкости оказывает существенное влияние на сопротивление. При отсутствии данного компонента силы давления, действующие для замедления транспортного средства, нейтрализуются мощностью, которая находится в кормовой части и толкает транспортное средство вперед. Это называется восстановлением давления, в результате чего аэродинамическое сопротивление равно нулю. То есть работа, которую тело выполняет над воздушным потоком, является обратимой и восстанавливается, поскольку нет никаких эффектов трения, чтобы преобразовать энергию потока в тепло.

Восстановление давления действует даже в случае вязкого движения. Данное значение, однако, приводит к мощности. Она является доминирующей составляющей лобового сопротивления в случае транспортных средств с областями разделенного потока, в которых восстановление напора считается довольно неэффективным.

Сила трения, которая представляет собой тангенциальную мощь на поверхности самолета, зависит от конфигурации пограничного слоя и вязкости. Аэродинамическое сопротивление, Df, рассчитывается как проекция трясинных множеств вниз по течению, оцененная по поверхности тела.

Сумма отпора трения и давления называется вязким сопротивлением. В термодинамической перспективе трясинные эффекты представляют собой необратимые явления и, следовательно, они создают энтропию. Расчетное вязкое сопротивление Dv использует изменения данного значения, чтобы точно предсказать силу отпора.

Здесь также необходимо привести формулу плотности воздуха для газа: Р*V=m/M * R*T.

Когда самолет производит подъемную силу, возникает другой компонент отпора. Индуцированное сопротивление, Di. Оно возникает из-за изменения распределения давления вихревой системы, которая сопровождает производство лифта. Альтернативная перспектива подъема достигается при рассмотрении изменения импульса воздушного потока. Крыло перехватывает воздух и заставляет его двигаться вниз. Это приводит к тому, что на крыло действует равная и противоположная сила лобового сопротивления, которая является подъемной мощностью.

Изменение импульса воздушного потока вниз приводит к уменьшению обратного значения. Именно оно является результатом силы, действующей вперед на прикладываемое крыло. Равная, но противоположная масса действует на заднюю часть, которая является индуцированным сопротивлением. Оно имеет тенденцию быть наиболее важным компонентом для самолетов во время взлета или посадки. Другой объект перетаскивания, волновое сопротивление (Dw) возникает из-за ударных волн при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях механика полета. Данные валы вызывают изменения в пограничном слое и распределение давления по поверхности тела.

История

Идея о том, что движущееся тело, проходящее через воздух (формула плотности) или другую жидкость, встречает сопротивление, была известна со времен Аристотеля. В статье Луи Чарльза Бреге, написанной в 1922 году, начались усилия по снижению сопротивления путем оптимизации. Автор продолжал воплощать свои идеи в жизнь, создав несколько рекордных самолетов в 1920 и 1930 годах. Теория пограничного слоя Людвига Прандтля в 1920 году дала стимул минимизировать трение.

Еще один важный призыв к упорядочению был сделан сэром Мелвиллом Джонсом, который представил теоретические концепции, чтобы убедительно продемонстрировать важность упорядочения в конструкции самолета. В 1929 году его работа «Обтекаемый аэроплан», представленная Королевскому авиационному обществу, была плодотворной. Он предложил идеальный самолет, который имел бы минимальное сопротивление, что привело бы к концепции «чистого» моноплана и убирающейся ходовой части.

Одним из аспектов работы Джонса, которая больше всего шокировала дизайнеров того времени, был его график зависимости мощности лошади от скорости для реальной и идеальной плоскости. Если посмотреть на точку данных для самолета и экстраполировать ее горизонтально до идеальной кривой, можно увидеть выигрыш вскорости для той же мощности. Когда Джонс закончил свою презентацию, один из слушателей назвал результаты того уровня важности, что и цикл Карно в термодинамике.

Лифт-индуцированное сопротивление

Отпор, вызванный подъемом, возникает в результате создания склона на трехмерном теле, таком как крыло или фюзеляж самолета. Индуцированное торможение состоит в основном из двух компонентов:

• Перетаскивание из-за создания замыкающих вихрей.
• Наличие дополнительного вязкого сопротивления, которого нет, когда подъем равен нулю.

Задние вихри в поле потока, присутствующие в результате подъема тела, происходят из-за турбулентного перемешивания воздуха сверху и снизу объекта, который течет в несколько разных направлениях в результате создания подъемной силы.

При других параметрах, которые остаются такими же, как и подъем, создаваемый телом, увеличивается и сопротивление, вызванное склоном. Это означает, что с повышением угла атаки крыла коэффициент подъема усиливается, как и отпор. В начале сваливания склонная аэродинамическая сила резко уменьшается, как и сопротивление, вызванное подъемом. Но данное значение увеличивается из-за образования турбулентного неприсоединенного потока вслед за телом.

Паразитное перетаскивание

Это сопротивление, вызванное перемещением твердого объекта через жидкость. Паразитное перетаскивание состоит из нескольких компонентов, включая перемещение при вязком давлении и из-за шероховатости поверхности (трением обшивки). Кроме того, присутствие нескольких тел в относительной близости может вызывать так называемое интерференционное сопротивление, которое иногда описывается как компонент данного термина.

В авиации индуцированный отпор имеет тенденцию быть мощнее на более низких скоростях, потому что для поддержания подъемной силы требуется большой угол атаки. Однако с увеличением скорости он может быть уменьшен, как и индуцированное сопротивление. Паразитный отпор, однако, становится больше, потому что жидкость течет быстрее вокруг выступающих объектов, усиливая трение.

На более высоких скоростях (трансзвуковых) волновое сопротивление выходит на новый уровень. Каждая из этих форм отпора изменяется пропорционально другим в зависимости от скорости. Таким образом, общая кривая сопротивления показывает минимум при некоторой воздушной стремительности — самолет будет иметь оптимальную эффективность или приближаться к ней. Пилоты будут использовать эту скорость, чтобы максимизировать выносливость (минимальный расход топлива) или дальность скольжения в случае отказа двигателя.

Кривая мощности в авиации

Взаимодействие паразитного и индуцированного сопротивления в зависимости от воздушной скорости можно представить в виде характеристической линии. В авиации это часто называют кривой мощностью. Она важна для пилотов, поскольку показывает, что ниже определенной воздушной скорости и для ее поддержания противоинтуитивно требуется больше тяги при уменьшении стремительности, а не меньше. Последствия того, что человек находится «за кулисами» в полете, важны и преподаются как часть обучения пилотов. На дозвуковых воздушных скоростях, где U-образная форма этой кривой значительна, волновое сопротивление еще не стало фактором. Именно поэтому оно не показывается на кривой.

Торможение в трансзвуковом и сверхзвуковом потоке

Волновое перетягиванием при сжатии — это перетаскивание, которое создается, когда тело движется в сжимаемой жидкости и со скоростями, близкими к стремительности звука в воде. В аэродинамике волновое сопротивление состоит из множества компонентов в зависимости от режима движения.

В трансзвуковой аэродинамике полета волновое сопротивление является результатом образования ударных валов в жидкости, образующихся при создании локальных областей сверхзвукового потока. На практике такое движение возникает на телах, движущихся значительно ниже стремительности сигнала, поскольку локальная быстрота воздуха увеличивается. Тем не менее полный сверхзвуковой поток над транспортным средством не будет развиваться до тех пор, пока значение не пройдет намного дальше. Самолеты, летящие на околозвуковой скорости, часто испытывают волновое состояние при нормальном ходе полета. В трансзвуковом полете такой отпор обычно называется трансзвуковым сопротивлением сжимаемости. Он значительно усиливается по мере увеличения скорости полета, доминируя над другими формами на этих скоростях.

В сверхзвуковом полете волновое сопротивление является результатом ударных валов, присутствующих в жидкости и прикрепленных к телу, образующихся на передней и задней его кромках. В сверхзвуковых потоках или в корпусах с достаточно большими углами поворота вместо этого будут образовываться незакрепленные ударные или изогнутые волны. Кроме того, локальные области трансзвукового потока могут возникать при более низких сверхзвуковых скоростях. Иногда они приводят к развитию дополнительных ударных валов, присутствующих на поверхностях других подъемных тел, аналогичных тем, которые обнаруживаются в трансзвуковых потоках. В мощных режимах течения волнового сопротивления обычно разделяются на две составляющие:

• Сверхзвуковой подъем в зависимости от значения.
• Объем, который также зависит от понятия.

Решение замкнутой формы для минимального волнового сопротивления тела вращения с фиксированной длиной было найдено Сирсом и Хааком и известно как "Распределение Сирса-Хаака". Точно так же для фиксированного объема форма для минимального волнового сопротивления — "Von Karman Ogive".

Биплан Буземана, в принципе, вообще не подвержен такому действию при работе на проектной скорости, но и не способен генерировать подъемную силу.

Изделия

Аэродинамическая труба представляет собой инструмент, используемый в исследованиях для изучения влияния воздуха движущихся мимо твердых предметов. Такая конструкция состоит из трубчатого прохода с тестируемым объектом, установленным посередине. Воздух перемещается мимо предмета с помощью мощной системы вентиляторов или других средств. Испытательный объект, часто называемый моделью трубы, оснащен соответствующими датчиками для измерения воздушных сил, распределения давления или других аэродинамических характеристик. Это необходимо также для того чтобы вовремя заметить и исправить проблему в системе.

Какие бывают летательные аппараты

Давайте обратимся к истории сначала. Самые ранние аэродинамические трубы были изобретены в конце XIX века, в первые дни авиационных исследований. Именно тогда многие пытались разработать успешные летательные аппараты тяжелее воздуха. Аэродинамическая труба была задумана как средство обращения обычной парадигмы. Вместо того, чтобы стоять на месте и двигать через него объект, тот же эффект был бы получен, если бы предмет стоял неподвижно, а воздух двигался со скоростью выше. Таким образом стационарный наблюдатель может изучить летающее изделие в действии и измерить практическую аэродинамику, налагаемую на него.

Развитие труб сопровождало разработку самолета. Большие аэродинамические изделия были построены во время Второй мировой войны. Испытания в такой трубе считались стратегически важными во время разработки сверхзвуковых самолетов и ракет в годы холодной войны. На сегодняшний день летательные аппараты бывают какими угодно. И практически все важнейшие разработки уже внедрены в повседневную жизнь.

Позже исследование аэродинамической трубы стало само собой разумеющимся. Влияние ветра на искусственные сооружения или объекты необходимо было изучить, когда здания стали достаточно высокими, чтобы представить большие поверхности ветру, и возникающие силы должны были сопротивляться внутренними элементами здания. Дефиниция таких множеств потребовалась до того, чтобы строительные нормы могли определить требуемую прочность сооружений. И такие испытания продолжают использоваться для больших или необычных зданий до сих пор.

Еще позже проверки были применены к аэродинамическому сопротивлению автомобилей. Но это было не для того, чтобы определить силы как таковые, а для установления способов снижения мощности, необходимой для движения машины по дорожным полотнам с заданной скоростью. В этих исследованиях взаимодействие между дорогой и транспортным средством играет значительную роль. Именно его необходимо учитывать при интерпретации результатов испытаний.

В реальной ситуации проезжая часть движется относительно транспортного средства, но воздух неподвижен по отношению к трассе. Но в аэродинамической трубе воздух движется относительно дороги. В то время как последняя неподвижна по относительно транспортного средства. Некоторые проверочные автомобильные аэродинамические трубы включают в себя движущиеся ремни под испытательным транспортным средством. Это для того чтобы приблизиться к фактическому состоянию. Похожие устройства используются в аэродинамической трубе конфигураций взлета и посадки самолетов.

Снаряжение

Пробы спортивного оборудования также были распространены многие годы. Они включали в себя клюшки и мячи для гольфа, олимпийские бобслеи и велосипедисты, а также шлемы гоночных автомобилей. Аэродинамика последних особенно важна в транспорте с открытой кабиной (Indycar, Formula One). Чрезмерное подъемное усилие на шлеме может вызвать значительную нагрузку на шею водителя, а разделение потока на задней стороне — турбулентное уплотнение и, как следствие, ухудшение зрения на высоких скоростях.

Прогресс в моделировании вычислительной гидродинамики (CFD) на высокоскоростных цифровых компьютерах снизил потребность в испытаниях в аэродинамической трубе. Однако результаты CFD все еще не полностью надежны, данный инструмент используется для проверки прогнозов CFD.