Az aerodinamikai ellenállás bármely tárgy relatív mozgásával ellentétes erő. Két szilárd felületréteg között létezhet. Más ellenálláshalmazokkal ellentétben, mint például a száraz súrlódás, amelyek szinte függetlenek a sebességtől, a légellenállási erők egy adott értéknek engedelmeskednek. Bár a hatás végső oka a viszkózus súrlódás, a turbulencia ettől független. A húzóerő arányos a lamináris áramlási sebességgel.
Koncepció
Az aerodinamikai ellenállás az az erő, amely bármely mozgó szilárd testre a szembejövő folyadék irányában hat. A közeli mező közelítését tekintve a légellenállás a nyomásnak a tárgy felületén történő eloszlásából eredő erők eredménye, amelyet D jelképez. A viszkozitás eredményeként létrejövő bőrsúrlódást De-vel jelöljük. Alternatív megoldásként az áramlási mező, az erő szempontjából számítvaAz ellenállás három természeti jelenség eredményeként jön létre: lökéshullámok, örvényréteg és viszkozitás. Mindez megtalálható az aerodinamikai légellenállás táblázatában.
Áttekintés
A test felületére ható nyomáseloszlás nagy erőkre hat. Ezek viszont összefoglalhatók. Ennek az értéknek az alsó komponensei a testre ható nyomáseloszlásból adódó Drp ellenállási erőt alkotják. Ezeknek az erőknek a természete a lökéshullám-hatásokat, az örvényrendszer-generálást és az ébredési mechanizmusokat egyesíti.
A folyadék viszkozitása jelentős hatással van a légellenállásra. Ennek az alkatrésznek a hiányában a jármű lassítására ható nyomóerőket a hátsó részben lévő erő semlegesíti, és előre tolja a járművet. Ezt újranyomásnak nevezik, ami nulla aerodinamikai légellenállást eredményez. Ez azt jelenti, hogy a test által a légáramláson végzett munka visszafordítható és visszanyerhető, mivel nincs súrlódási hatás, amely az áramlás energiáját hővé alakítaná.
A nyomásvisszanyerés viszkózus mozgás esetén is működik. Ez az érték azonban teljesítményt eredményez. Ez a légellenállás domináns összetevője az osztott áramlási régiókkal rendelkező járművek esetében, ahol a fejvisszanyerés meglehetősen nem hatékony.
A súrlódási erő, amely a felületen jelentkező érintőleges erőrepülőgép, a határréteg konfigurációjától és a viszkozitástól függ. Az aerodinamikai légellenállás, Df, a láphalmazoknak a test felszínéről becsült lefelé irányuló vetületeként kerül kiszámításra.
A súrlódási és nyomásállóság összegét viszkózus ellenállásnak nevezzük. Termodinamikai szempontból a mocsári hatások visszafordíthatatlan jelenségek, ezért entrópiát hoznak létre. A számított viszkózus ellenállás Dv az érték változásait használja fel a visszapattanó erő pontos előrejelzésére.
Itt meg kell adni a gáz levegősűrűségének képletét is: РV=m/MRT.
Amikor egy repülőgép emelést produkál, van egy másik összetevője a visszalökésnek. Indukált ellenállás, Di. Az örvényrendszer nyomáseloszlásának változásából adódik, amely a felvonó gyártását kíséri. Egy alternatív emelési perspektíva érhető el, ha figyelembe vesszük a légáramlás lendületének változását. A szárny felfogja a levegőt, és lefelé kényszeríti. Ennek eredményeként egyenlő és ellentétes húzóerő hat a szárnyra, ami az emelés.
A lefelé irányuló légáramlás lendületének megváltoztatása a fordított érték csökkenéséhez vezet. Hogy ez az alkalmazott szárnyra előre ható erő eredménye. A hátoldalon egyenlő, de ellentétes tömeg hat, ami az indukált ellenállás. Általában ez a legfontosabb alkatrésze a repülőgépeknek fel- vagy leszálláskor. Egy másik húzó objektum, a hullámellenállás (Dw) a lökéshullámoknak köszönhetőa repülési mechanika transzonikus és szuperszonikus sebességénél. Ezek a hengerek megváltoztatják a határréteget és a nyomáseloszlást a test felületén.
Előzmények
Arisztotelész óta ismert az az elképzelés, hogy a levegőn (sűrűségképlet) vagy más folyadékon áthaladó mozgó test ellenállásba ütközik. Louis Charles Breguet 1922-ben írt cikke elkezdte az optimalizálással történő ellenállás csökkentését. A szerző továbbra is életre hívta elképzeléseit, és az 1920-as és 1930-as években több rekorder repülőgépet hozott létre. Ludwig Prandtl határréteg-elmélete 1920-ban a súrlódás minimalizálására ösztönzött.
A szekvenálásra egy másik fontos felhívást tett Sir Melville Jones, aki elméleti koncepciókat vezetett be, hogy meggyőzően demonstrálja a szekvenálás fontosságát a repülőgép-tervezésben. 1929-ben a The Streamlined Airplane című munkája, amelyet a Royal Aeronautical Society-nek mutattak be, meghatározó volt. Ideális repülőgépet javasolt, amelynek minimális légellenállása van, ami egy "tiszta" egysíkú és behúzható futómű koncepciójához vezetett.
Jones munkájának egyik szempontja, amely a legjobban sokkolta a korabeli tervezőket, az volt, hogy a lóerőt és a sebességet egy igazi és ideális repülőgépre tervezte. Ha megnézi egy repülőgép adatpontját, és vízszintesen extrapolálja egy tökéletes görbére, akkor hamarosan láthatja, hogy ugyanaz a teljesítmény megtérül. Amikor Jones befejezte előadását, az egyik hallgatófontossági szint, mint a Carnot-ciklus a termodinamikában.
Emelkedés által kiváltott ellenállás
Az emelés által kiváltott holtjáték egy háromdimenziós testen, például repülőgép szárnyán vagy törzsén lejtős kialakítás eredménye. Az indukált fékezés főként két összetevőből áll:
- Húzás a záró örvények létrehozása miatt.
- További viszkózus ellenállással rendelkezik, amely nincs jelen, amikor az emelkedés nulla.
Az áramlási mezőben a test felemelése következtében kialakuló hátsó örvények a tárgy feletti és alatti levegő turbulens keveredéséből adódnak, amely az emelés létrejötte következtében több különböző irányba áramlik..
A többi paraméterrel, amelyek változatlanok maradnak, mint a test által létrehozott emelés, a lejtő okozta ellenállás is nő. Ez azt jelenti, hogy a szárny támadási szögének növekedésével nő az emelési együttható, valamint a visszapattanás. Az elakadás elején a hajlamos aerodinamikai erő drámaian csökken, csakúgy, mint az emelés által kiváltott légellenállás. De ez az érték növekszik, mivel turbulens, független áramlás képződik a test után.
Hamis húzás
Ez az ellenállás, amelyet egy szilárd tárgy folyadékon való mozgása okoz. A parazita ellenállásnak több összetevője van, köztük a viszkózus nyomás és a felületi érdesség (bőrsúrlódás) miatti mozgás. Emellett több test relatív közelségben való jelenléte okozhatja az úninterferencia-ellenállás, amelyet néha a kifejezés összetevőjeként írnak le.
A repülésben az indukált holtjáték általában erősebb alacsonyabb sebességnél, mivel nagy ütési szög szükséges az emelés fenntartásához. A sebesség növekedésével azonban csökkenthető, csakúgy, mint az indukált légellenállás. A parazita ellenállás azonban megnő, mert a folyadék gyorsabban áramlik a kiálló tárgyak körül, növelve a súrlódást.
Nagyobb sebességeknél (transzonic) a hullámellenállás új szintet ér el. A taszítás ezen formáinak mindegyike arányosan változik a többivel a sebességtől függően. Tehát a teljes légellenállási görbe bizonyos légsebességnél a minimumot mutatja – a repülőgép az optimális hatásfok mellett vagy annak közelében lesz. A pilóták ezt a sebességet használják az állóképesség (minimális üzemanyag-fogyasztás) vagy a siklási távolság maximalizálására motorhiba esetén.
Aviation Power Curve
A parazita és az indukált légellenállás kölcsönhatása a légsebesség függvényében karakterisztikus vonalként ábrázolható. A repülésben ezt gyakran teljesítménygörbének nevezik. A pilóták számára azért fontos, mert azt mutatja, hogy egy bizonyos légsebesség alatt, és ellenkezőleg, több tolóerőre van szükség annak fenntartásához, ahogy a légsebesség csökken, nem pedig kevesebbre. A „színfalak mögötti” repülés következményei fontosak, és a pilótaképzés részeként tanítják őket. Szubszonikusonolyan légsebességeknél, ahol ennek a görbének az U-alakja jelentős, a hullámellenállás még nem vált tényezővé. Ezért nem jelenik meg a görbén.
Fékezés transzonikus és szuperszonikus áramlásban
A kompressziós hullámellenállás az a légellenállás, amely akkor jön létre, amikor a test egy összenyomható folyadékon áthalad a vízben lévő hangsebességhez közeli sebességgel. Az aerodinamikában a hullámellenállásnak számos összetevője van a vezetési módtól függően.
A transzonikus repülési aerodinamikában a hullámellenállás a folyadékban keletkező lökéshullámok eredménye, amelyek a szuperszonikus áramlás helyi területeinek létrehozása során jönnek létre. A gyakorlatban ilyen mozgás a jel sebessége alatt haladó testeken történik, mivel a levegő helyi sebessége nő. Azonban a teljes szuperszonikus áramlás a jármű felett nem fejlődik ki, amíg az érték sokkal tovább nem megy. A transzonikus sebességgel repülő repülőgépek normál repülés közben gyakran tapasztalnak hullámviszonyokat. Transonikus repülésben ezt a taszítást általában transzonikus összenyomhatósági ellenállásnak nevezik. Nagymértékben felerősödik, ahogy a repülési sebessége nő, és uralja a többi formát ezen a sebességen.
A szuperszonikus repülés során a hullámellenállás a folyadékban jelenlévő, a testhez tapadt lökéshullámok eredménye, amelyek a test elülső és hátsó szélein képződnek. Szuperszonikus áramlásokban vagy kellően nagy elfordulási szögű hajótestekben lesz ehelyettlaza lökés vagy görbe hullámok képződnek. Ezenkívül a transzonikus áramlás helyi területei kisebb szuperszonikus sebességeknél is előfordulhatnak. Néha további lökéshullámok kialakulásához vezetnek, amelyek más emelőtestek felületén jelen vannak, hasonlóan a transzonikus áramlásokhoz. Erőteljes áramlási módokban a hullámellenállást általában két összetevőre osztják:
- Szuperszonikus emelés értéktől függően.
- Hangerő, ami a koncepciótól is függ.
A rögzített hosszúságú forgástest minimális hullámellenállásának zárt formájú megoldását Sears és Haack találta meg, és "Seers-Haack eloszlás" néven ismert. Hasonlóképpen, rögzített hangerő esetén a minimális hullámellenállás formája "Von Karman Ogive".
Busemann kétsíkja tervezési sebességgel üzemelve elvileg egyáltalán nem esik ki ilyen hatásnak, de nem is képes felhajtóerőt generálni.
Termékek
A szélcsatorna egy olyan kutatási eszköz, amely a szilárd tárgyak mellett elhaladó levegő hatásának tanulmányozására szolgál. Ez a kialakítás egy cső alakú átjáróból áll, amelynek közepén helyezik el a vizsgált tárgyat. A levegőt egy erős ventilátorrendszer vagy más módon mozgatják az objektumon. A gyakran csőmodellként emlegetett tesztobjektum megfelelő érzékelőkkel van felszerelve a légerők, a nyomáseloszlás vagy egyébaerodinamikai jellemzők. Ez azért is szükséges, hogy időben észrevegyük és kijavítsuk a rendszer problémáját.
Milyen típusú repülőgépek vannak
Először nézzük a történelmet. A legkorábbi szélcsatornákat a 19. század végén, a repüléskutatás korai időszakában találták fel. Ekkor sokan próbáltak sikeres, levegőnél nehezebb repülőgépeket kifejleszteni. A szélcsatornát a hagyományos paradigma megfordításának eszközeként képzelték el. Ahelyett, hogy mozdulatlanul állna és mozgatna rajta egy tárgyat, ugyanazt a hatást érné el, ha a tárgy egy helyben állna, és a levegő nagyobb sebességgel mozogna. Ily módon egy álló megfigyelő tanulmányozhatja a repülő terméket működés közben, és mérheti a rá gyakorolt gyakorlati aerodinamikát.
A csövek fejlesztése kísérte a repülőgép fejlesztését. A második világháború alatt nagy aerodinamikai elemeket építettek. Az ilyen csőben végzett tesztelést stratégiai fontosságúnak tartották a szuperszonikus repülőgépek és rakéták fejlesztése során a hidegháború idején. Ma a repülőgép bármi. És szinte az összes legfontosabb fejlesztés bekerült a mindennapi életbe.
Később a szélcsatornák kutatása magától értetődővé vált. A szél mesterséges építményekre vagy tárgyakra gyakorolt hatását akkor kellett vizsgálni, amikor az épületek elég magasakká váltak ahhoz, hogy a szélnek nagy felületeket tudjon felmutatni, és a fellépő erőknek az épület belső elemeinek kellett ellenállniuk. Az ilyen készletek meghatározására az építési szabályzatok előtt volt szükségmeghatározza a szerkezetek szükséges szilárdságát. És az ilyen teszteket a mai napig használják nagy vagy szokatlan épületeknél.
Még később is ellenőrizték az autók aerodinamikai légellenállását. Ez azonban nem az erők meghatározására szolgált, hanem arra, hogy módokat találjon arra, hogy csökkentsék az autónak az útalapokon adott sebességgel történő mozgatásához szükséges teljesítményt. Ezekben a vizsgálatokban az út és a jármű közötti kölcsönhatás jelentős szerepet játszik. Őt kell figyelembe venni a vizsgálati eredmények értelmezésekor.
Valós helyzetben az úttest a járműhöz képest mozog, de a levegő továbbra is az úthoz képest. De a szélcsatornában a levegő az úthoz képest mozog. Míg az utóbbi a járműhöz képest álló helyzetben van. Néhány tesztjármű szélcsatornája mozgó hevedereket tartalmaz a tesztjármű alatt. Ez azért van, hogy közelebb kerüljünk a tényleges állapothoz. Hasonló eszközöket használnak szélcsatornás fel- és leszállási konfigurációkban.
Felszerelés
A sportfelszerelések mintái szintén sok éve általánosak. Voltak köztük golfütők és labdák, olimpiai bobok és kerékpárosok, valamint versenyautó-sisakok. Utóbbi aerodinamikája különösen fontos a nyitott fülkés járműveknél (Indycar, Forma-1). A sisakot érő túlzott emelőerő jelentős feszültséget okozhata vezető nyakán, a hátsó oldalon lévő áramlási szétválasztás pedig turbulens tömítés, és ennek eredményeként nagy sebességnél romlik a látás.
A nagy sebességű digitális számítógépeken végzett számítási folyadékdinamikai (CFD) szimulációk fejlődése csökkentette a szélcsatorna-tesztek szükségességét. A CFD eredmények azonban még mindig nem teljesen megbízhatóak, ez az eszköz a CFD előrejelzések ellenőrzésére szolgál.
