Aerodynamisk modstand er en kraft, der virker modsat den relative bevægelse af ethvert objekt. Det kan eksistere mellem to lag af fast overflade. I modsætning til andre resistive sæt, såsom tør friktion, som er næsten uafhængige af hastighed, adlyder modstandskræfterne en given værdi. Selvom den ultimative årsag til handlingen er tyktflydende friktion, er turbulens uafhængig af den. Trækkraften er proportional med den laminære strømningshastighed.
Koncept
Aerodynamisk modstand er den kraft, der virker på enhver bevægelig fast krop i retning af den modkørende væske. Med hensyn til nærfelttilnærmelsen er modstand resultatet af kræfter på grund af fordelingen af tryk over objektets overflade, symboliseret ved D. På grund af hudfriktion, som er resultatet af viskositet, betegnes De. Alternativt, beregnet ud fra flowfeltets synsvinkel, kraftenmodstand opstår som følge af tre naturfænomener: stødbølger, hvirvellag og viskositet. Alt dette kan findes i tabellen over aerodynamisk modstand.
Oversigt
Fordelingen af tryk, der virker på overfladen af en krop, påvirker store kræfter. De kan til gengæld opsummeres. Nedstrømskomponenterne af denne værdi udgør trækkraften, Drp, på grund af den trykfordeling, der påvirker kroppen. Naturen af disse kræfter kombinerer stødbølgeeffekter, generering af hvirvelsystemer og vågnemekanismer.
Væskens viskositet har en betydelig effekt på modstanden. I mangel af denne komponent neutraliseres de trykkræfter, der virker for at bremse køretøjet, af den kraft, der er i den agterste del og skubber køretøjet fremad. Dette kaldes repressurization, hvilket resulterer i nul aerodynamisk modstand. Det vil sige, at det arbejde, som kroppen udfører på luftstrømmen, er reversibelt og genvindeligt, da der ikke er nogen friktionseffekter for at omdanne strømmens energi til varme.
Trykgenvinding virker selv i tilfælde af tyktflydende bevægelse. Denne værdi resulterer imidlertid i kraft. Det er den dominerende komponent af modstand i tilfælde af køretøjer med delt flow-områder, hvor løftehøjde anses for at være ret ineffektivt.
Friktionens kraft, som er den tangentielle kraft på overfladenfly, afhænger af konfigurationen af grænselaget og viskositeten. Aerodynamisk modstand, Df, beregnes som nedstrøms projektion af mosesæt estimeret fra kropsoverfladen.
Summen af friktion og trykmodstand kaldes viskøs modstand. Fra et termodynamisk perspektiv er sumpeffekter irreversible fænomener, og de skaber derfor entropi. Den beregnede viskose modstand Dv bruger ændringer i denne værdi til nøjagtigt at forudsige tilbageslagskraften.
Her er det også nødvendigt at give formlen for luftdensitet for gas: РV=m/MRT.
Når et fly producerer løft, er der en anden komponent i pushback. Induceret modstand, Di. Det opstår som følge af ændringen i trykfordelingen af hvirvelsystemet, der følger med produktionen af elevatoren. Et alternativt løfteperspektiv opnås ved at overveje ændringen i luftstrømmens momentum. Vingen opsnapper luften og tvinger den til at bevæge sig nedad. Dette resulterer i, at en lige stor og modsat trækkraft virker på vingen, som er løft.
Ændring af momentum af luftstrømmen ned fører til et fald i den omvendte værdi. At det er resultatet af kraften, der virker fremad på den påførte vinge. En lige stor, men modsat masse virker på ryggen, som er det inducerede træk. Det plejer at være den vigtigste komponent for fly under start eller landing. Et andet trækobjekt, bølgemodstand (Dw), skyldes stødbølgerved transoniske og supersoniske hastigheder af flymekanik. Disse ruller forårsager ændringer i grænselaget og trykfordeling over kroppens overflade.
Historie
Ideen om, at et bevægeligt legeme, der passerer gennem luft (densitetsformel) eller anden væske møder modstand, har været kendt siden Aristoteles' tid. En artikel af Louis Charles Breguet skrevet i 1922 startede et forsøg på at reducere modstand gennem optimering. Forfatteren fortsatte med at bringe sine ideer ud i livet og skabte flere rekordstore fly i 1920'erne og 1930'erne. Ludwig Prandtls grænselagsteori i 1920 gav et incitament til at minimere friktion.
En anden vigtig opfordring til sekventering blev fremsat af Sir Melville Jones, som introducerede teoretiske koncepter for overbevisende at demonstrere vigtigheden af sekventering i flydesign. I 1929 var hans værk The Streamlined Airplane præsenteret for Royal Aeronautical Society banebrydende. Han foreslog et ideelt fly, der ville have minimal luftmodstand, hvilket førte til konceptet med et "rent" monoplan og optrækkeligt undervogn.
Et af de aspekter af Jones' arbejde, der mest chokerede datidens designere, var hans plot af hestekræfter kontra hastighed for et ægte og ideelt fly. Hvis du ser på datapunktet for et fly og ekstrapolerer det vandret til en perfekt kurve, kan du snart se udbyttet for den samme effekt. Da Jones var færdig med sin præsentation, var en af lytterneniveau af betydning som Carnot-cyklussen i termodynamik.
Løfte-induceret modstand
Det løft-inducerede tilbageslag er resultatet af skabelsen af en skråning på en tredimensionel krop, såsom en flyvinge eller flykroppen. Induceret bremsning består hovedsageligt af to komponenter:
- Træk på grund af dannelse af bagende hvirvler.
- Har yderligere tyktflydende modstand, der ikke er der, når løftet er nul.
De bagerste hvirvler i flowfeltet, der er til stede som følge af løft af kroppen, skyldes den turbulente blanding af luft over og under objektet, som strømmer i flere forskellige retninger som følge af skabelsen af løft.
Med andre parametre, der forbliver de samme som løftet skabt af kroppen, øges modstanden forårsaget af hældningen også. Det betyder, at efterhånden som vingens angrebsvinkel øges, stiger løftekoefficienten, og det samme gør rebound. Ved starten af et stall falder den tilbøjelige aerodynamiske kraft dramatisk, ligesom det løfte-inducerede modstand. Men denne værdi stiger på grund af dannelsen af en turbulent ubundet strømning efter kroppen.
Forfalsket træk
Dette er modstanden forårsaget af bevægelsen af en fast genstand gennem en væske. Parasitisk modstand har flere komponenter, herunder bevægelse på grund af tyktflydende tryk og på grund af overfladeruhed (hudfriktion). Desuden kan tilstedeværelsen af flere kroppe i relativ nærhed forårsage den såkaldteinterferensmodstand, som nogle gange beskrives som en del af udtrykket.
I luftfart har induceret tilbageslag en tendens til at være stærkere ved lavere hastigheder, fordi der kræves en høj angrebsvinkel for at opretholde løftet. Men efterhånden som hastigheden stiger, kan den reduceres, såvel som den inducerede modstand. Parasitisk modstand bliver imidlertid større, fordi væsken flyder hurtigere rundt om udragende genstande, hvilket øger friktionen.
Ved højere hastigheder (transonisk) når bølgemodstanden et nyt niveau. Hver af disse former for afvisning varierer proportion alt med de andre afhængigt af hastigheden. Så den overordnede modstandskurve viser et minimum ved en vis flyvehastighed - flyet vil være ved eller tæt på optimal effektivitet. Piloter vil bruge denne hastighed til at maksimere udholdenhed (minimum brændstofforbrug) eller glideafstand i tilfælde af motorfejl.
Aviation Power Curve
Samspillet mellem parasitisk og induceret luftmodstand som funktion af flyvehastigheden kan repræsenteres som en karakteristisk linje. I luftfarten omtales dette ofte som effektkurven. Det er vigtigt for piloter, fordi det viser, at under en vis flyvehastighed, og kontraintuitivt, kræves der mere tryk for at opretholde den, når flyvehastigheden falder, ikke mindre. Implikationerne af at være "bag kulisserne" under flyvning er vigtige og undervises som en del af pilotuddannelsen. På subsonisklufthastigheder, hvor U-formen af denne kurve er signifikant, er bølgemodstand endnu ikke blevet en faktor. Det er derfor, det ikke vises på kurven.
Bremser i transonisk og supersonisk flow
Kompressionsbølgemodstand er det modstand, der skabes, når et legeme bevæger sig gennem en komprimerbar væske og med hastigheder tæt på lydens hastighed i vand. Inden for aerodynamik har bølgemodstanden mange komponenter afhængigt af køretilstanden.
I transonisk flyveaerodynamik er bølgemodstand resultatet af dannelsen af stødbølger i væsken, som dannes, når der skabes lokale områder med supersonisk strømning. I praksis opstår en sådan bevægelse på kroppe, der bevæger sig et godt stykke under signalets hastighed, da luftens lokale hastighed stiger. Fuld supersonisk flow over køretøjet vil dog ikke udvikle sig, før værdien er gået meget længere. Fly, der flyver med transoniske hastigheder, oplever ofte bølgeforhold under det normale flyvningsforløb. I transonisk flyvning omtales denne frastødning almindeligvis som transonisk kompressibilitetsmodstand. Den intensiveres kraftigt, efterhånden som dens flyvehastighed stiger, og dominerer andre former ved disse hastigheder.
I supersonisk flyvning er bølgemodstand resultatet af stødbølger, der er til stede i væsken og fastgjort til kroppen, og dannes ved kroppens for- og bagkant. I supersoniske strømme, eller i skrog med tilstrækkeligt store rotationsvinkler, vil der i stedet væreder dannes løse stød eller buede bølger. Derudover kan lokale områder med transonisk strømning forekomme ved lavere supersoniske hastigheder. Nogle gange fører de til udviklingen af yderligere stødbølger, der er til stede på overfladerne af andre løftelegemer, svarende til dem, der findes i transoniske strømme. I kraftige strømningsregimer er bølgemodstanden norm alt opdelt i to komponenter:
- Supersonisk løft afhængig af værdi.
- Lydstyrke, som også afhænger af konceptet.
Løsningen i lukket form for minimumsbølgemodstanden for et omdrejningslegeme med en fast længde blev fundet af Sears og Haack og er kendt som "Seers-Haack Distribution". Tilsvarende for et fast volumen er formen for minimumsbølgemodstanden "Von Karman Ogive".
Busemanns biplan er i princippet slet ikke underlagt en sådan handling, når den kører ved designhastighed, men er heller ikke i stand til at generere løft.
Produkter
En vindtunnel er et værktøj, der bruges i forskning til at studere effekten af luft, der bevæger sig forbi faste genstande. Dette design består af en rørformet passage med objektet under test placeret i midten. Luft flyttes forbi objektet ved hjælp af et kraftigt ventilatorsystem eller andre midler. Testobjektet, ofte omt alt som en rørmodel, er udstyret med passende sensorer til at måle luftkræfter, trykfordeling eller andetaerodynamiske egenskaber. Dette er også nødvendigt for at kunne opdage og rette problemet i systemet i tide.
Hvilke flytyper er der
Lad os først se på historien. De tidligste vindtunneller blev opfundet i slutningen af det 19. århundrede, i de tidlige dage af luftfartsforskning. Det var dengang, at mange forsøgte at udvikle succesrige fly, der var tungere end luften. Vindtunnelen blev tænkt som et middel til at vende det konventionelle paradigme. I stedet for at stå stille og bevæge et objekt igennem det, ville den samme effekt opnås, hvis objektet stod stille og luften bevægede sig med en højere hastighed. På denne måde kan en stationær observatør studere det flyvende produkt i aktion og måle den praktiske aerodynamik, der pålægges det.
Udviklingen af rør fulgte med udviklingen af flyet. Store aerodynamiske genstande blev bygget under Anden Verdenskrig. Test i et sådant rør blev anset for strategisk vigtigt under udviklingen af supersoniske fly og missiler under den kolde krig. I dag er fly hvad som helst. Og næsten alle de vigtigste udviklinger er allerede blevet introduceret i hverdagen.
Senere forskning i vindtunnel blev en selvfølge. Vindens effekt på menneskeskabte strukturer eller genstande skulle undersøges, når bygninger blev høje nok til at præsentere store overflader for vinden, og de resulterende kræfter skulle modstås af bygningens indre elementer. Definitionen af sådanne sæt var påkrævet, før byggekoder kunnebestemme den nødvendige styrke af strukturer. Og sådanne tests bliver stadig brugt til store eller usædvanlige bygninger den dag i dag.
Selv senere blev der kontrolleret bilers aerodynamiske modstand. Men dette var ikke for at bestemme kræfterne som sådan, men for at etablere måder at reducere den kraft, der kræves for at flytte bilen langs vejbedene med en given hastighed. I disse undersøgelser spiller samspillet mellem vej og køretøj en væsentlig rolle. Det er ham, der skal tages i betragtning ved fortolkning af testresultater.
I en virkelig situation bevæger kørebanen sig i forhold til køretøjet, men luften er stadig i forhold til vejen. Men i en vindtunnel bevæger luften sig i forhold til vejen. Mens sidstnævnte er stationært i forhold til køretøjet. Nogle testkøretøjs vindtunneller inkluderer bevægelige bælter under testkøretøjet. Dette er for at komme tættere på den faktiske tilstand. Lignende enheder bruges i vindtunnelstart- og landingskonfigurationer.
Udstyr
Eksempler på sportsudstyr har også været almindelige i mange år. De omfattede golfkøller og bolde, olympiske bobslæder og cyklister og racerbilhjelme. Sidstnævntes aerodynamik er især vigtig i køretøjer med åbent førerhus (Indycar, Formel 1). For stor løftekraft på hjelmen kan forårsage betydelig stresspå nakken på føreren, og flowadskillelsen på bagsiden er en turbulent tætning og som følge heraf nedsat syn ved høje hastigheder.
Fremskridt inden for CFD-simuleringer (Computational Fluid Dynamics) på digitale højhastighedscomputere har reduceret behovet for vindtunneltestning. Men CFD-resultater er stadig ikke helt pålidelige, dette værktøj bruges til at bekræfte CFD-forudsigelser.
