Αεροδυναμική οπισθέλκουσα είναι μια δύναμη που ενεργεί αντίθετα από τη σχετική κίνηση οποιουδήποτε αντικειμένου. Μπορεί να υπάρχει ανάμεσα σε δύο στρώματα στερεάς επιφάνειας. Σε αντίθεση με άλλα σετ αντίστασης, όπως η ξηρή τριβή, που είναι σχεδόν ανεξάρτητες από την ταχύτητα, οι δυνάμεις οπισθέλκουσας υπακούουν σε μια δεδομένη τιμή. Αν και η τελική αιτία της δράσης είναι η ιξώδης τριβή, οι αναταράξεις είναι ανεξάρτητες από αυτήν. Η δύναμη οπισθέλκουσας είναι ανάλογη με την ταχύτητα στρωτής ροής.
Έννοια
Αεροδυναμική οπισθέλκουσα είναι η δύναμη που δρα σε οποιοδήποτε κινούμενο στερεό σώμα προς την κατεύθυνση του επερχόμενου ρευστού. Όσον αφορά την προσέγγιση του κοντινού πεδίου, η οπισθέλκουσα είναι το αποτέλεσμα των δυνάμεων που οφείλονται στην κατανομή της πίεσης στην επιφάνεια του αντικειμένου, που συμβολίζεται με το D. Λόγω της τριβής του δέρματος, που είναι αποτέλεσμα του ιξώδους, συμβολίζεται ως De. Εναλλακτικά, υπολογίζεται από την άποψη του πεδίου ροής, η δύναμηΗ αντίσταση προκύπτει ως αποτέλεσμα τριών φυσικών φαινομένων: κρουστικών κυμάτων, στρώμα στροβιλισμού και ιξώδες. Όλα αυτά βρίσκονται στον πίνακα αεροδυναμικής οπισθέλκουσας.
Επισκόπηση
Η κατανομή της πίεσης που ασκείται στην επιφάνεια ενός σώματος επηρεάζει μεγάλες δυνάμεις. Αυτοί, με τη σειρά τους, μπορούν να συνοψιστούν. Τα κατάντη συστατικά αυτής της τιμής αποτελούν την ισχύ έλξης, Drp, λόγω της κατανομής της πίεσης που επηρεάζει το σώμα. Η φύση αυτών των δυνάμεων συνδυάζει φαινόμενα κρουστικών κυμάτων, δημιουργία συστήματος δίνης και μηχανισμούς αφύπνισης.
Το ιξώδες ενός ρευστού έχει σημαντική επίδραση στην οπισθέλκουσα. Ελλείψει αυτού του στοιχείου, οι δυνάμεις πίεσης που δρουν για να επιβραδύνουν το όχημα εξουδετερώνονται από την ισχύ που βρίσκεται στο πίσω μέρος και ωθεί το όχημα προς τα εμπρός. Αυτό ονομάζεται επαναπίεση, με αποτέλεσμα μηδενική αεροδυναμική οπισθέλκουσα. Δηλαδή, η εργασία που κάνει το σώμα στη ροή του αέρα είναι αναστρέψιμη και ανακτήσιμη καθώς δεν υπάρχουν φαινόμενα τριβής για τη μετατροπή της ενέργειας της ροής σε θερμότητα.
Η ανάκτηση της πίεσης λειτουργεί ακόμα και σε περίπτωση παχύρρευστης κίνησης. Αυτή η τιμή, ωστόσο, έχει ως αποτέλεσμα την ισχύ. Είναι η κυρίαρχη συνιστώσα της οπισθέλκουσας στην περίπτωση οχημάτων με περιοχές διαίρεσης ροής όπου η ανάκτηση κεφαλής θεωρείται μάλλον αναποτελεσματική.
Η δύναμη της τριβής, η οποία είναι η εφαπτομενική ισχύς στην επιφάνειααεροσκάφος, εξαρτάται από τη διαμόρφωση του οριακού στρώματος και το ιξώδες. Η αεροδυναμική οπισθέλκουσα, Df, υπολογίζεται ως η κατάντη προβολή συνόλων τυρφώνων που υπολογίζεται από την επιφάνεια του αμαξώματος.
Το άθροισμα της αντίστασης τριβής και πίεσης ονομάζεται αντίσταση ιξώδους. Από θερμοδυναμική άποψη, τα φαινόμενα του τέλματος είναι μη αναστρέψιμα φαινόμενα και ως εκ τούτου δημιουργούν εντροπία. Η υπολογιζόμενη ιξώδης αντίσταση Dv χρησιμοποιεί αλλαγές σε αυτήν την τιμή για να προβλέψει με ακρίβεια τη δύναμη ανάκαμψης.
Εδώ είναι επίσης απαραίτητο να δοθεί ο τύπος για την πυκνότητα αέρα για το αέριο: РV=m/MRT.
Όταν ένα αεροσκάφος παράγει ανύψωση, υπάρχει ένα άλλο στοιχείο της ώθησης. Προκαλούμενη αντίσταση, Di. Προκύπτει από την αλλαγή στην κατανομή της πίεσης του συστήματος vortex που συνοδεύει την παραγωγή του ανελκυστήρα. Μια εναλλακτική προοπτική ανύψωσης επιτυγχάνεται λαμβάνοντας υπόψη την αλλαγή της ορμής της ροής αέρα. Το φτερό ανακόπτει τον αέρα και τον αναγκάζει να κινηθεί προς τα κάτω. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ίση και αντίθετη δύναμη οπισθέλκουσας που ενεργεί στο φτερό, η οποία είναι ανυψωμένη.
Η αλλαγή της ορμής της ροής αέρα προς τα κάτω οδηγεί σε μείωση της αντίστροφης τιμής. Ότι είναι το αποτέλεσμα της δύναμης που ασκείται προς τα εμπρός στην εφαρμοζόμενη πτέρυγα. Μια ίση αλλά αντίθετη μάζα δρα στο πίσω μέρος, η οποία είναι η επαγόμενη έλξη. Τείνει να είναι το πιο σημαντικό στοιχείο για τα αεροσκάφη κατά την απογείωση ή την προσγείωση. Ένα άλλο αντικείμενο έλξης, η έλξη κύματος (Dw) οφείλεται σε κρουστικά κύματασε υπερηχητικές και υπερηχητικές ταχύτητες της μηχανικής πτήσης. Αυτά τα ρολά προκαλούν αλλαγές στο οριακό στρώμα και την κατανομή πίεσης στην επιφάνεια του σώματος.
Ιστορία
Η ιδέα ότι ένα κινούμενο σώμα που διέρχεται από αέρα (τύπος πυκνότητας) ή άλλο υγρό συναντά αντίσταση είναι γνωστή από την εποχή του Αριστοτέλη. Ένα άρθρο του Louis Charles Breguet που γράφτηκε το 1922 ξεκίνησε μια προσπάθεια μείωσης της αντίστασης μέσω βελτιστοποίησης. Ο συγγραφέας συνέχισε να ζωντανεύει τις ιδέες του, δημιουργώντας αρκετά αεροσκάφη που έσπασαν ρεκόρ τις δεκαετίες του 1920 και του 1930. Η θεωρία του οριακού στρώματος του Ludwig Prandtl το 1920 παρείχε ένα κίνητρο για την ελαχιστοποίηση της τριβής.
Μια άλλη σημαντική έκκληση για αλληλούχιση έγινε από τον Sir Melville Jones, ο οποίος εισήγαγε θεωρητικές έννοιες για να καταδείξει πειστικά τη σημασία της αλληλουχίας στο σχεδιασμό αεροσκαφών. Το 1929, το έργο του The Streamlined Airplane που παρουσιάστηκε στη Βασιλική Αεροναυτική Εταιρεία ήταν καθοριστικής σημασίας. Πρότεινε ένα ιδανικό αεροσκάφος που θα είχε ελάχιστη οπισθέλκουσα, οδηγώντας στην ιδέα ενός «καθαρού» μονοπλάνου και αναδιπλούμενου κάτω οχήματος.
Μία από τις πτυχές της δουλειάς του Jones που συγκλόνισε περισσότερο τους σχεδιαστές της εποχής ήταν η πλοκή της ιπποδύναμής του σε σχέση με την ταχύτητα για ένα πραγματικό και ιδανικό αεροπλάνο. Εάν κοιτάξετε το σημείο δεδομένων για ένα αεροσκάφος και το υπολογίσετε οριζόντια σε μια τέλεια καμπύλη, μπορείτε να δείτε σύντομα την ανταμοιβή για την ίδια ισχύ. Όταν ο Τζόουνς τελείωσε την παρουσίασή του, ένας από τους ακροατέςεπίπεδο σημασίας όπως ο κύκλος Carnot στη θερμοδυναμική.
αντίσταση που προκαλείται από ανύψωση
Η αντίδραση που προκαλείται από την ανύψωση προκύπτει από τη δημιουργία κλίσης σε ένα τρισδιάστατο σώμα, όπως πτέρυγα αεροσκάφους ή άτρακτο. Η επαγόμενη πέδηση αποτελείται κυρίως από δύο στοιχεία:
- Σύρετε λόγω δημιουργίας υστερούντων δίνων.
- Έχετε πρόσθετη ιξώδη οπισθέλκουσα που δεν υπάρχει όταν η ανύψωση είναι μηδέν.
Οι πίσω δίνες στο πεδίο ροής που υπάρχουν ως αποτέλεσμα της ανύψωσης του σώματος οφείλονται στην τυρβώδη ανάμειξη του αέρα πάνω και κάτω από το αντικείμενο, ο οποίος ρέει σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις ως αποτέλεσμα της δημιουργίας ανύψωσης.
Με άλλες παραμέτρους που παραμένουν ίδιες με την ανύψωση που δημιουργείται από το αμάξωμα, αυξάνεται και η αντίσταση που προκαλείται από την κλίση. Αυτό σημαίνει ότι όσο αυξάνεται η γωνία επίθεσης του πτερυγίου, αυξάνεται και ο συντελεστής ανύψωσης, όπως και το ριμπάουντ. Στην αρχή ενός στάβλου, η επιρρεπής αεροδυναμική δύναμη μειώνεται δραματικά, όπως και η αντίσταση που προκαλείται από την ανύψωση. Αλλά αυτή η τιμή αυξάνεται λόγω του σχηματισμού μιας τυρβώδους μη συνδεδεμένης ροής μετά το σώμα.
Πλάστη έλξη
Αυτή είναι η αντίσταση που προκαλείται από την κίνηση ενός στερεού αντικειμένου μέσα από ένα υγρό. Η παρασιτική οπισθέλκουσα έχει πολλά συστατικά, συμπεριλαμβανομένης της κίνησης λόγω ιξώδους πίεσης και λόγω της τραχύτητας της επιφάνειας (τριβή δέρματος). Επιπλέον, η παρουσία πολλών σωμάτων σε σχετική γειτνίαση μπορεί να προκαλέσει το λεγόμενοαντίσταση παρεμβολής, η οποία μερικές φορές περιγράφεται ως συστατικό του όρου.
Στην αεροπορία, η προκαλούμενη αντίστροφη αντίδραση τείνει να είναι ισχυρότερη σε χαμηλότερες ταχύτητες, επειδή απαιτείται υψηλή γωνία επίθεσης για τη διατήρηση της ανύψωσης. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, μπορεί να μειωθεί, καθώς και η επαγόμενη οπισθέλκουσα. Ωστόσο, η παρασιτική έλξη γίνεται μεγαλύτερη επειδή το ρευστό ρέει πιο γρήγορα γύρω από αντικείμενα που προεξέχουν, αυξάνοντας την τριβή.
Σε υψηλότερες ταχύτητες (υπερηχητικές), η έλξη κυμάτων φτάνει σε νέο επίπεδο. Κάθε μία από αυτές τις μορφές απόκρουσης ποικίλλει αναλογικά με τις άλλες ανάλογα με την ταχύτητα. Έτσι, η συνολική καμπύλη οπισθέλκουσας δείχνει ένα ελάχιστο σε κάποια ταχύτητα αέρα - το αεροσκάφος θα είναι στη βέλτιστη ή κοντά στη βέλτιστη απόδοση. Οι πιλότοι θα χρησιμοποιήσουν αυτήν την ταχύτητα για να μεγιστοποιήσουν την αντοχή (ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου) ή την απόσταση ολίσθησης σε περίπτωση βλάβης του κινητήρα.
Καμπύλη ισχύος της αεροπορίας
Η αλληλεπίδραση παρασιτικής και επαγόμενης έλξης ως συνάρτηση της ταχύτητας αέρα μπορεί να αναπαρασταθεί ως χαρακτηριστική γραμμή. Στην αεροπορία, αυτό αναφέρεται συχνά ως καμπύλη ισχύος. Είναι σημαντικό για τους πιλότους γιατί δείχνει ότι κάτω από μια συγκεκριμένη ταχύτητα αέρα, και αντίθετα, απαιτείται περισσότερη ώθηση για να διατηρηθεί καθώς η ταχύτητα αέρα μειώνεται, όχι λιγότερο. Οι συνέπειες του να είσαι «παρασκηνιακά» κατά την πτήση είναι σημαντικές και διδάσκονται ως μέρος της εκπαίδευσης πιλότων. Σε υποηχητικόταχύτητες αέρα όπου το σχήμα U αυτής της καμπύλης είναι σημαντικό, η οπισθέλκουσα των κυμάτων δεν έχει γίνει ακόμη παράγοντας. Γι' αυτό δεν φαίνεται στην καμπύλη.
Πέδηση σε υπερηχητική και υπερηχητική ροή
Συμπιεστική κυματική οπισθέλκουσα είναι η οπισθέλκουσα που δημιουργείται όταν ένα σώμα κινείται μέσα από ένα συμπιέσιμο ρευστό και με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του ήχου στο νερό. Στην αεροδυναμική, η έλξη κυμάτων έχει πολλά στοιχεία ανάλογα με τον τρόπο οδήγησης.
Στην αεροδυναμική υπερηχητικής πτήσης, η έλξη κυμάτων είναι το αποτέλεσμα του σχηματισμού κρουστικών κυμάτων στο υγρό, τα οποία σχηματίζονται κατά τη δημιουργία τοπικών περιοχών υπερηχητικής ροής. Στην πράξη, μια τέτοια κίνηση συμβαίνει σε σώματα που κινούνται πολύ κάτω από την ταχύτητα του σήματος, αφού η τοπική ταχύτητα του αέρα αυξάνεται. Ωστόσο, η πλήρης υπερηχητική ροή πάνω από το όχημα δεν θα αναπτυχθεί έως ότου η τιμή πάει πολύ περισσότερο. Τα αεροσκάφη που πετούν με υπερηχητικές ταχύτητες αντιμετωπίζουν συχνά συνθήκες κυμάτων κατά την κανονική πορεία της πτήσης. Στην υπερηχητική πτήση, αυτή η απώθηση αναφέρεται συνήθως ως διηχητική έλξη συμπιεστότητας. Εντείνεται πολύ καθώς η ταχύτητα πτήσης του αυξάνεται, κυριαρχώντας σε άλλες μορφές σε αυτές τις ταχύτητες.
Σε υπερηχητική πτήση, η έλξη κυμάτων είναι το αποτέλεσμα των κρουστικών κυμάτων που υπάρχουν στο υγρό και προσκολλώνται στο σώμα, που σχηματίζονται στα μπροστινά και στα ακραία άκρα του σώματος. Σε υπερηχητικές ροές ή σε κύτους με αρκετά μεγάλες γωνίες περιστροφής, θα υπάρχεισχηματίζονται χαλαροί κραδασμοί ή καμπύλα κύματα. Επιπλέον, τοπικές περιοχές διηχητικής ροής μπορεί να εμφανιστούν σε χαμηλότερες υπερηχητικές ταχύτητες. Μερικές φορές οδηγούν στην ανάπτυξη πρόσθετων κρουστικών κυμάτων που υπάρχουν στις επιφάνειες άλλων ανυψωτικών σωμάτων, παρόμοια με αυτά που συναντώνται στις υπερηχητικές ροές. Σε ισχυρά καθεστώτα ροής, η αντίσταση κυμάτων συνήθως χωρίζεται σε δύο συνιστώσες:
- Υπερηχητική ανύψωση ανάλογα με την τιμή.
- Όγκος, που εξαρτάται επίσης από την έννοια.
Η λύση κλειστής μορφής για την ελάχιστη κυματική αντίσταση ενός σώματος περιστροφής με σταθερό μήκος βρέθηκε από τους Sears και Haack και είναι γνωστή ως "Seers-Haack Distribution". Ομοίως, για έναν σταθερό όγκο, η μορφή για την ελάχιστη αντίσταση κύματος είναι "Von Karman Ogive".
Το διπλάνο του Busemann, καταρχήν, δεν υπόκειται καθόλου σε τέτοιες ενέργειες όταν λειτουργεί με σχεδιαστική ταχύτητα, αλλά δεν είναι επίσης ικανό να δημιουργήσει ανύψωση.
Προϊόντα
Η αεροσήραγγα είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται στην έρευνα για τη μελέτη της επίδρασης του αέρα που κινείται δίπλα σε στερεά αντικείμενα. Αυτό το σχέδιο αποτελείται από μια σωληνοειδή δίοδο με το υπό δοκιμή αντικείμενο τοποθετημένο στη μέση. Ο αέρας μετακινείται πέρα από το αντικείμενο με ένα ισχυρό σύστημα ανεμιστήρα ή άλλο μέσο. Το αντικείμενο δοκιμής, που συχνά αναφέρεται ως μοντέλο σωλήνα, είναι εξοπλισμένο με κατάλληλους αισθητήρες για τη μέτρηση των αεροπορικών δυνάμεων, την κατανομή της πίεσης ή άλλααεροδυναμικά χαρακτηριστικά. Αυτό είναι επίσης απαραίτητο για να παρατηρήσετε και να διορθώσετε έγκαιρα το πρόβλημα στο σύστημα.
Ποιοι είναι οι τύποι αεροσκαφών
Ας δούμε πρώτα την ιστορία. Οι παλαιότερες αεροσήραγγα εφευρέθηκαν στα τέλη του 19ου αιώνα, στις πρώτες μέρες της αεροπορικής έρευνας. Τότε ήταν που πολλοί προσπάθησαν να αναπτύξουν επιτυχημένα βαρύτερα από τον αέρα αεροσκάφη. Η αεροδυναμική σήραγγα σχεδιάστηκε ως μέσο αντιστροφής του συμβατικού παραδείγματος. Αντί να στέκεται ακίνητο και να κινείται ένα αντικείμενο μέσα από αυτό, το ίδιο αποτέλεσμα θα επιτυγχάνεται εάν το αντικείμενο σταματά και ο αέρας κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Με αυτόν τον τρόπο, ένας ακίνητος παρατηρητής μπορεί να μελετήσει το ιπτάμενο προϊόν σε δράση και να μετρήσει την πρακτική αεροδυναμική που του επιβάλλεται.
Η ανάπτυξη σωλήνων συνόδευσε την ανάπτυξη του αεροσκάφους. Μεγάλα αεροδυναμικά αντικείμενα κατασκευάστηκαν κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Η δοκιμή σε έναν τέτοιο σωλήνα θεωρήθηκε στρατηγικά σημαντική κατά την ανάπτυξη υπερηχητικών αεροσκαφών και πυραύλων κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου. Σήμερα, τα αεροσκάφη είναι οτιδήποτε. Και σχεδόν όλες οι πιο σημαντικές εξελίξεις έχουν ήδη εισαχθεί στην καθημερινή ζωή.
Αργότερα η έρευνα σε αεροσήραγγα έγινε αυτονόητη. Η επίδραση του ανέμου σε ανθρωπογενείς κατασκευές ή αντικείμενα έπρεπε να μελετηθεί όταν τα κτίρια έγιναν αρκετά ψηλά ώστε να παρουσιάζουν μεγάλες επιφάνειες στον άνεμο και οι δυνάμεις που προέκυπταν έπρεπε να αντισταθούν από τα εσωτερικά στοιχεία του κτιρίου. Ο ορισμός τέτοιων συνόλων ήταν απαραίτητος πριν μπορέσουν οι οικοδομικοί κώδικεςπροσδιορίζει την απαιτούμενη αντοχή των κατασκευών. Και τέτοιες δοκιμές συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται για μεγάλα ή ασυνήθιστα κτίρια μέχρι σήμερα.
Ακόμη και αργότερα, εφαρμόστηκαν έλεγχοι στην αεροδυναμική οπισθέλκουσα των αυτοκινήτων. Αλλά αυτό δεν ήταν για να καθορίσει τις δυνάμεις αυτές καθαυτές, αλλά για να καθορίσει τρόπους για να μειώσει την ισχύ που απαιτείται για τη μετακίνηση του αυτοκινήτου κατά μήκος των οδοστρωμάτων με δεδομένη ταχύτητα. Σε αυτές τις μελέτες, η αλληλεπίδραση μεταξύ δρόμου και οχήματος παίζει σημαντικό ρόλο. Αυτός είναι που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των δοκιμών.
Σε μια πραγματική κατάσταση, ο δρόμος κινείται σε σχέση με το όχημα, αλλά ο αέρας εξακολουθεί να είναι σε σχέση με τον δρόμο. Αλλά σε μια αεροδυναμική σήραγγα, ο αέρας κινείται σε σχέση με το δρόμο. Ενώ το τελευταίο είναι ακίνητο σε σχέση με το όχημα. Ορισμένες αεροσήραγγα οχημάτων δοκιμής περιλαμβάνουν κινούμενες ζώνες κάτω από το όχημα δοκιμής. Αυτό γίνεται για να πλησιάσουμε στην πραγματική κατάσταση. Παρόμοιες συσκευές χρησιμοποιούνται σε διαμορφώσεις απογείωσης και προσγείωσης αεροσήραγγας.
Εξοπλισμός
Δείγματα αθλητικού εξοπλισμού είναι επίσης κοινά εδώ και πολλά χρόνια. Περιλάμβαναν μπαστούνια και μπάλες γκολφ, ολυμπιακά έλκηθρα και ποδηλάτες και κράνη αγωνιστικών αυτοκινήτων. Η αεροδυναμική του τελευταίου είναι ιδιαίτερα σημαντική σε οχήματα με ανοιχτή καμπίνα (Indycar, Formula 1). Η υπερβολική δύναμη ανύψωσης στο κράνος μπορεί να προκαλέσει σημαντική πίεσηστον λαιμό του οδηγού και ο διαχωρισμός ροής στην πίσω πλευρά είναι μια ταραχώδης σφράγιση και, ως αποτέλεσμα, εξασθενημένη όραση στις υψηλές ταχύτητες.
Η πρόοδος στις προσομοιώσεις υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (CFD) σε ψηφιακούς υπολογιστές υψηλής ταχύτητας μείωσε την ανάγκη για δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας. Ωστόσο, τα αποτελέσματα CFD εξακολουθούν να μην είναι απολύτως αξιόπιστα, αυτό το εργαλείο χρησιμοποιείται για την επαλήθευση των προβλέψεων CFD.
