کشش آیرودینامیکی نیرویی است که برخلاف حرکت نسبی هر جسمی عمل می کند. می تواند بین دو لایه سطح جامد وجود داشته باشد. بر خلاف سایر مجموعه‌های مقاومتی، مانند اصطکاک خشک، که تقریباً مستقل از سرعت هستند، نیروهای پسا از مقدار معینی تبعیت می‌کنند. اگرچه علت نهایی این عمل اصطکاک ویسکوز است، تلاطم مستقل از آن است. نیروی پسا متناسب با سرعت جریان آرام است.
مفهوم
کشش آیرودینامیکی نیرویی است که بر هر جسم جامد متحرکی در جهت سیال مقابل وارد می شود. از نظر تقریب میدان نزدیک، پسا نتیجه نیروهای ناشی از توزیع فشار بر روی سطح جسم است که نماد آن D است. به دلیل اصطکاک پوستی که حاصل ویسکوزیته است، De نشان داده می شود. به طور متناوب، از نقطه نظر میدان جریان، نیرو محاسبه می شودمقاومت در نتیجه سه پدیده طبیعی ایجاد می شود: امواج ضربه ای، لایه گرداب و ویسکوزیته. همه اینها را می توان در جدول کشش آیرودینامیک یافت.
نمای کلی
توزیع فشار وارد بر سطح جسم بر نیروهای بزرگ تأثیر می گذارد. آنها به نوبه خود می توانند خلاصه شوند. اجزای پایین دستی این مقدار به دلیل توزیع فشاری که بر بدن تأثیر می گذارد، قدرت درگ، Drp را تشکیل می دهند. ماهیت این نیروها اثرات موج ضربه، تولید سیستم گرداب و مکانیسم‌های بیداری را ترکیب می‌کند.
ویسکوزیته سیال تأثیر قابل توجهی بر درگ دارد. در غیاب این جزء، نیروهای فشاری که برای کند کردن خودرو عمل می کنند، توسط نیرویی که در قسمت عقب قرار دارد خنثی شده و خودرو را به جلو می راند. به این حالت فشار مجدد می گویند که منجر به کشش آیرودینامیکی صفر می شود. یعنی کاری که بدن روی جریان هوا انجام می دهد برگشت پذیر و قابل بازیابی است زیرا هیچ اثر اصطکاکی برای تبدیل انرژی جریان به گرما وجود ندارد.
بازیابی فشار حتی در صورت حرکت چسبناک نیز کار می کند. با این حال، این مقدار منجر به قدرت می شود. این جزء غالب درگ در مورد وسایل نقلیه با مناطق جریان تقسیم شده است که در آن بازیابی سر نسبتاً ناکارآمد در نظر گرفته می شود.
نیروی اصطکاک که قدرت مماسی روی سطح استهواپیما، به پیکربندی لایه مرزی و ویسکوزیته بستگی دارد. کشش آیرودینامیک، Df، به عنوان پیش‌بینی پایین دست مجموعه‌های باتلاق برآورد شده از سطح بدن محاسبه می‌شود.
مجموع مقاومت اصطکاک و فشار را مقاومت چسبناک می گویند. از منظر ترمودینامیکی، اثرات باتلاق پدیده‌های برگشت ناپذیری هستند و از این رو آنتروپی ایجاد می‌کنند. مقاومت ویسکوز محاسبه شده Dv از تغییرات این مقدار برای پیش بینی دقیق نیروی برگشت استفاده می کند.
در اینجا همچنین لازم است که فرمول چگالی هوا را برای گاز ارائه دهیم: РV=m/MRT.
هنگامی که یک هواپیما بالابر تولید می کند، جزء دیگری از فشار بک وجود دارد. مقاومت القایی، دی. این ناشی از تغییر در توزیع فشار سیستم گردابی است که با تولید آسانسور همراه است. با در نظر گرفتن تغییر در تکانه جریان هوا، یک چشم انداز آسانسور جایگزین به دست می آید. بال هوا را قطع می کند و آن را مجبور به حرکت به سمت پایین می کند. این منجر به نیروی کششی مساوی و مخالفی می شود که بر روی بال اثر می گذارد، که بالابر است.
تغییر تکانه جریان هوا به پایین منجر به کاهش مقدار معکوس می شود. که نتیجه نیروی وارد شده به جلو بر روی بال اعمال شده است. یک جرم مساوی اما مخالف در پشت عمل می کند که کشش القایی است. این مهم ترین جزء برای هواپیما در هنگام برخاستن یا فرود است. یکی دیگر از شی های کشش، کشش موج (Dw) به دلیل امواج ضربه ای استدر سرعت های فراصوت و مافوق صوت مکانیک پرواز. این رول ها باعث تغییر در لایه مرزی و توزیع فشار در سطح بدن می شوند.
تاریخ
این ایده که جسم متحرکی که از هوا (فرمول چگالی) یا مایعات دیگر عبور می کند با مقاومت مواجه می شود از زمان ارسطو شناخته شده بود. مقاله ای از لوئیس چارلز برگوئت که در سال 1922 نوشته شد، تلاشی را برای کاهش درگ از طریق بهینه سازی آغاز کرد. نویسنده همچنان ایده های خود را زنده کرد و چندین هواپیمای رکورد شکن را در دهه های 1920 و 1930 ساخت. نظریه لایه مرزی لودویگ پراندتل در سال 1920 انگیزه ای برای به حداقل رساندن اصطکاک ایجاد کرد.
فراخوان مهم دیگری برای توالی یابی توسط سر ملویل جونز انجام شد که مفاهیم نظری را برای نشان دادن اهمیت توالی در طراحی هواپیما معرفی کرد. در سال 1929، کار او با عنوان The Streamlined Airplane به انجمن سلطنتی هوانوردی ارائه شد. او یک هواپیمای ایده‌آل را پیشنهاد کرد که دارای حداقل کشش باشد و به مفهوم یک هواپیمای تک هواپیمای "تمیز" و زیرشاخه جمع شونده منجر شود.
یکی از جنبه های کار جونز که بیشتر طراحان آن زمان را شوکه کرد، طرح قدرت اسب او در مقابل سرعت برای یک هواپیمای واقعی و ایده آل بود. اگر به نقطه داده یک هواپیما نگاه کنید و آن را به صورت افقی به یک منحنی کامل برون یابی کنید، می توانید به زودی نتیجه همان قدرت را ببینید. وقتی جونز سخنرانی خود را به پایان رساند، یکی از شنوندگانسطح اهمیت به عنوان چرخه کارنو در ترمودینامیک.
مقاومت ناشی از لیفت
واکنش برگشتی ناشی از بالابر از ایجاد شیب روی بدنه سه بعدی مانند بال یا بدنه هواپیما ناشی می شود. ترمز القایی عمدتاً از دو جزء تشکیل شده است:
- کشیدن به دلیل ایجاد گرداب های دنباله دار.
- داشتن کشش ویسکوز اضافی که وقتی بالابر صفر است وجود ندارد.
گردابهای پشتی در میدان جریان که در نتیجه بلند شدن بدنه وجود دارد به دلیل اختلاط متلاطم هوا در بالا و پایین جسم است که در نتیجه ایجاد بالابر در چندین جهت مختلف جریان دارد..
با سایر پارامترهایی که مانند بالابر ایجاد شده توسط بدنه باقی می مانند، مقاومت ناشی از شیب نیز افزایش می یابد. این بدان معناست که با افزایش زاویه حمله بال، ضریب لیفت و همچنین ریباند افزایش می یابد. در شروع یک استال، نیروی آیرودینامیکی مستعد به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد، همانطور که درگ ناشی از بالابر کاهش می‌یابد. اما این مقدار به دلیل تشکیل یک جریان ناپیوسته متلاطم پس از بدن افزایش می یابد.
کشیدن جعلی
این مقاومت ناشی از حرکت یک جسم جامد در یک مایع است. کشش انگلی دارای اجزای متعددی از جمله حرکت در اثر فشار ویسکوز و به دلیل زبری سطح (اصطکاک پوست) است. علاوه بر این، وجود چند بدن در مجاورت نسبی می تواند باعث به اصطلاحمقاومت تداخلی، که گاهی اوقات به عنوان جزئی از این اصطلاح توصیف می شود.
در هوانوردی، واکنش متقابل القایی در سرعت‌های پایین‌تر قوی‌تر می‌شود، زیرا برای حفظ ارتفاع به زاویه حمله بالا نیاز است. با این حال، با افزایش سرعت، می توان آن را کاهش داد و همچنین کشش القایی را کاهش داد. با این حال، کشش انگلی بیشتر می شود زیرا مایع سریعتر در اطراف اجسام بیرون زده جریان می یابد و اصطکاک را افزایش می دهد.
در سرعت های بالاتر (ترانسونیک)، کشش موج به سطح جدیدی می رسد. هر یک از این اشکال دافعه به نسبت سایرین بسته به سرعت متفاوت است. بنابراین منحنی کشش کلی در برخی از سرعت های هوایی حداقل را نشان می دهد - هواپیما در بازدهی بهینه یا نزدیک به آن خواهد بود. خلبانان از این سرعت برای به حداکثر رساندن استقامت (حداقل مصرف سوخت) یا سر خوردن در صورت خرابی موتور استفاده خواهند کرد.
منحنی قدرت هوانوردی
برهم کنش کشش انگلی و القا شده به عنوان تابعی از سرعت هوا را می توان به عنوان یک خط مشخصه نشان داد. در هوانوردی اغلب به این منحنی قدرت گفته می شود. برای خلبانان مهم است زیرا نشان می دهد که زیر یک سرعت هوایی خاص، و به طور غیرمستقیم، نیروی رانش بیشتری برای حفظ آن با کاهش سرعت هوا لازم است، نه کمتر. مفاهیم "پشت صحنه" بودن در پرواز مهم است و به عنوان بخشی از آموزش خلبانی آموزش داده می شود. در مادون صوتسرعت های هوایی که در آن U شکل این منحنی قابل توجه است، کشش موج هنوز به یک عامل تبدیل نشده است. به همین دلیل است که روی منحنی نشان داده نمی شود.
ترمز در جریان فراصوت و مافوق صوت
کشش موج فشاری، کششی است که هنگام حرکت جسمی در یک سیال قابل تراکم و با سرعتی نزدیک به سرعت صوت در آب ایجاد می شود. در آیرودینامیک، کشش موج دارای اجزای زیادی بسته به حالت رانندگی است.
در آیرودینامیک پرواز فراصوت، کشش موج نتیجه تشکیل امواج ضربه ای در مایع است که هنگام ایجاد مناطق محلی جریان مافوق صوت ایجاد می شود. در عمل، چنین حرکتی در اجسامی که بسیار کمتر از سرعت سیگنال حرکت می کنند، رخ می دهد، زیرا سرعت محلی هوا افزایش می یابد. با این حال، جریان مافوق صوت کامل بر روی وسیله نقلیه توسعه نخواهد یافت تا زمانی که مقدار آن بسیار بیشتر شود. هواپیماهایی که با سرعت فراصوتی پرواز می کنند، اغلب در طول مسیر عادی پرواز، شرایط موج را تجربه می کنند. در پرواز فرا صوت، این دافعه معمولاً به عنوان کشش تراکم پذیری فراصونی شناخته می شود. با افزایش سرعت پرواز آن، به شدت تشدید می‌شود و در آن سرعت‌ها بر اشکال دیگر تسلط پیدا می‌کند.
در پرواز مافوق صوت، کشش موج نتیجه امواج ضربه ای است که در مایع وجود دارد و به بدن متصل می شود و در لبه های جلویی و انتهایی بدن تشکیل می شود. در جریان های مافوق صوت، یا در بدنه هایی با زوایای چرخش به اندازه کافی بزرگ، در عوض وجود خواهد داشت.شوک شل یا امواج منحنی شکل می گیرد. علاوه بر این، نواحی محلی جریان فراصوتی می توانند در سرعت های مافوق صوت پایین تر رخ دهند. گاهی اوقات آنها منجر به ایجاد امواج ضربه ای اضافی می شوند که بر روی سطوح دیگر بدنه های بالابر وجود دارد، مشابه امواج موجود در جریان های فراصوتی. در رژیم های جریان قدرتمند، مقاومت موج معمولاً به دو جزء تقسیم می شود:
- لیفت مافوق صوت بسته به مقدار.
- Volume که به مفهوم هم بستگی دارد.
راه حل شکل بسته برای حداقل مقاومت موج یک جسم چرخشی با طول ثابت توسط Sears و Haack پیدا شد و به عنوان "Seers-Haack Distribution" شناخته می شود. به طور مشابه، برای یک حجم ثابت، فرم حداقل مقاومت موج "فون کارمان اوگیو" است.
دوبالای Busemann اصولاً در هنگام کار با سرعت طراحی به هیچ وجه تحت چنین اقدامی قرار نمی گیرد، اما همچنین قادر به ایجاد بالابر نیست.
محصولات
تونل باد ابزاری است که در تحقیقات برای مطالعه تأثیر هوا در حال حرکت از کنار اجسام جامد استفاده می شود. این طرح شامل یک گذرگاه لوله ای است که جسم مورد آزمایش در وسط آن قرار می گیرد. هوا توسط یک سیستم فن قدرتمند یا وسایل دیگر از کنار جسم عبور می کند. جسم آزمایشی که اغلب به عنوان مدل لوله از آن یاد می شود، مجهز به حسگرهای مناسب برای اندازه گیری نیروهای هوایی، توزیع فشار یا موارد دیگر است.ویژگی های آیرودینامیکی این نیز برای تشخیص و اصلاح به موقع مشکل در سیستم ضروری است.
انواع هواپیما چیست
بیایید ابتدا به تاریخ نگاه کنیم. اولین تونل های باد در اواخر قرن نوزدهم، در روزهای اولیه تحقیقات هوانوردی اختراع شدند. در آن زمان بود که بسیاری تلاش کردند تا هواپیماهای موفقی سنگین تر از هوا بسازند. تونل باد به عنوان وسیله ای برای معکوس کردن پارادایم معمولی در نظر گرفته شد. به جای ایستادن و حرکت یک جسم از طریق آن، اگر جسم ثابت بایستد و هوا با سرعت بیشتری حرکت کند، همین اثر حاصل می شود. به این ترتیب، یک ناظر ثابت می تواند محصول پرنده را در عمل مطالعه کند و آیرودینامیک عملی تحمیل شده بر آن را اندازه گیری کند.
توسعه لوله ها با توسعه هواپیما همراه بود. اقلام آیرودینامیکی بزرگ در طول جنگ جهانی دوم ساخته شد. آزمایش در چنین لوله ای در طول توسعه هواپیماها و موشک های مافوق صوت در طول جنگ سرد از اهمیت راهبردی برخوردار بود. امروزه هواپیما هر چیزی است. و تقریباً همه مهم‌ترین پیشرفت‌ها قبلاً وارد زندگی روزمره شده‌اند.
بعدها تحقیق در مورد تونل باد یک امر مسلم شد. تأثیر باد بر سازه‌ها یا اشیاء ساخته دست بشر باید زمانی مورد مطالعه قرار می‌گرفت که ساختمان‌ها به اندازه‌ای بلند می‌شدند که سطوح بزرگی را به باد نشان می‌دادند و نیروهای حاصل باید توسط عناصر داخلی ساختمان مقاومت می‌کردند. تعریف چنین مجموعه‌هایی قبل از ساخت کدهای ساختمانی ضروری بودتعیین مقاومت مورد نیاز سازه ها و تا به امروز از این آزمایش‌ها برای ساختمان‌های بزرگ یا غیرعادی استفاده می‌شود.
حتی بعداً، بررسی هایی در مورد درگ آیرودینامیکی خودروها اعمال شد. اما این برای تعیین نیروها به این صورت نبود، بلکه برای ایجاد راه هایی برای کاهش قدرت مورد نیاز برای حرکت خودرو در امتداد بستر جاده ها با سرعت معین بود. در این مطالعات، تعامل بین جاده و وسیله نقلیه نقش بسزایی دارد. این اوست که باید هنگام تفسیر نتایج آزمون مورد توجه قرار گیرد.
در یک موقعیت واقعی، جاده نسبت به وسیله نقلیه حرکت می کند، اما هوا همچنان نسبت به جاده است. اما در یک تونل باد، هوا نسبت به جاده حرکت می کند. در حالی که دومی نسبت به وسیله نقلیه ثابت است. برخی از تونل‌های باد خودروی آزمایشی شامل تسمه‌های متحرک زیر خودروی آزمایشی هستند. این برای نزدیک شدن به وضعیت واقعی است. دستگاه‌های مشابهی در پیکربندی‌های برخاستن و فرود تونل باد استفاده می‌شوند.
تجهیزات
نمونه تجهیزات ورزشی نیز سالهاست که رایج بوده است. آنها شامل چوب و توپ گلف، دوچرخه سواران و دوچرخه سواران المپیک و کلاه ایمنی اتومبیل های مسابقه بودند. آیرودینامیک دومی به ویژه در وسایل نقلیه با کابین باز (ایندیکار، فرمول یک) مهم است. نیروی بلند کردن بیش از حد روی کلاه می تواند استرس قابل توجهی ایجاد کندبر روی گردن راننده، و جداسازی جریان در سمت عقب یک آب بندی متلاطم و در نتیجه، اختلال در دید در سرعت های بالا است.
پیشرفت در شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در رایانه های دیجیتالی پرسرعت، نیاز به آزمایش تونل باد را کاهش داده است. با این حال نتایج CFD هنوز کاملا قابل اعتماد نیستند، این ابزار برای تأیید پیش‌بینی‌های CFD استفاده می‌شود.
