Aerodynamický odpor je síla působící proti relativnímu pohybu jakéhokoli objektu. Může existovat mezi dvěma vrstvami pevného povrchu. Na rozdíl od jiných odporových sad, jako je suché tření, které jsou téměř nezávislé na rychlosti, se brzdné síly řídí danou hodnotou. Ačkoli konečnou příčinou působení je viskózní tření, turbulence na něm nezávisí. Síla odporu je úměrná rychlosti laminárního proudění.
Koncept
Aerodynamický odpor je síla, která působí na jakékoli pohybující se pevné těleso ve směru proudící tekutiny. Z hlediska aproximace blízkého pole je odpor výsledkem sil v důsledku rozložení tlaku na povrch předmětu, symbolizovaného D. V důsledku tření kůže, které je výsledkem viskozity, se označuje De. Případně, počítáno z pohledu proudového pole, sílaodpor vzniká jako výsledek tří přírodních jevů: rázové vlny, vířivá vrstva a viskozita. To vše najdete v tabulce aerodynamického odporu.
Přehled
Rozložení tlaku působícího na povrch tělesa ovlivňuje velké síly. Ty se zase dají shrnout. Následující složky této hodnoty tvoří odporovou sílu, Drp, v důsledku rozložení tlaku, který působí na tělo. Povaha těchto sil kombinuje efekty rázových vln, vytváření vírového systému a mechanismy probuzení.
Viskozita kapaliny má významný vliv na odpor. V nepřítomnosti této součásti jsou tlakové síly působící na zpomalení vozidla neutralizovány výkonem, který je v zadní části a tlačí vozidlo dopředu. Tomu se říká přetlakování, jehož výsledkem je nulový aerodynamický odpor. To znamená, že práce, kterou tělo vykonává na proudění vzduchu, je vratná a obnovitelná, protože nedochází k žádným třecím efektům, které by přeměňovaly energii proudění na teplo.
Obnova tlaku funguje i v případě viskózního pohybu. Tato hodnota však vede k výkonu. Je to dominantní složka odporu v případě vozidel s oblastmi s rozděleným prouděním, kde je zpětné přetlakování považováno za spíše neefektivní.
Síla tření, což je tangenciální síla na povrchuletadla, závisí na konfiguraci mezní vrstvy a viskozitě. Aerodynamický odpor, Df, se vypočítá jako projekce rašelinišť po proudu odhadnutá z povrchu těla.
Součet odporu tření a tlaku se nazývá viskózní odpor. Z termodynamického hlediska jsou bažinaté efekty nevratné jevy, a proto vytvářejí entropii. Vypočítaný viskózní odpor Dv využívá změny této hodnoty k přesné předpovědi odrazové síly.
Zde je také nutné zadat vzorec pro hustotu vzduchu pro plyn: РV=m/MRT.
Když letadlo produkuje vztlak, existuje další složka tlačení. Indukovaný odpor, Di. Vzniká změnou rozložení tlaku vírového systému, která doprovází výrobu výtahu. Alternativní perspektivy zdvihu je dosaženo zvážením změny hybnosti proudu vzduchu. Křídlo zachycuje vzduch a nutí ho posunout se dolů. To má za následek stejnou a opačnou brzdnou sílu působící na křídlo, což je vztlak.
Změna hybnosti proudění vzduchu dolů vede ke snížení zpětné hodnoty. Že je výsledkem síly působící dopředu na aplikované křídlo. Na záda působí stejná, ale opačná hmota, což je indukovaný odpor. Bývá nejdůležitější součástí letadel při vzletu nebo přistání. Další přetahovaný objekt, vlnový odpor (Dw) je způsoben rázovými vlnamipři transsonických a nadzvukových rychlostech mechaniky letu. Tyto válečky způsobují změny v mezní vrstvě a rozložení tlaku po povrchu těla.
Historie
Myšlenka, že pohybující se těleso procházející vzduchem (hustotní vzorec) nebo jinou kapalinou naráží na odpor, je známá již od dob Aristotela. Článek Louise Charlese Bregueta napsaný v roce 1922 zahájil úsilí o snížení odporu pomocí optimalizace. Autor pokračoval v uvádění svých nápadů do života a ve 20. a 30. letech vytvořil několik rekordních letadel. Teorie hraniční vrstvy Ludwiga Prandtla z roku 1920 poskytla podnět k minimalizaci tření.
Další důležitou výzvou k sekvenování byl Sir Melville Jones, který představil teoretické koncepty, aby přesvědčivě demonstroval důležitost sekvenování v konstrukci letadel. V roce 1929 byla klíčová jeho práce The Streamlined Airplane prezentovaná Royal Aeronautical Society. Navrhl ideální letadlo, které by mělo minimální odpor vzduchu, což vedlo ke koncepci „čistého“jednoplošníku a zatahovacího podvozku.
Jedním z aspektů Jonesovy práce, který nejvíce šokoval designéry té doby, byl jeho zápletka koňské síly versus rychlost pro skutečné a ideální letadlo. Pokud se podíváte na datový bod pro letadlo a extrapolujete jej vodorovně na dokonalou křivku, brzy uvidíte, že se stejný výkon vyplatí. Když Jones dokončil svou prezentaci, jeden z posluchačůúroveň důležitosti jako Carnotův cyklus v termodynamice.
Odpor vyvolaný zvednutím
Vůle vyvolaná vztlakem je výsledkem vytvoření sklonu na trojrozměrném tělese, jako je křídlo nebo trup letadla. Indukované brzdění se skládá hlavně ze dvou složek:
- Táhněte kvůli vytváření koncových vírů.
- Dodatečný viskózní odpor, který není přítomen, když je zdvih nulový.
Zpětné víry v proudovém poli přítomné v důsledku zvedání těla jsou způsobeny turbulentním mícháním vzduchu nad a pod objektem, který proudí v několika různých směrech v důsledku vytvoření vztlaku.
S ostatními parametry, které zůstávají stejné jako zdvih vytvořený tělem, se také zvyšuje odpor způsobený svahem. To znamená, že s rostoucím úhlem náběhu křídla roste koeficient vztlaku a také odskok. Na začátku pádu prudce klesá náchylná aerodynamická síla, stejně jako odpor způsobený vztlakem. Tato hodnota se však zvyšuje v důsledku tvorby turbulentního volného proudění za tělesem.
Nepravé přetažení
Toto je odpor způsobený pohybem pevného předmětu kapalinou. Parazitní odpor má několik složek, včetně pohybu v důsledku viskózního tlaku a v důsledku drsnosti povrchu (tření kůže). Navíc přítomnost více těles v relativní blízkosti může způsobit tzvodolnost proti rušení, která je někdy popisována jako součást termínu.
V letectví bývá indukovaná vůle silnější při nižších rychlostech, protože k udržení vztlaku je potřeba velký úhel náběhu. Jak se však rychlost zvyšuje, lze ji snížit, stejně jako indukovaný odpor. Parazitní odpor je však větší, protože tekutina proudí rychleji kolem vyčnívajících předmětů a zvyšuje tření.
Při vyšších rychlostech (transonic) dosahuje vlnový odpor nové úrovně. Každá z těchto forem odpuzování se úměrně liší od ostatních v závislosti na rychlosti. Takže celková křivka odporu ukazuje minimum při určité rychlosti letu - letadlo bude na nebo blízko optimální účinnosti. Piloti použijí tuto rychlost k maximalizaci vytrvalosti (minimální spotřeby paliva) nebo klouzavosti v případě poruchy motoru.
Křivka výkonu letectví
Vzájemné působení parazitního a indukovaného odporu jako funkce vzdušné rychlosti může být reprezentováno jako charakteristická čára. V letectví se tomu často říká výkonová křivka. Je to důležité pro piloty, protože to ukazuje, že pod určitou vzdušnou rychlostí a kontraintuitivně je k jejímu udržení při klesající rychlosti potřeba větší tah, ne menší. Důsledky „v zákulisí“za letu jsou důležité a vyučují se jako součást pilotního výcviku. Na podzvukurychlosti vzduchu, kde je tvar U této křivky významný, se vlnový odpor ještě nestal faktorem. To je důvod, proč není zobrazen na křivce.
Brzdění v transsonickém a nadzvukovém proudění
Kompresivní vlnový odpor je odpor, který vzniká, když se těleso pohybuje stlačitelnou tekutinou a rychlostí blízkou rychlosti zvuku ve vodě. V aerodynamice má vlnový odpor mnoho složek v závislosti na jízdním režimu.
V aerodynamice transsonických letů je vlnový odpor výsledkem vytváření rázových vln v kapalině, které se tvoří při vytváření místních oblastí nadzvukového proudění. V praxi k takovému pohybu dochází na tělesech pohybujících se hluboko pod rychlostí signálu, protože místní rychlost vzduchu se zvyšuje. Plné nadzvukové proudění nad vozidlem se však nevyvine, dokud hodnota nezasáhne mnohem dále. Letadla letící transsonickou rychlostí často zažívají vlnové podmínky během normálního letu. V transsonickém letu se toto odpuzování běžně označuje jako transsonický odpor stlačitelnosti. Se zvyšující se rychlostí letu značně zesiluje a při těchto rychlostech dominuje ostatním formám.
Při nadzvukovém letu je vlnový odpor výsledkem rázových vln přítomných v tekutině a připojených k tělu, které se tvoří na přední a zadní hraně těla. V nadzvukových proudech nebo v trupech s dostatečně velkými úhly rotace bude místo toho existovatvznikají volné rázy nebo zakřivené vlny. Kromě toho se mohou místní oblasti transsonického proudění vyskytovat při nižších nadzvukových rychlostech. Někdy vedou k rozvoji dalších rázových vln přítomných na površích jiných výtahových těles, podobných těm, které se nacházejí v transsonických prouděních. Ve výkonných režimech proudění je vlnový odpor obvykle rozdělen na dvě složky:
- Nadzvukový výtah v závislosti na hodnotě.
- Objem, který také závisí na konceptu.
Uzavřené řešení pro minimální vlnový odpor rotačního tělesa s pevnou délkou našli Sears a Haack a je známé jako "Seers-Haack Distribution". Podobně pro pevný objem je tvar minimálního vlnového odporu „Von Karman Ogive“.
Busemannův dvouplošník v zásadě nepodléhá takovému působení vůbec při provozu při projektované rychlosti, ale také není schopen generovat vztlak.
Produkty
Větrný tunel je nástroj používaný ve výzkumu ke studiu účinku vzduchu pohybujícího se kolem pevných objektů. Tato konstrukce sestává z trubkového průchodu s testovaným objektem umístěným uprostřed. Vzduch se pohybuje kolem objektu pomocí výkonného ventilátorového systému nebo jiných prostředků. Testovaný objekt, často označovaný jako model potrubí, je vybaven vhodnými senzory pro měření vzdušných sil, rozložení tlaku, popř.aerodynamické vlastnosti. To je také nutné, abychom si všimli a včas napravili problém v systému.
Jaké jsou typy letadel
Pojďme se nejprve podívat do historie. Nejstarší aerodynamické tunely byly vynalezeny na konci 19. století, v počátcích leteckého výzkumu. Tehdy se mnozí pokoušeli vyvinout úspěšná letadla těžší než vzduch. Aerodynamický tunel byl koncipován jako prostředek k obrácení konvenčního paradigmatu. Namísto stání a pohybu předmětu by stejného efektu bylo dosaženo, kdyby předmět stál a vzduch by se pohyboval vyšší rychlostí. Tímto způsobem může stacionární pozorovatel studovat létající produkt v akci a měřit praktickou aerodynamiku, která je na něj kladena.
Vývoj dýmek doprovázel vývoj letadla. Velké aerodynamické prvky byly postaveny během druhé světové války. Testování v takovém tubusu bylo považováno za strategicky důležité při vývoji nadzvukových letadel a raket během studené války. Dnes jsou letadla čímkoli. A téměř všechny nejdůležitější novinky již byly zavedeny do každodenního života.
Pozdější výzkum aerodynamických tunelů se stal samozřejmostí. Účinek větru na uměle vytvořené struktury nebo předměty bylo třeba studovat, když se budovy staly dostatečně vysokými, aby větru představovaly velké plochy, a výsledným silám musely odolávat vnitřní prvky budovy. Definice takových souborů byla vyžadována dříve, než to mohly stavební předpisyurčit požadovanou pevnost konstrukcí. A takové testy se dodnes používají pro velké nebo neobvyklé budovy.
Ještě později byly kontroly aerodynamického odporu automobilů. Nešlo však o určení sil jako takových, ale o stanovení způsobů, jak snížit výkon potřebný k pohybu vozu po vozovkách při dané rychlosti. V těchto studiích hraje významnou roli interakce mezi vozovkou a vozidlem. Je to on, kdo musí být brán v úvahu při interpretaci výsledků testů.
V reálné situaci se vozovka pohybuje vzhledem k vozidlu, ale vzduch je stále vzhledem k vozovce. Ale ve větrném tunelu se vzduch pohybuje vzhledem k vozovce. Zatímco druhý je nehybný vzhledem k vozidlu. Některé aerodynamické tunely testovacích vozidel zahrnují pohyblivé pásy pod testovacím vozidlem. Jde o to přiblížit se skutečnému stavu. Podobná zařízení se používají v konfiguraci vzletu a přistání v aerodynamickém tunelu.
Zařízení
Ukázky sportovního vybavení jsou také běžné již mnoho let. Jednalo se o golfové hole a míčky, olympijské boby a cyklisty a helmy pro závodní auta. Aerodynamika posledně jmenovaného je zvláště důležitá u vozidel s otevřenou kabinou (Indycar, Formule 1). Nadměrná zvedací síla na přilbu může způsobit značné namáhánína krku řidiče a oddělení toku na zadní straně je turbulentní těsnění a v důsledku toho zhoršený výhled při vysokých rychlostech.
Pokroky v simulacích výpočetní dynamiky tekutin (CFD) na vysokorychlostních digitálních počítačích snížily potřebu testování v aerodynamickém tunelu. Výsledky CFD však stále nejsou zcela spolehlivé, tento nástroj se používá k ověření předpovědí CFD.
