Aerodynaaminen vastus on voima, joka toimii minkä tahansa kohteen suhteellista liikettä vastakkaisesti. Se voi olla kahden kiinteän pinnan kerroksen välissä. Toisin kuin muut resistiiviset joukot, kuten kuivakitka, jotka ovat melkein riippumattomia nopeudesta, vastusvoimat noudattavat annettua arvoa. Vaikka toiminnan perimmäinen syy on viskoosi kitka, turbulenssi on siitä riippumaton. Vastusvoima on verrannollinen laminaarivirtauksen nopeuteen.
Konsepti
Aerodynaaminen vastus on voima, joka vaikuttaa mihin tahansa liikkuvaan kiinteään kappaleeseen vastaantulevan nesteen suuntaan. Lähikentän approksimaatiossa vastus on tulosta voimista, jotka johtuvat paineen jakautumisesta kohteen pinnan yli, symboloi D. Ihon kitkasta, joka on seurausta viskositeetista, merkitään De. Vaihtoehtoisesti virtauskentän kann alta laskettuna voimavastus syntyy kolmen luonnonilmiön seurauksena: shokkiaallot, pyörrekerros ja viskositeetti. Kaikki tämä löytyy aerodynaamisen vastuksen taulukosta.
Yleiskatsaus
Kehon pintaan vaikuttavan paineen jakautuminen vaikuttaa suuriin voimiin. Ne puolestaan voidaan tiivistää. Tämän arvon alavirran komponentit muodostavat vetovoiman Drp, joka johtuu kehoon vaikuttavan paineen jakautumisesta. Näiden voimien luonteessa yhdistyvät shokkia altovaikutukset, pyörrejärjestelmän luominen ja herätysmekanismit.
Nesteen viskositeetilla on merkittävä vaikutus vastukseen. Jos tätä komponenttia ei ole, ajoneuvoa hidastavat painevoimat neutraloidaan takaosassa olevalla voimalla ja työntää ajoneuvoa eteenpäin. Tätä kutsutaan uudelleenpaineistamiseksi, jolloin aerodynaaminen vastus on nolla. Eli työ, jonka keho tekee ilmavirralle, on palautuvaa ja palautettavissa, koska ei ole kitkavaikutuksia, jotka muuttavat virtauksen energiaa lämmöksi.
Paineen t alteenotto toimii myös viskoosissa liikkeessä. Tämä arvo johtaa kuitenkin tehoon. Se on hallitseva vastuksen komponentti ajoneuvoissa, joiden virtausalueet ovat jakautuneet ja joissa paineen palautumisen katsotaan olevan melko tehotonta.
Kitkavoima, joka on pinnan tangentiaalinen voimalentokoneessa, riippuu rajakerroksen konfiguraatiosta ja viskositeetista. Aerodynaaminen vastus, Df, lasketaan suojoukkojen alavirran projektioksi, joka on arvioitu kehon pinnasta.
Kitkan ja paineenkestävyyden summaa kutsutaan viskoosikestävyydeksi. Termodynaamisesta näkökulmasta katsottuna suoefektit ovat peruuttamattomia ilmiöitä ja siten luovat entropiaa. Laskettu viskoosinen vastus Dv käyttää tämän arvon muutoksia ennustaakseen tarkasti palautusvoiman.
Tässä on myös tarpeen antaa kaava kaasun ilman tiheydelle: РV=m/MRT.
Kun lentokone tuottaa nostovoimaa, on toinenkin takaiskun komponentti. Indusoitu vastustus, Di. Se johtuu pyörrejärjestelmän painejakauman muutoksesta, joka liittyy hissin tuotantoon. Vaihtoehtoinen nostonäkökulma saavutetaan ottamalla huomioon ilmavirran liikemäärän muutos. Siipi sieppaa ilmaa ja pakottaa sen liikkumaan alaspäin. Tämä johtaa tasaiseen ja vastakkaiseen vetovoimaan, joka vaikuttaa siipiin, joka on nostovoima.
Ilmavirtauksen liikemäärän muuttaminen alaspäin johtaa käänteisen arvon pienenemiseen. Että se on seurausta voimasta, joka vaikuttaa eteenpäin kohdistettuun siipeen. Tasainen mutta vastakkainen massa vaikuttaa selkään, mikä on indusoitu vastus. Se on yleensä lentokoneen tärkein komponentti nousun tai laskun aikana. Toinen vetoobjekti, a altovastus (Dw) johtuu shokkiaalloistalentomekaniikan transonisilla ja yliäänenopeuksilla. Nämä telat aiheuttavat muutoksia rajakerroksessa ja paineen jakautumisessa rungon pinnalla.
Historia
Ajatus siitä, että liikkuva kappale, joka kulkee ilman (tiheyskaava) tai muun nesteen läpi, kohtaa vastuksen, on ollut tiedossa Aristoteleen ajoista lähtien. Louis Charles Breguetin vuonna 1922 kirjoittama artikkeli aloitti pyrkimyksen vähentää vetovastusta optimoinnin kautta. Kirjoittaja jatkoi ideoidensa toteuttamista ja loi useita ennätyksiä rikkovia lentokoneita 1920- ja 1930-luvuilla. Ludwig Prandtlin rajakerrosteoria vuonna 1920 kannusti minimoimaan kitkaa.
Toisen tärkeän sekvensointipyynnön esitti Sir Melville Jones, joka esitteli teoreettisia käsitteitä osoittaakseen vakuuttavasti sekvensoinnin tärkeyden lentokoneiden suunnittelussa. Vuonna 1929 hänen Royal Aeronautical Societylle esitelty teos The Streamlined Airplane oli tärkeä. Hän ehdotti ihanteellista lentokonetta, jolla olisi minimaalinen vastus, mikä johti "puhtaan" yksitasoisen ja sisäänvedettävän alavaunun käsitteeseen.
Yksi Jonesin työn näkökohdista, joka järkytti eniten silloisia suunnittelijoita, oli hänen juoni hevosvoiman ja nopeuden välisestä todellisesta ja ihanteellisesta koneesta. Jos katsot lentokoneen datapistettä ja ekstrapoloit sen vaakasuunnassa täydelliseksi käyräksi, voit pian nähdä voiton samalla teholla. Kun Jones oli lopettanut esityksensä, yksi kuuntelijoistatärkeysaste Carnotin syklinä termodynamiikassa.
Noston aiheuttama vastus
Hoston aiheuttama vastaisku johtuu k altevuuden luomisesta kolmiulotteiseen runkoon, kuten lentokoneen siipeen tai runkoon. Indusoitu jarrutus koostuu pääasiassa kahdesta osasta:
- Vedä jälkipyörteiden luomisen takia.
- Lisäjäykkyysvastus, jota ei ole, kun nostovoima on nolla.
Kehon nostamisen seurauksena esiintyvät takapyörteet virtauskentässä johtuvat ilman turbulenttisesta sekoittumisesta kohteen ylä- ja alapuolella, joka virtaa useisiin eri suuntiin noston syntymisen seurauksena.
Muilla parametreilla, jotka pysyvät samoina kuin kehon synnyttämä nosto, myös k altevuuden aiheuttama vastus kasvaa. Tämä tarkoittaa, että kun siiven hyökkäyskulma kasvaa, nostokerroin kasvaa, samoin kuin pomppu. Pysähdyksen alussa alttiina oleva aerodynaaminen voima pienenee dramaattisesti, samoin kuin noston aiheuttama vastus. Mutta tämä arvo kasvaa, koska rungon jälkeen muodostuu turbulentti irrallinen virtaus.
Väärä veto
Tämä on vastus, jonka aiheuttaa kiinteän esineen liikkuminen nesteen läpi. Parasiittivastuksessa on useita osia, mukaan lukien viskoosin paineen ja pinnan karheuden (ihon kitka) aiheuttama liike. Lisäksi useiden kappaleiden esiintyminen suhteellisen lähellä voi aiheuttaa nshäiriönkestävyys, jota joskus kuvataan termin osaksi.
Lentoliikenteessä aiheuttama vastaisku on yleensä voimakkaampaa pienemmillä nopeuksilla, koska noston ylläpitäminen edellyttää suurta iskukulmaa. Nopeuden kasvaessa sitä voidaan kuitenkin vähentää, samoin kuin aiheuttamaa vastusta. Parasiittivastus kuitenkin kasvaa, koska neste virtaa nopeammin ulkonevien esineiden ympärillä, mikä lisää kitkaa.
Suuremmilla nopeuksilla (transonic) aallonvastus saavuttaa uuden tason. Jokainen näistä torjunnan muodoista vaihtelee suhteessa muihin nopeuden mukaan. Joten yleinen vastuskäyrä näyttää minimin jollain ilmanopeudella - lentokoneen hyötysuhde on optimaalinen tai lähellä sitä. Lentäjät käyttävät tätä nopeutta maksimoidakseen kestävyyden (minimipolttoaineenkulutuksen) tai liukumatkan moottorivian sattuessa.
Aviation Power Curve
Lois- ja indusoidun vastuksen vuorovaikutus ilmanopeuden funktiona voidaan esittää tunnusviivana. Ilmailussa tätä kutsutaan usein tehokäyräksi. Se on tärkeä lentäjälle, koska se osoittaa, että tietyn ilmanopeuden alapuolella, ja vastakohtaisesti, sen ylläpitämiseen tarvitaan enemmän työntövoimaa ilmanopeuden laskeessa, ei vähemmän. Lennon "kulissien takana" olemisen vaikutukset ovat tärkeitä, ja niitä opetetaan osana lentäjän koulutusta. Subsonicillailmanopeuksilla, joissa tämän käyrän U-muoto on merkittävä, aallonvastus ei ole vielä tullut tekijäksi. Siksi sitä ei näytetä käyrällä.
Jarrutus transonisessa ja yliäänivirtauksessa
Puristusa altovastus on vastus, joka syntyy, kun kappale liikkuu kokoonpuristuvan nesteen läpi ja nopeuksilla, jotka ovat lähellä äänen nopeutta vedessä. Aerodynamiikassa a altovastus sisältää monia ajotavasta riippuen komponentteja.
Transonisessa lentoaerodynamiikassa a altovastus on seurausta nesteessä olevien iskua altojen muodostumisesta, jotka muodostuvat luotaessa paikallisia yliäänivirtauksen alueita. Käytännössä tällaista liikettä tapahtuu kappaleissa, jotka liikkuvat selvästi signaalin nopeuden alapuolella, koska ilman paikallinen nopeus kasvaa. Täysi yliäänivirtaus ajoneuvon yli ei kuitenkaan kehity ennen kuin arvo on mennyt paljon pidemmälle. Transonisilla nopeuksilla lentävät lentokoneet kohtaavat usein a alto-olosuhteita normaalin lennon aikana. Transonisessa lennossa tätä hylkimistä kutsutaan yleisesti transoniseksi puristuvuusvastukseksi. Se voimistuu suuresti, kun sen lentonopeus kasvaa ja hallitsee muita muotoja näillä nopeuksilla.
Yliäänilennolla a altovastus on seurausta nesteessä olevista ja kehoon kiinnittyneistä iskuaalloista, jotka muodostuvat kehon etu- ja takareunoihin. Yliäänivirroissa tai rungoissa, joissa on riittävän suuret kiertokulmat, sen sijaan onmuodostuu löysästi iskuja tai kaarevia a altoja. Lisäksi paikallisia transonisia virtauksia voi esiintyä pienemmillä yliäänenopeuksilla. Joskus ne johtavat ylimääräisten iskua altojen kehittymiseen muiden nostokappaleiden pinnoilla, jotka ovat samanlaisia kuin transonisissa virtauksissa. Tehokkaissa virtausjärjestelmissä a altovastus jaetaan yleensä kahteen osaan:
- Superääninen nosto arvosta riippuen.
- Äänenvoimakkuus, joka riippuu myös konseptista.
Sears ja Haack löysivät suljetun muodon ratkaisun kiinteän pituisen pyörimiskappaleen minimiaallonvastukseen, ja se tunnetaan nimellä "Seers-Haack Distribution". Vastaavasti kiinteälle tilavuudelle vähimmäisa altoresistanssin muoto on "Von Karman Ogive".
Busemannin kaksitaso ei periaatteessa ole sellaisen toiminnan kohteena, kun se toimii suunnittelunopeudella, mutta se ei myöskään pysty tuottamaan nostoa.
Tuotteet
Tuulitunneli on tutkimuksessa käytetty työkalu kiinteiden esineiden ohi liikkuvan ilman vaikutusten tutkimiseen. Tämä rakenne koostuu putkimaisesta käytävästä, jonka keskelle on sijoitettu testattava esine. Ilmaa siirretään kohteen ohi tehokkaalla tuuletinjärjestelmällä tai muulla tavalla. Testikohde, jota usein kutsutaan putkimalliksi, on varustettu asianmukaisilla antureilla mittaamaan ilmavoimia, paineen jakautumista tai muitaaerodynaamiset ominaisuudet. Tämä on tarpeen myös järjestelmän ongelman havaitsemiseksi ja korjaamiseksi ajoissa.
Mitkä ovat lentokoneiden tyypit
Katsotaanpa ensin historiaa. Varhaisimmat tuulitunnelit keksittiin 1800-luvun lopulla, ilmailututkimuksen alkuaikoina. Silloin monet yrittivät kehittää onnistuneita ilmaa raskaampia lentokoneita. Tuulitunneli suunniteltiin keinoksi kääntää perinteinen paradigma. Sen sijaan, että seisoisi paikallaan ja liikuttaisi esinettä sen läpi, sama vaikutus saavutettaisiin, jos esine seisoisi paikallaan ja ilma liikkuisi suuremmalla nopeudella. Tällä tavalla paikallaan oleva tarkkailija voi tutkia lentävää tuotetta toiminnassa ja mitata sen käytännön aerodynamiikkaa.
Putkien kehitys seurasi lentokoneen kehitystä. Toisen maailmansodan aikana rakennettiin suuria aerodynaamisia esineitä. Tällaisessa putkessa testaamista pidettiin strategisesti tärkeänä yliäänikoneiden ja ohjusten kehittämisen aikana kylmän sodan aikana. Nykyään lentokoneet ovat mitä tahansa. Ja melkein kaikki tärkeimmät kehityssuunnat on jo tuotu arkeen.
Myöhemmin tuulitunnelitutkimuksesta tuli itsestäänselvyys. Tuulen vaikutusta ihmisen tekemiin rakenteisiin tai esineisiin jouduttiin tutkimaan, kun rakennuksista tuli riittävän korkeita kohdistamaan tuulelle suuria pintoja ja rakennuksen sisäosien täytyi vastustaa syntyviä voimia. Tällaisten sarjojen määrittely vaadittiin ennen kuin rakennusmääräykset pystyivätmäärittää rakenteiden vaadittava lujuus. Ja tällaisia testejä käytetään suurissa tai epätavallisissa rakennuksissa tähän päivään asti.
Jo myöhemminkin tarkastettiin autojen aerodynaamista vastusta. Mutta tällä ei haluttu määrittää voimia sellaisenaan, vaan luoda tapoja vähentää tehoa, joka tarvitaan auton siirtämiseen tiepenkissä tietyllä nopeudella. Näissä tutkimuksissa tien ja ajoneuvon vuorovaikutus on merkittävässä roolissa. Hän on se, joka on otettava huomioon testituloksia tulkittaessa.
Todellisessa tilanteessa ajorata liikkuu suhteessa ajoneuvoon, mutta ilma on edelleen suhteessa tiehen. Mutta tuulitunnelissa ilma liikkuu suhteessa tiehen. Kun jälkimmäinen on paikallaan ajoneuvoon nähden. Joissakin testiajoneuvojen tuulitunneleissa on liikkuvat hihnat testiajoneuvon alla. Tällä päästään lähemmäs todellista tilaa. Samanlaisia laitteita käytetään tuulitunnelin nousu- ja laskukokoonpanoissa.
Varusteet
Urheiluvälinenäytteet ovat myös olleet yleisiä useiden vuosien ajan. Niihin kuuluivat golfmailat ja -pallot, olympiakelkka- ja pyöräilijät sekä kilpa-autokypärät. Jälkimmäisen aerodynamiikka on erityisen tärkeä ajoneuvoissa, joissa on avoin ohjaamo (Indycar, Formula One). Liiallinen nostovoima kypärään voi aiheuttaa merkittävää rasitustakuljettajan kaulassa, ja virtauksen erotus takana on turbulentti tiiviste ja sen seurauksena heikentynyt näkökyky suurilla nopeuksilla.
Laskennallisen nestedynamiikan (CFD) simulaatioiden edistyminen nopeilla digitaalisilla tietokoneilla on vähentänyt tuulitunnelitestauksen tarvetta. CFD-tulokset eivät kuitenkaan ole vielä täysin luotettavia, mutta tätä työkalua käytetään CFD-ennusteiden tarkistamiseen.
