Aerodynamische weerstand is een kracht die tegengesteld is aan de relatieve beweging van een object. Het kan bestaan tussen twee lagen vast oppervlak. In tegenstelling tot andere resistieve sets, zoals droge wrijving, die bijna onafhankelijk zijn van de snelheid, gehoorzamen de weerstandskrachten aan een bepaalde waarde. Hoewel de uiteindelijke oorzaak van de actie viskeuze wrijving is, is turbulentie er onafhankelijk van. De sleepkracht is evenredig met de laminaire stroomsnelheid.
Concept
Aerodynamische weerstand is de kracht die inwerkt op een bewegend vast lichaam in de richting van de tegemoetkomende vloeistof. In termen van de benadering van het nabije veld is weerstand het resultaat van krachten als gevolg van de drukverdeling over het oppervlak van het object, gesymboliseerd door D. Vanwege huidwrijving, die het resultaat is van viscositeit, wordt De aangeduid. Als alternatief, berekend vanuit het oogpunt van het stromingsveld, is de krachtweerstand ontstaat als gevolg van drie natuurlijke fenomenen: schokgolven, vortexlaag en viscositeit. Dit alles is te vinden in de tabel met aerodynamische weerstand.
Overzicht
De drukverdeling op het oppervlak van een lichaam beïnvloedt grote krachten. Ze kunnen op hun beurt worden samengevat. De stroomafwaartse componenten van deze waarde vormen het weerstandsvermogen, Drp, vanwege de drukverdeling die het lichaam beïnvloedt. De aard van deze krachten combineert schokgolfeffecten, het genereren van vortexsystemen en kielzogmechanismen.
De viscositeit van een vloeistof heeft een significant effect op de weerstand. Bij afwezigheid van dit onderdeel worden de drukkrachten die het voertuig vertragen, geneutraliseerd door de kracht die zich in het achterste gedeelte bevindt en het voertuig naar voren duwen. Dit wordt repressurisatie genoemd, wat resulteert in nul aerodynamische weerstand. Dat wil zeggen, het werk dat het lichaam doet op de luchtstroom is omkeerbaar en herstelbaar omdat er geen wrijvingseffecten zijn om de energie van de stroom in warmte om te zetten.
Drukherstel werkt zelfs bij stroperige bewegingen. Deze waarde resulteert echter in vermogen. Het is de dominante component van luchtweerstand in het geval van voertuigen met gesplitste stroomgebieden waar hoofdherstel als nogal inefficiënt wordt beschouwd.
De wrijvingskracht, de tangentiële kracht op het oppervlakvliegtuigen, hangt af van de configuratie van de grenslaag en de viscositeit. Aerodynamische weerstand, Df, wordt berekend als de stroomafwaartse projectie van moerassets geschat vanaf het lichaamsoppervlak.
De som van wrijvings- en drukweerstand wordt viskeuze weerstand genoemd. Vanuit een thermodynamisch perspectief zijn moeraseffecten onomkeerbare fenomenen en daarom creëren ze entropie. De berekende viskeuze weerstand Dv gebruikt veranderingen in deze waarde om de reboundkracht nauwkeurig te voorspellen.
Hier is het ook nodig om de formule voor luchtdichtheid voor gas te geven: РV=m/MRT.
Wanneer een vliegtuig lift produceert, is er nog een ander onderdeel van pushback. Geïnduceerde weerstand, Di. Het komt voort uit de verandering in de drukverdeling van het vortexsysteem die gepaard gaat met de productie van de lift. Een alternatief liftperspectief wordt bereikt door rekening te houden met de verandering in het momentum van de luchtstroom. De vleugel onderschept de lucht en dwingt deze naar beneden te bewegen. Dit resulteert in een gelijke en tegengestelde weerstandskracht die op de vleugel werkt, wat lift is.
Het veranderen van het momentum van de luchtstroom naar beneden leidt tot een afname van de omgekeerde waarde. Dat het het resultaat is van de kracht die naar voren werkt op de uitgeoefende vleugel. Een gelijke maar tegengestelde massa werkt op de rug, wat de geïnduceerde weerstand is. Het is meestal het belangrijkste onderdeel van vliegtuigen tijdens het opstijgen of landen. Een ander sleepobject, golfweerstand (Dw) is te wijten aan schokgolvenbij transsone en supersonische snelheden van vliegmechanica. Deze rollen veroorzaken veranderingen in de grenslaag en drukverdeling over het oppervlak van het lichaam.
Geschiedenis
Het idee dat een bewegend lichaam dat door lucht (dichtheidsformule) of een andere vloeistof gaat, weerstand ondervindt, is bekend sinds de tijd van Aristoteles. Een artikel van Louis Charles Breguet, geschreven in 1922, begon een poging om de weerstand te verminderen door middel van optimalisatie. De auteur bleef zijn ideeën tot leven brengen en creëerde in de jaren 1920 en 1930 verschillende recordbrekende vliegtuigen. De grenslaagtheorie van Ludwig Prandtl in 1920 gaf een stimulans om wrijving te minimaliseren.
Een andere belangrijke oproep voor sequencing werd gedaan door Sir Melville Jones, die theoretische concepten introduceerde om het belang van sequencing in vliegtuigontwerp overtuigend aan te tonen. In 1929 was zijn werk The Streamlined Airplane, gepresenteerd aan de Royal Aeronautical Society, baanbrekend. Hij stelde een ideaal vliegtuig voor dat een minimale weerstand zou hebben, wat leidde tot het concept van een "schone" eendekker en een intrekbaar landingsgestel.
Een van de aspecten van Jones' werk die de ontwerpers van die tijd het meest schokten, was zijn plot van paardenkracht versus snelheid voor een echt en ideaal vliegtuig. Als je naar het datapunt voor een vliegtuig kijkt en dit horizontaal extrapoleert naar een perfecte curve, zie je al snel de uitbetaling voor hetzelfde vermogen. Toen Jones klaar was met zijn presentatie, zei een van de toehoordersniveau van belang als de Carnot-cyclus in de thermodynamica.
Lift-geïnduceerde weerstand
De door de lift veroorzaakte speling is het gevolg van het creëren van een helling op een driedimensionaal lichaam zoals een vliegtuigvleugel of romp. Geïnduceerd remmen bestaat hoofdzakelijk uit twee componenten:
- Sleep vanwege het creëren van nalopende draaikolken.
- Met extra stroperige weerstand die er niet is als de lift nul is.
De achterwervelingen in het stromingsveld die aanwezig zijn als gevolg van het optillen van het lichaam, zijn te wijten aan de turbulente vermenging van lucht boven en onder het object, die in verschillende richtingen stroomt als gevolg van het creëren van opheffing.
Met andere parameters die hetzelfde blijven als de lift die door het lichaam wordt gecreëerd, neemt ook de weerstand die door de helling wordt veroorzaakt toe. Dit betekent dat naarmate de aanvalshoek van de vleugel toeneemt, de liftcoëfficiënt toeneemt, evenals de rebound. Aan het begin van een stal neemt de naar voren gebogen aerodynamische kracht dramatisch af, evenals de door de lift veroorzaakte weerstand. Maar deze waarde neemt toe door de vorming van een turbulente, losse stroming achter het lichaam.
Onechte sleep
Dit is de weerstand die wordt veroorzaakt door de beweging van een vast object door een vloeistof. Parasitaire weerstand heeft verschillende componenten, waaronder beweging als gevolg van viskeuze druk en als gevolg van oppervlakteruwheid (huidwrijving). Bovendien kan de aanwezigheid van meerdere lichamen in relatieve nabijheid de zogenaamdeinterferentieweerstand, die soms wordt beschreven als een onderdeel van de term.
In de luchtvaart is de geïnduceerde speling meestal sterker bij lagere snelheden, omdat een hoge aanvalshoek vereist is om de lift te behouden. Naarmate de snelheid toeneemt, kan deze echter worden verminderd, evenals de geïnduceerde weerstand. Parasitaire weerstand wordt echter groter omdat de vloeistof sneller rond uitstekende objecten stroomt, waardoor de wrijving toeneemt.
Bij hogere snelheden (transonisch) bereikt de golfweerstand een nieuw niveau. Elk van deze vormen van afstoting varieert evenredig met de andere, afhankelijk van de snelheid. Dus de algemene weerstandscurve vertoont een minimum bij een bepaalde luchtsnelheid - het vliegtuig zal op of bijna optimaal rendement hebben. Piloten zullen deze snelheid gebruiken om het uithoudingsvermogen (minimaal brandstofverbruik) of de glijafstand te maximaliseren in het geval van een motorstoring.
Luchtmachtscurve
De interactie van parasitaire en geïnduceerde weerstand als functie van de luchtsnelheid kan worden weergegeven als een karakteristieke lijn. In de luchtvaart wordt dit vaak de vermogenscurve genoemd. Het is belangrijk voor piloten omdat het laat zien dat onder een bepaalde luchtsnelheid, en contra-intuïtief, meer stuwkracht nodig is om deze te behouden als de luchtsnelheid afneemt, niet minder. De implicaties van "achter de schermen" zijn tijdens de vlucht zijn belangrijk en worden onderwezen als onderdeel van de opleiding van piloten. op subsonischluchtsnelheden waarbij de U-vorm van deze curve significant is, is golfweerstand nog geen factor geworden. Daarom wordt het niet weergegeven op de curve.
Remmen in transsone en supersonische flow
Compressieve golfweerstand is de weerstand die wordt gecreëerd wanneer een lichaam door een samendrukbare vloeistof beweegt en met snelheden die dicht bij de geluidssnelheid in water liggen. In de aerodynamica heeft golfweerstand veel componenten, afhankelijk van de rijmodus.
In transsone vluchtaërodynamica is golfweerstand het resultaat van de vorming van schokgolven in de vloeistof, die worden gevormd bij het creëren van lokale gebieden met supersonische stroming. In de praktijk treedt een dergelijke beweging op bij lichamen die ver beneden de snelheid van het signaal bewegen, aangezien de lokale snelheid van de lucht toeneemt. Een volledige supersonische stroming over het voertuig zal zich echter pas ontwikkelen als de waarde veel verder is gegaan. Vliegtuigen die met transsone snelheden vliegen, ervaren vaak golfcondities tijdens het normale verloop van de vlucht. In transsone vlucht wordt deze afstoting gewoonlijk transsone samendrukbaarheidsweerstand genoemd. Het intensiveert enorm naarmate de vliegsnelheid toeneemt en domineert andere vormen met die snelheden.
Bij supersonische vlucht is golfweerstand het resultaat van schokgolven die in de vloeistof aanwezig zijn en aan het lichaam zijn bevestigd, en zich vormen aan de voor- en achterrand van het lichaam. In supersonische stromingen, of in rompen met voldoende grote rotatiehoeken, zal er in plaats daarvanlosse schok of gebogen golven worden gevormd. Bovendien kunnen lokale gebieden van transsone stroming optreden bij lagere supersonische snelheden. Soms leiden ze tot de ontwikkeling van extra schokgolven die aanwezig zijn op de oppervlakken van andere liftlichamen, vergelijkbaar met die in transsone stromingen. In krachtige stromingsregimes wordt golfweerstand meestal verdeeld in twee componenten:
- Supersonische lift afhankelijk van waarde.
- Volume, dat ook afhangt van het concept.
De oplossing in gesloten vorm voor de minimale golfweerstand van een omwentelingslichaam met een vaste lengte werd gevonden door Sears en Haack en staat bekend als de "Seers-Haack Distribution". Evenzo is voor een vast volume de vorm voor de minimale golfweerstand "Von Karman Ogive".
De tweedekker van Busemann is in principe helemaal niet onderhevig aan een dergelijke actie wanneer hij op ontwerpsnelheid werkt, maar is ook niet in staat om lift te genereren.
Producten
Een windtunnel is een hulpmiddel dat in onderzoek wordt gebruikt om het effect te bestuderen van lucht die langs vaste objecten beweegt. Dit ontwerp bestaat uit een buisvormige doorgang met het te testen object in het midden. Lucht wordt langs het object geleid door een krachtig ventilatorsysteem of op een andere manier. Het testobject, vaak een pijpmodel genoemd, is uitgerust met geschikte sensoren om luchtkrachten, drukverdeling of andere te metenaerodynamische eigenschappen. Dit is ook nodig om het probleem in het systeem op tijd op te merken en te verhelpen.
Wat zijn de soorten vliegtuigen
Laten we eerst naar de geschiedenis kijken. De vroegste windtunnels werden uitgevonden aan het einde van de 19e eeuw, in de begindagen van het luchtvaartonderzoek. Het was toen dat velen probeerden succesvolle vliegtuigen te ontwikkelen die zwaarder waren dan lucht. De windtunnel werd opgevat als een middel om het conventionele paradigma om te keren. In plaats van stil te staan en er een object doorheen te bewegen, zou hetzelfde effect worden verkregen als het object stil zou staan en de lucht met een hogere snelheid zou bewegen. Op deze manier kan een stationaire waarnemer het vliegende product in actie bestuderen en de praktische aerodynamica meten die eraan wordt opgelegd.
De ontwikkeling van pijpen ging gepaard met de ontwikkeling van het vliegtuig. Grote aerodynamische items werden gebouwd tijdens de Tweede Wereldoorlog. Testen in zo'n buis werd van strategisch belang geacht tijdens de ontwikkeling van supersonische vliegtuigen en raketten tijdens de Koude Oorlog. Tegenwoordig zijn vliegtuigen alles. En bijna alle belangrijke ontwikkelingen zijn al in het dagelijks leven geïntroduceerd.
Later werd windtunnelonderzoek een vanzelfsprekendheid. Het effect van wind op door de mens gemaakte constructies of objecten moest worden bestudeerd wanneer gebouwen hoog genoeg werden om grote oppervlakken aan de wind te presenteren, en de resulterende krachten moesten worden weerstaan door de interne elementen van het gebouw. De definitie van dergelijke sets was vereist voordat bouwvoorschriften kondenbepaal de vereiste sterkte van constructies. En dergelijke tests worden tot op de dag van vandaag nog steeds gebruikt voor grote of ongebruikelijke gebouwen.
Zelfs later werden controles toegepast op de luchtweerstand van auto's. Maar dit was niet om de krachten als zodanig te bepalen, maar om manieren te vinden om het vermogen te verminderen dat nodig is om de auto met een bepaalde snelheid over het wegdek te bewegen. In deze onderzoeken speelt de interactie tussen weg en voertuig een belangrijke rol. Hij is het met wie rekening moet worden gehouden bij het interpreteren van testresultaten.
In een echte situatie beweegt de rijbaan ten opzichte van het voertuig, maar is de lucht nog steeds relatief ten opzichte van de weg. Maar in een windtunnel beweegt de lucht ten opzichte van de weg. Terwijl deze laatste stilstaat ten opzichte van het voertuig. Sommige windtunnels van testvoertuigen bevatten bewegende riemen onder het testvoertuig. Dit is om dichter bij de werkelijke toestand te komen. Vergelijkbare apparaten worden gebruikt in start- en landingsconfiguraties in windtunnels.
Apparatuur
Samples van sportuitrusting zijn ook al vele jaren gebruikelijk. Ze omvatten golfclubs en -ballen, Olympische bobsleeën en fietsers, en raceautohelmen. De aerodynamica van deze laatste is vooral belangrijk bij voertuigen met een open cabine (Indycar, Formula One). Overmatige hefkracht op de helm kan aanzienlijke stress veroorzakenop de nek van de bestuurder, en de stromingsscheiding aan de achterzijde is een turbulente afdichting en daardoor verminderd zicht bij hoge snelheden.
Vooruitgang in computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulaties op snelle digitale computers hebben de behoefte aan windtunneltests verminderd. CFD-resultaten zijn echter nog steeds niet volledig betrouwbaar, deze tool wordt gebruikt om CFD-voorspellingen te verifiëren.
