Ang Aerodynamic drag ay isang puwersang kumikilos kabaligtaran sa relatibong paggalaw ng anumang bagay. Maaari itong umiral sa pagitan ng dalawang layer ng solid surface. Hindi tulad ng iba pang mga resistive set, tulad ng dry friction, na halos independiyente sa bilis, ang drag forces ay sumusunod sa isang ibinigay na halaga. Bagama't ang ultimong sanhi ng pagkilos ay malapot na alitan, ang kaguluhan ay independyente dito. Ang drag force ay proporsyonal sa laminar flow velocity.
Konsepto
Ang Aerodynamic drag ay ang puwersang kumikilos sa anumang gumagalaw na solidong katawan sa direksyon ng paparating na likido. Sa mga tuntunin ng malapit na field approximation, ang drag ay ang resulta ng mga puwersa dahil sa pamamahagi ng presyon sa ibabaw ng bagay, na sinasagisag ng D. Dahil sa skin friction, na resulta ng lagkit, ay denoted De. Bilang kahalili, kinakalkula mula sa punto ng view ng field ng daloy, ang puwersalumalabas ang paglaban bilang resulta ng tatlong natural na phenomena: shock waves, vortex layer at lagkit. Ang lahat ng ito ay makikita sa talahanayan ng aerodynamic drag.
Pangkalahatang-ideya
Ang distribusyon ng pressure na kumikilos sa ibabaw ng katawan ay nakakaapekto sa malalaking pwersa. Ang mga ito, sa turn, ay maaaring summed up. Ang mga bahagi sa ibaba ng agos ng halagang ito ay bumubuo sa kapangyarihan ng pag-drag, Drp, dahil sa pamamahagi ng presyon na nakakaapekto sa katawan. Pinagsasama ng likas na katangian ng mga puwersang ito ang mga epekto ng shock wave, pagbuo ng vortex system at mga mekanismo ng paggising.
Ang lagkit ng isang likido ay may malaking epekto sa pagkaladkad. Sa kawalan ng bahaging ito, ang mga puwersa ng presyon na kumikilos upang pabagalin ang sasakyan ay na-neutralize ng kapangyarihan na nasa likurang bahagi at itulak ang sasakyan pasulong. Ito ay tinatawag na repressurization, na nagreresulta sa zero aerodynamic drag. Ibig sabihin, ang gawaing ginagawa ng katawan sa daloy ng hangin ay nababaligtad at mababawi dahil walang mga frictional effect upang i-convert ang enerhiya ng daloy sa init.
Gumagana ang pagbawi ng presyon kahit na may malapot na paggalaw. Ang halagang ito, gayunpaman, ay nagreresulta sa kapangyarihan. Ito ang nangingibabaw na bahagi ng drag sa kaso ng mga sasakyang may split flow region kung saan ang pagbawi ng ulo ay itinuturing na medyo hindi mahusay.
Ang puwersa ng friction, na siyang tangential power sa ibabawsasakyang panghimpapawid, depende sa pagsasaayos ng boundary layer at ang lagkit. Ang aerodynamic drag, Df, ay kinakalkula bilang downstream projection ng mga bog set na tinatantya mula sa ibabaw ng katawan.
Ang kabuuan ng friction at pressure resistance ay tinatawag na viscous resistance. Mula sa isang thermodynamic perspective, ang quagmire effect ay hindi maibabalik na phenomena at samakatuwid ay lumilikha sila ng entropy. Ang nakalkulang viscous resistance Dv ay gumagamit ng mga pagbabago sa value na ito para tumpak na mahulaan ang rebound force.
Dito kailangan ding ibigay ang formula para sa air density para sa gas: РV=m/MRT.
Kapag nag-angat ang isang sasakyang panghimpapawid, may isa pang bahagi ng pushback. Sapilitan pagtutol, Di. Ito ay nagmumula sa pagbabago sa pamamahagi ng presyon ng sistema ng vortex na kasama ng paggawa ng elevator. Ang isang alternatibong pananaw sa pagtaas ay nakakamit sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa pagbabago sa momentum ng daloy ng hangin. Hinaharang ng pakpak ang hangin at pinipilit itong bumaba. Nagreresulta ito sa pantay at kabaligtaran ng drag force na kumikilos sa pakpak, na angat.
Ang pagpapalit ng momentum ng daloy ng hangin pababa ay humahantong sa pagbaba sa reverse value. Na ito ay resulta ng puwersa na kumikilos pasulong sa inilapat na pakpak. Ang isang pantay ngunit kabaligtaran na masa ay kumikilos sa likod, na kung saan ay ang sapilitan na pag-drag. Ito ay malamang na ang pinakamahalagang sangkap para sa sasakyang panghimpapawid sa panahon ng pag-alis o paglapag. Ang isa pang drag object, wave drag (Dw) ay dahil sa shock wavessa transonic at supersonic na bilis ng flight mechanics. Ang mga roll na ito ay nagdudulot ng mga pagbabago sa boundary layer at pamamahagi ng presyon sa ibabaw ng katawan.
Kasaysayan
Ang ideya na ang isang gumagalaw na katawan na dumadaan sa hangin (density formula) o iba pang likido ay nakatagpo ng resistensya ay kilala mula pa noong panahon ni Aristotle. Ang isang artikulo ni Louis Charles Breguet na isinulat noong 1922 ay nagsimula ng pagsisikap na bawasan ang pag-drag sa pamamagitan ng pag-optimize. Ang may-akda ay nagpatuloy upang bigyang-buhay ang kanyang mga ideya, na lumikha ng ilang record-breaking na sasakyang panghimpapawid noong 1920s at 1930s. Ang boundary layer theory ni Ludwig Prandtl noong 1920 ay nagbigay ng insentibo para mabawasan ang friction.
Ang isa pang mahalagang panawagan para sa sequencing ay ginawa ni Sir Melville Jones, na nagpakilala ng mga teoretikal na konsepto upang makakumbinsi na ipakita ang kahalagahan ng sequencing sa disenyo ng sasakyang panghimpapawid. Noong 1929, ang kanyang gawa na The Streamlined Airplane na ipinakita sa Royal Aeronautical Society ay matagumpay. Iminungkahi niya ang isang perpektong sasakyang panghimpapawid na magkakaroon ng kaunting drag, na humahantong sa konsepto ng isang "malinis" na monoplane at maaaring iurong na undercarriage.
Isa sa mga aspeto ng gawa ni Jones na pinakanagulat sa mga designer noong panahon ay ang kanyang plot ng horse power versus speed para sa isang tunay at perpektong eroplano. Kung titingnan mo ang punto ng data para sa isang sasakyang panghimpapawid at i-extrapolate ito nang pahalang sa isang perpektong curve, makikita mo ang kabayaran sa lalong madaling panahon para sa parehong kapangyarihan. Nang matapos ni Jones ang kanyang presentasyon, isa sa mga nakikinigantas ng kahalagahan bilang Carnot cycle sa thermodynamics.
Lift-induced resistance
Ang lift-induced backlash ay nagreresulta mula sa paglikha ng isang slope sa isang three-dimensional na katawan gaya ng isang aircraft wing o fuselage. Ang induced braking ay pangunahing binubuo ng dalawang bahagi:
- I-drag dahil sa paggawa ng mga sumusunod na vortices.
- Pagkakaroon ng karagdagang viscous drag na wala kapag ang lift ay zero.
Ang back vortices sa flow field na naroroon bilang resulta ng pag-angat ng katawan ay dahil sa magulong paghahalo ng hangin sa itaas at ibaba ng bagay, na dumadaloy sa iba't ibang direksyon bilang resulta ng paglikha ng lift.
Sa iba pang mga parameter na nananatiling pareho sa lift na ginawa ng katawan, tumataas din ang resistensyang dulot ng slope. Nangangahulugan ito na habang tumataas ang anggulo ng pag-atake ng pakpak, tumataas ang koepisyent ng pag-angat, gayundin ang rebound. Sa simula ng isang stall, ang prone aerodynamic force ay bumaba nang husto, gayundin ang lift-induced drag. Ngunit tumataas ang halagang ito dahil sa pagbuo ng magulong unattached flow pagkatapos ng katawan.
Huwad na pag-drag
Ito ang paglaban na dulot ng paggalaw ng isang solidong bagay sa pamamagitan ng isang likido. May ilang bahagi ang parasitic drag, kabilang ang paggalaw dahil sa viscous pressure at dahil sa pagkamagaspang sa ibabaw (skin friction). Bilang karagdagan, ang pagkakaroon ng ilang mga katawan sa kamag-anak na kalapitan ay maaaring maging sanhi ng tinatawag napaglaban sa interference, na kung minsan ay inilalarawan bilang bahagi ng termino.
Sa aviation, malamang na mas malakas ang induced backlash sa mas mababang bilis dahil kailangan ng mataas na anggulo ng pag-atake upang mapanatili ang pagtaas. Gayunpaman, habang tumataas ang bilis, maaari itong bawasan, pati na rin ang sapilitan na pag-drag. Ang parasitic drag, gayunpaman, ay nagiging mas malaki dahil ang fluid ay dumadaloy nang mas mabilis sa paligid ng mga nakausli na bagay, na nagpapataas ng friction.
Sa mas matataas na bilis (transonic), ang wave drag ay umaabot sa bagong level. Ang bawat isa sa mga anyo ng repulse ay nag-iiba nang proporsyonal sa iba depende sa bilis. Kaya ang pangkalahatang drag curve ay nagpapakita ng isang minimum sa ilang airspeed - ang sasakyang panghimpapawid ay nasa o malapit sa pinakamabuting kahusayan. Gagamitin ng mga piloto ang bilis na ito para i-maximize ang tibay (minimum na fuel consumption) o glide distance kung sakaling masira ang makina.
Aviation Power Curve
Ang interaksyon ng parasitic at induced drag bilang isang function ng airspeed ay maaaring katawanin bilang isang katangian na linya. Sa aviation, madalas itong tinutukoy bilang power curve. Mahalaga ito sa mga piloto dahil ipinapakita nito na sa ibaba ng isang tiyak na bilis ng hangin, at sa kabaligtaran, higit pang thrust ang kinakailangan upang mapanatili ito habang bumababa ang bilis ng hangin, hindi bababa. Ang mga implikasyon ng pagiging "behind the scenes" sa paglipad ay mahalaga at itinuro bilang bahagi ng pilot training. Sa subsonicairspeeds kung saan ang U-shape ng curve na ito ay makabuluhan, ang wave drag ay hindi pa nagiging factor. Kaya naman hindi ito ipinapakita sa curve.
Pagpepreno sa transonic at supersonic na daloy
Ang Compressive wave drag ay ang drag na nalilikha kapag ang isang katawan ay gumagalaw sa isang compressible fluid at sa bilis na malapit sa bilis ng tunog sa tubig. Sa aerodynamics, maraming component ang wave drag depende sa driving mode.
Sa transonic flight aerodynamics, ang wave drag ay resulta ng pagbuo ng mga shock wave sa likido, na nabuo kapag lumilikha ng mga lokal na lugar ng supersonic na daloy. Sa pagsasagawa, ang gayong paggalaw ay nangyayari sa mga katawan na gumagalaw nang mas mababa sa bilis ng signal, dahil ang lokal na bilis ng hangin ay tumataas. Gayunpaman, ang buong supersonic na daloy sa ibabaw ng sasakyan ay hindi bubuo hanggang ang halaga ay lumago nang higit pa. Ang mga sasakyang panghimpapawid na lumilipad sa transonic na bilis ay kadalasang nakakaranas ng mga kondisyon ng alon sa panahon ng normal na kurso ng paglipad. Sa transonic flight, ang repulsion na ito ay karaniwang tinutukoy bilang transonic compressibility drag. Lubhang tumitindi ito habang tumataas ang bilis ng paglipad nito, na nangingibabaw sa iba pang anyo sa ganoong bilis.
Sa supersonic na paglipad, ang wave drag ay resulta ng mga shock wave na naroroon sa fluid at nakakabit sa katawan, na nabubuo sa unahan at sumusunod na mga gilid ng katawan. Sa mga supersonic na daloy, o sa mga hull na may sapat na malalaking anggulo ng pag-ikot, sa halip ay magkakaroonnabubuo ang maluwag na pagkabigla o mga kurbadong alon. Bilang karagdagan, ang mga lokal na lugar ng transonic flow ay maaaring mangyari sa mas mababang supersonic na bilis. Minsan humahantong sila sa pagbuo ng mga karagdagang shock wave na naroroon sa mga ibabaw ng iba pang mga katawan ng pag-angat, katulad ng mga matatagpuan sa mga transonic na daloy. Sa makapangyarihang mga rehimen ng daloy, karaniwang nahahati sa dalawang bahagi ang paglaban ng alon:
- Supersonic lift depende sa value.
- Volume, na depende rin sa konsepto.
Ang closed-form na solusyon para sa pinakamababang wave resistance ng isang katawan ng rebolusyon na may nakapirming haba ay natagpuan nina Sears at Haack at kilala bilang "Seers-Haack Distribution". Katulad nito, para sa isang nakapirming volume, ang form para sa pinakamababang wave resistance ay "Von Karman Ogive".
Ang biplane ng Busemann, sa prinsipyo, ay hindi sumasailalim sa ganoong pagkilos kapag gumagana sa bilis ng disenyo, ngunit hindi rin ito kayang gumawa ng pagtaas.
Mga Produkto
Ang wind tunnel ay isang tool na ginagamit sa pananaliksik upang pag-aralan ang epekto ng hangin na gumagalaw sa mga solidong bagay. Ang disenyong ito ay binubuo ng isang tubular na daanan kung saan ang bagay na nasa ilalim ng pagsubok ay inilagay sa gitna. Ang hangin ay inilipat sa bagay sa pamamagitan ng isang malakas na fan system o iba pang paraan. Ang bagay na pansubok, madalas na tinutukoy bilang isang modelo ng tubo, ay nilagyan ng naaangkop na mga sensor upang sukatin ang mga puwersa ng hangin, pamamahagi ng presyon, o iba pangmga katangian ng aerodynamic. Ito ay kinakailangan din upang mapansin at maitama ang problema sa system sa tamang oras.
Ano ang mga uri ng sasakyang panghimpapawid
Tingnan muna natin ang kasaysayan. Ang pinakamaagang wind tunnels ay naimbento sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, sa mga unang araw ng pagsasaliksik sa aviation. Noon ay sinubukan ng marami na bumuo ng matagumpay na mas mabigat kaysa sa hangin na sasakyang panghimpapawid. Ang wind tunnel ay ipinaglihi bilang isang paraan ng pagbaligtad sa kumbensyonal na paradigm. Sa halip na tumayo at ilipat ang isang bagay sa pamamagitan nito, ang parehong epekto ay makukuha kung ang bagay ay tumindig at ang hangin ay gumagalaw sa mas mataas na bilis. Sa ganitong paraan, maaaring pag-aralan ng isang nakatigil na tagamasid ang lumilipad na produkto sa pagkilos at sukatin ang praktikal na aerodynamics na ipinataw dito.
Ang pagbuo ng mga tubo ay sinamahan ng pag-unlad ng sasakyang panghimpapawid. Ang malalaking aerodynamic na bagay ay itinayo noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig. Ang pagsubok sa naturang tubo ay itinuturing na estratehikong mahalaga sa panahon ng pagbuo ng mga supersonic na sasakyang panghimpapawid at missiles sa panahon ng Cold War. Ngayon, ang sasakyang panghimpapawid ay kahit ano. At halos lahat ng pinakamahalagang pag-unlad ay naipasok na sa pang-araw-araw na buhay.
Mamaya ang pananaliksik sa wind tunnel ay naging isang bagay ng kurso. Ang epekto ng hangin sa gawa ng tao na mga istraktura o bagay ay kailangang pag-aralan kapag ang mga gusali ay naging sapat na ang taas upang ipakita ang malalaking ibabaw sa hangin, at ang mga nagresultang puwersa ay kailangang labanan ng mga panloob na elemento ng gusali. Ang kahulugan ng mga naturang set ay kinakailangan bago ang mga code ng gusalimatukoy ang kinakailangang lakas ng mga istruktura. At ang mga naturang pagsubok ay patuloy na ginagamit para sa malalaki o hindi pangkaraniwang mga gusali hanggang ngayon.
Kahit sa ibang pagkakataon, inilapat ang mga pagsusuri sa aerodynamic drag ng mga kotse. Ngunit ito ay hindi upang matukoy ang mga puwersa tulad nito, ngunit upang magtatag ng mga paraan upang mabawasan ang lakas na kinakailangan upang ilipat ang kotse sa kahabaan ng mga kalsada sa isang naibigay na bilis. Sa mga pag-aaral na ito, ang interaksyon sa pagitan ng kalsada at sasakyan ay may mahalagang papel. Siya ang dapat isaalang-alang kapag binibigyang kahulugan ang mga resulta ng pagsusulit.
Sa totoong sitwasyon, gumagalaw ang daanan sa sasakyan, ngunit ang hangin ay may kaugnayan pa rin sa kalsada. Ngunit sa isang wind tunnel, ang hangin ay gumagalaw sa kalsada. Habang ang huli ay nakatigil na may kaugnayan sa sasakyan. Kasama sa ilang test vehicle wind tunnel ang mga gumagalaw na sinturon sa ilalim ng pansubok na sasakyan. Ito ay para mapalapit sa aktwal na estado. Ginagamit ang mga katulad na device sa wind tunnel takeoff at landing configuration.
Kagamitan
Ang mga sample ng sports equipment ay karaniwan din sa loob ng maraming taon. Kasama sa mga ito ang mga golf club at bola, Olympic bobsled at siklista, at mga helmet ng racing car. Ang aerodynamics ng huli ay lalong mahalaga sa mga sasakyang may bukas na taksi (Indycar, Formula One). Ang sobrang lakas ng pag-angat sa helmet ay maaaring magdulot ng malaking stresssa leeg ng driver, at ang paghihiwalay ng daloy sa likurang bahagi ay isang magulong seal at, bilang resulta, may kapansanan sa paningin sa mataas na bilis.
Ang mga pag-unlad sa mga simulation ng computational fluid dynamics (CFD) sa mga high-speed na digital na computer ay nakabawas sa pangangailangan para sa pagsubok ng wind tunnel. Gayunpaman, hindi pa rin ganap na maaasahan ang mga resulta ng CFD, ginagamit ang tool na ito para i-verify ang mga hula sa CFD.
