L'arrossegament aerodinàmic és una força que actua oposada al moviment relatiu de qualsevol objecte. Pot existir entre dues capes de superfície sòlida. A diferència d' altres conjunts resistius, com ara la fricció en sec, que són gairebé independents de la velocitat, les forces d'arrossegament obeeixen a un valor donat. Tot i que la causa última de l'acció és la fricció viscosa, la turbulència és independent d'ella. La força d'arrossegament és proporcional a la velocitat del flux laminar.
Concepte
L'arrossegament aerodinàmic és la força que actua sobre qualsevol cos sòlid en moviment en la direcció del fluid que s'acosta. Pel que fa a l'aproximació del camp proper, l'arrossegament és el resultat de les forces degudes a la distribució de la pressió sobre la superfície de l'objecte, simbolitzada per D. A causa de la fricció de la pell, que és el resultat de la viscositat, es denota De. Alternativament, calculada des del punt de vista del camp de flux, la forçaLa resistència sorgeix com a conseqüència de tres fenòmens naturals: ones de xoc, capa de vòrtex i viscositat. Tot això es pot trobar a la taula d'arrossegament aerodinàmic.
Visió general
La distribució de la pressió que actua sobre la superfície d'un cos afecta grans forces. Ells, al seu torn, es poden resumir. Els components aigües avall d'aquest valor constitueixen la potència d'arrossegament, Drp, a causa de la distribució de pressió que afecta el cos. La naturalesa d'aquestes forces combina efectes d'ones de xoc, generació de sistemes de vòrtex i mecanismes d'estela.
La viscositat d'un fluid té un efecte important sobre l'arrossegament. En absència d'aquest component, les forces de pressió que actuen per frenar el vehicle es neutralitzen per la potència que hi ha a la part de popa i empeny el vehicle cap endavant. Això s'anomena represurització, que resulta en una resistència aerodinàmica zero. És a dir, el treball que fa el cos sobre el flux d'aire és reversible i recuperable, ja que no hi ha efectes de fricció per convertir l'energia del flux en calor.
La recuperació de la pressió funciona fins i tot en cas de moviment viscós. Aquest valor, però, dóna com a resultat poder. És el component dominant de l'arrossegament en el cas dels vehicles amb regions de flux dividit on es considera que la recuperació del cap és bastant ineficient.
La força de fricció, que és la potència tangencial a la superfícieaeronaus, depèn de la configuració de la capa límit i de la viscositat. L'arrossegament aerodinàmic, Df, es calcula com la projecció aigües avall de conjunts de pantà estimada a partir de la superfície del cos.
La suma de la resistència a la fricció i a la pressió s'anomena resistència viscosa. Des d'una perspectiva termodinàmica, els efectes pantà són fenòmens irreversibles i, per tant, creen entropia. La resistència viscosa calculada Dv utilitza els canvis en aquest valor per predir amb precisió la força de rebot.
Aquí també cal donar la fórmula per a la densitat de l'aire per al gas: РV=m/MRT.
Quan un avió produeix sustentació, hi ha un altre component de retrocés. Resistència induïda, Di. Sorgeix del canvi en la distribució de pressió del sistema de vòrtex que acompanya la producció de l'ascensor. S'aconsegueix una perspectiva d'elevació alternativa tenint en compte el canvi d'impuls del flux d'aire. L'ala intercepta l'aire i l'obliga a baixar. Això provoca una força d'arrossegament igual i oposada que actua sobre l'ala, que és la sustentació.
Canviar l'impuls del flux d'aire cap avall comporta una disminució del valor invers. Que és el resultat de la força que actua cap endavant sobre l'ala aplicada. A l'esquena actua una massa igual però oposada, que és l'arrossegament induït. Sol ser el component més important de les aeronaus durant l'enlairament o l'aterratge. Un altre objecte d'arrossegament, l'arrossegament d'ona (Dw) es deu a les ones de xoca velocitats transòniques i supersòniques de la mecànica de vol. Aquests rotllos provoquen canvis en la capa límit i la distribució de pressió sobre la superfície del cos.
Història
La idea que un cos en moviment que passa per l'aire (fórmula de densitat) o un altre líquid troba resistència es coneix des de l'època d'Aristòtil. Un article de Louis Charles Breguet escrit el 1922 va començar un esforç per reduir l'arrossegament mitjançant l'optimització. L'autor va continuar donant vida a les seves idees, creant diversos avions que van batre rècords als anys vint i trenta. La teoria de la capa límit de Ludwig Prandtl el 1920 va proporcionar un incentiu per minimitzar la fricció.
Sir Melville Jones va fer una altra crida important a la seqüenciació, que va introduir conceptes teòrics per demostrar de manera convincent la importància de la seqüenciació en el disseny d'avions. El 1929, la seva obra The Streamlined Airplane presentada a la Royal Aeronautical Society va ser fonamental. Va proposar un avió ideal que tingués una resistència mínima, donant lloc al concepte d'un monoplà "net" i un tren d'aterratge retràctil.
Un dels aspectes de l'obra de Jones que més va sorprendre als dissenyadors de l'època va ser la seva trama de cavalls de potència versus velocitat per a un avió real i ideal. Si mireu el punt de dades d'una aeronau i l'extrapoleu horitzontalment a una corba perfecta, aviat podreu veure el benefici de la mateixa potència. Quan Jones va acabar la seva presentació, un dels oientsnivell d'importància com el cicle de Carnot en termodinàmica.
Resistència induïda per elevació
La reacció induïda per la sustentació resulta de la creació d'un pendent en un cos tridimensional, com ara l'ala o el fuselatge d'un avió. La frenada induïda consta principalment de dos components:
- Arrossegueu a causa de la creació de vòrtexs posteriors.
- Tenir arrossegament viscós addicional que no hi és quan l'elevació és zero.
Els vòrtex posteriors al camp de flux presents com a resultat de l'elevació del cos es deuen a la barreja turbulenta d'aire per sobre i per sota de l'objecte, que flueix en diverses direccions diferents com a resultat de la creació de l'elevació..
Amb altres paràmetres que es mantenen iguals que la sustentació creada pel cos, la resistència provocada pel pendent també augmenta. Això vol dir que a mesura que augmenta l'angle d'atac de l'ala, augmenta el coeficient de sustentació, així com el rebot. A l'inici d'una parada, la força aerodinàmica propensa disminueix dràsticament, igual que l'arrossegament induït per la sustentació. Però aquest valor augmenta a causa de la formació d'un flux turbulent sense unir després del cos.
Arrossegament espúri
Aquesta és la resistència causada pel moviment d'un objecte sòlid a través d'un líquid. L'arrossegament paràsit té diversos components, inclòs el moviment a causa de la pressió viscosa i a causa de la rugositat superficial (fricció de la pell). A més, la presència de diversos cossos en relativa proximitat pot provocar l'anomenatresistència a les interferències, que de vegades es descriu com un component del terme.
A l'aviació, la reacció induïda tendeix a ser més forta a velocitats més baixes perquè es requereix un angle d'atac elevat per mantenir la sustentació. Tanmateix, a mesura que augmenta la velocitat, es pot reduir, així com l'arrossegament induït. L'arrossegament paràsit, però, augmenta perquè el fluid flueix més ràpidament al voltant dels objectes que sobresurten, augmentant la fricció.
A velocitats més altes (transòniques), l'arrossegament de les ones arriba a un nou nivell. Cadascuna d'aquestes formes de repulsió varia proporcionalment a les altres en funció de la velocitat. Així, la corba d'arrossegament general mostra un mínim a una certa velocitat: l'avió tindrà una eficiència òptima o gairebé. Els pilots utilitzaran aquesta velocitat per maximitzar la resistència (consum mínim de combustible) o la distància de planeig en cas d'avaria del motor.
Corba de potència de l'aviació
La interacció de l'arrossegament paràsit i induït en funció de la velocitat de l'aire es pot representar com una línia característica. En l'aviació, sovint es coneix com a corba de potència. És important per als pilots perquè demostra que per sota d'una determinada velocitat, i contraintuïtivament, es requereix més empenta per mantenir-la a mesura que la velocitat disminueix, no menys. Les implicacions d'estar "entre bastidors" en vol són importants i s'ensenyen com a part de la formació dels pilots. En subsònicvelocitats aèries on la forma d'U d'aquesta corba és significativa, l'arrossegament de les ones encara no s'ha convertit en un factor. És per això que no es mostra a la corba.
Frenatge en flux transònic i supersònic
L'arrossegament d'ona de compressió és l'arrossegament que es crea quan un cos es mou a través d'un fluid compressible ia velocitats properes a la velocitat del so a l'aigua. En aerodinàmica, l'arrossegament de les ones té molts components segons el mode de conducció.
En aerodinàmica de vol transònic, l'arrossegament de les ones és el resultat de la formació d'ones de xoc en el líquid, que es formen en crear àrees locals de flux supersònic. A la pràctica, aquest moviment es produeix en cossos que es mouen molt per sota de la velocitat del senyal, ja que la velocitat local de l'aire augmenta. Tanmateix, el flux supersònic complet sobre el vehicle no es desenvoluparà fins que el valor hagi anat molt més enllà. Els avions que volen a velocitats transòniques sovint experimenten condicions d'ona durant el curs normal del vol. En vol transònic, aquesta repulsió es coneix comunament com a arrossegament de compressibilitat transònica. S'intensifica molt a mesura que augmenta la seva velocitat de vol, dominant altres formes a aquestes velocitats.
En el vol supersònic, l'arrossegament de les ones és el resultat de les ones de xoc presents en el fluid i adherides al cos, formant-se a les vores davantera i posterior del cos. En els fluxos supersònics, o en cascs amb angles de gir prou grans, n'hi hauràes formen un xoc solt o ones corbes. A més, les àrees locals de flux transònic es poden produir a velocitats supersòniques més baixes. De vegades condueixen al desenvolupament d'ones de xoc addicionals presents a les superfícies d' altres cossos d'elevació, similars a les que es troben en els fluxos transònics. En règims de flux potents, la resistència a les ones normalment es divideix en dos components:
- Aixecament supersònic segons el valor.
- Volum, que també depèn del concepte.
La solució de forma tancada per a la resistència mínima d'ona d'un cos de revolució amb una longitud fixa va ser trobada per Sears i Haack i es coneix com la "Distribució Seers-Haack". De la mateixa manera, per a un volum fix, la forma de la resistència d'ona mínima és "Von Karman Ogive".
El biplà de Busemann, en principi, no està subjecte a aquesta acció en absolut quan funciona a la velocitat de disseny, però tampoc és capaç de generar sustentació.
Productes
Un túnel de vent és una eina que s'utilitza en la investigació per estudiar l'efecte de l'aire que passa per sobre d'objectes sòlids. Aquest disseny consisteix en un pas tubular amb l'objecte a prova col·locat al mig. L'aire es mou més enllà de l'objecte mitjançant un potent sistema de ventilador o altres mitjans. L'objecte de prova, sovint conegut com a model de canonada, està equipat amb sensors adequats per mesurar les forces de l'aire, la distribució de la pressió o altrescaracterístiques aerodinàmiques. Això també és necessari per detectar i corregir el problema al sistema a temps.
Quins són els tipus d'aeronau
Mirem primer la història. Els primers túnels de vent es van inventar a finals del segle XIX, als primers temps de la investigació aeronàutica. Va ser llavors quan molts van intentar desenvolupar avions més pesats que l'aire amb èxit. El túnel de vent es va concebre com un mitjà per invertir el paradigma convencional. En comptes d'estar quiet i moure un objecte a través d'ell, s'obtindria el mateix efecte si l'objecte es quedés quiet i l'aire es mogués a una velocitat més alta. D'aquesta manera, un observador estacionari pot estudiar el producte volador en acció i mesurar l'aerodinàmica pràctica que se li imposa.
El desenvolupament de canonades va acompanyar el desenvolupament de l'avió. Durant la Segona Guerra Mundial es van construir grans elements aerodinàmics. Les proves en aquest tub es van considerar estratègicament importants durant el desenvolupament d'avions supersònics i míssils durant la Guerra Freda. Avui, els avions són qualsevol cosa. I gairebé tots els desenvolupaments més importants ja s'han introduït a la vida quotidiana.
La investigació posterior en el túnel del vent es va convertir en una cosa natural. L'efecte del vent sobre les estructures o objectes fets per l'home s'havia d'estudiar quan els edificis es feien prou alts per presentar grans superfícies al vent, i les forces resultants s'havien de resistir amb els elements interns de l'edifici. La definició d'aquests conjunts era necessària abans que els codis de construcció poguessin fer-hodeterminar la resistència requerida de les estructures. I aquestes proves es continuen utilitzant per a edificis grans o inusuals fins avui.
Fins i tot més tard, es van aplicar controls a la resistència aerodinàmica dels cotxes. Però no es tractava de determinar les forces com a tals, sinó d'establir maneres de reduir la potència necessària per moure el cotxe per les vies de carretera a una velocitat determinada. En aquests estudis, la interacció entre carretera i vehicle té un paper important. És ell qui s'ha de tenir en compte a l'hora d'interpretar els resultats de les proves.
En una situació real, la calçada es mou en relació amb el vehicle, però l'aire segueix sent relativa a la carretera. Però en un túnel de vent, l'aire es mou en relació a la carretera. Mentre que aquest últim està parat respecte al vehicle. Alguns túnels de vent dels vehicles de prova inclouen cinturons mòbils sota el vehicle de prova. Això és per apropar-se a l'estat real. S'utilitzen dispositius similars a les configuracions d'enlairament i aterratge del túnel de vent.
Equip
Les mostres d'equipament esportiu també són habituals durant molts anys. Inclouen pals i pilotes de golf, trineus olímpics i ciclistes i cascs de cotxes de carreres. L'aerodinàmica d'aquest últim és especialment important en vehicles amb cabina oberta (Indycar, Fórmula 1). Una força d'elevació excessiva sobre el casc pot causar un estrès importantal coll del conductor, i la separació del flux a la part posterior és un segell turbulent i, com a resultat, una visió deteriorada a altes velocitats.
Els avenços en les simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) en ordinadors digitals d' alta velocitat han reduït la necessitat de proves en túnel de vent. Tanmateix, els resultats de CFD encara no són del tot fiables, aquesta eina s'utilitza per verificar les prediccions de CFD.
