Luftwiderstand ist eine Kraft, die der relativen Bewegung eines Objekts entgegenwirkt. Es kann zwischen zwei Schichten einer festen Oberfläche existieren. Im Gegensatz zu anderen Widerstandssätzen, wie z. B. Trockenreibung, die nahezu unabhängig von der Geschwindigkeit sind, gehorchen die Widerstandskräfte einem bestimmten Wert. Obwohl die eigentliche Ursache der Wirkung viskose Reibung ist, sind Turbulenzen davon unabhängig. Die Widerstandskraft ist proportional zur laminaren Strömungsgeschwindigkeit.
Konzept
Luftwiderstand ist die Kraft, die auf einen sich bewegenden Festkörper in Richtung des entgegenkommenden Fluids wirkt. In Bezug auf die Nahfeldnäherung ist der Luftwiderstand das Ergebnis von Kräften aufgrund der Druckverteilung über der Oberfläche des Objekts, symbolisiert durch D. Aufgrund der Oberflächenreibung, die das Ergebnis der Viskosität ist, wird mit De bezeichnet. Alternativ wird aus Sicht des Strömungsfeldes die Kraft berechnetWiderstand entsteht durch drei Naturphänomene: Stoßwellen, Wirbelschicht und Viskosität. All dies finden Sie in der Tabelle des Luftwiderstands.
Übersicht
Die Verteilung des auf die Oberfläche eines Körpers wirkenden Drucks wirkt sich auf große Kräfte aus. Sie wiederum lassen sich zusammenfassen. Die stromabwärtigen Komponenten dieses Werts bilden aufgrund der Druckverteilung, die auf den Körper wirkt, die Widerstandskraft Drp. Die Natur dieser Kräfte kombiniert Stoßwelleneffekte, die Erzeugung von Wirbelsystemen und Nachlaufmechanismen.
Die Viskosität einer Flüssigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf den Luftwiderstand. Fehlt diese Komponente, werden die zur Verlangsamung des Fahrzeugs wirkenden Druckkräfte durch die Kraft neutralisiert, die im hinteren Teil anliegt und das Fahrzeug nach vorne schiebt. Dies wird als Wiederdruckbeaufschlagung bezeichnet, was zu einem Luftwiderstand von null führt. Das heißt, die Arbeit, die der Körper am Luftstrom verrichtet, ist reversibel und wiederherstellbar, da es keine Reibungseffekte gibt, um die Energie des Stroms in Wärme umzuwandeln.
Druckrückgewinnung funktioniert auch bei viskoser Bewegung. Dieser Wert ergibt jedoch Leistung. Es ist die dominierende Komponente des Luftwiderstands bei Fahrzeugen mit geteilten Strömungsbereichen, in denen die Druckrückgewinnung als eher ineffizient angesehen wird.
Die Reibungskraft, die die Tangentialkraft an der Oberfläche istFlugzeug, hängt von der Konfiguration der Grenzschicht und der Viskosität ab. Der aerodynamische Widerstand, Df, wird als die stromabwärts gerichtete Projektion von Moorsätzen berechnet, die von der Körperoberfläche geschätzt werden.
Die Summe aus Reibungs- und Druckwiderstand wird als viskoser Widerstand bezeichnet. Aus thermodynamischer Sicht sind Sumpfeffekte irreversible Phänomene und erzeugen daher Entropie. Der berechnete viskose Widerstand Dv verwendet Änderungen in diesem Wert, um die Rückprallkraft genau vorherzusagen.
Hier ist auch die Formel für die Luftdichte für Gas anzugeben: РV=m/MRT.
Wenn ein Flugzeug Auftrieb produziert, gibt es eine weitere Komponente des Pushbacks. Induzierter Widerstand, Di. Sie entsteht durch die Änderung der Druckverteilung des Wirbelsystems, die die Herstellung des Höhenruders begleitet. Eine alternative Auftriebsperspektive wird erreicht, indem die Impulsänderung des Luftstroms berücksichtigt wird. Der Flügel fängt die Luft ab und zwingt sie, sich nach unten zu bewegen. Dies führt zu einer gleichen und entgegengesetzten Widerstandskraft, die auf den Flügel wirkt, nämlich Auftrieb.
Änderung des Impulses des Luftstroms nach unten führt zu einer Verringerung des Umkehrwerts. Dass es das Ergebnis der Kraft ist, die auf den angelegten Flügel nach vorne wirkt. Auf den Rücken wirkt eine gleiche, aber entgegengesetzte Masse, die der induzierte Widerstand ist. Es ist in der Regel die wichtigste Komponente für Flugzeuge während des Starts oder der Landung. Ein weiteres Widerstandsobjekt, Wellenwiderstand (Dw), ist auf Stoßwellen zurückzuführenbei transsonischen und Überschallgeschwindigkeiten der Flugmechanik. Diese Rollen bewirken Veränderungen der Grenzschicht und der Druckverteilung auf der Körperoberfläche.
Geschichte
Die Vorstellung, dass ein sich bewegender Körper, der durch Luft (Dichteformel) oder eine andere Flüssigkeit strömt, auf Widerstand stößt, ist seit Aristoteles bekannt. Ein Artikel von Louis Charles Breguet aus dem Jahr 1922 begann mit dem Versuch, den Luftwiderstand durch Optimierung zu verringern. Der Autor erweckte seine Ideen weiter zum Leben und schuf in den 1920er und 1930er Jahren mehrere Rekordflugzeuge. Ludwig Prandtls Grenzschichttheorie aus dem Jahr 1920 gab einen Anreiz zur Reibungsminimierung.
Ein weiterer wichtiger Aufruf zur Sequenzierung kam von Sir Melville Jones, der theoretische Konzepte vorstellte, um die Bedeutung der Sequenzierung im Flugzeugdesign überzeugend zu demonstrieren. 1929 war sein Werk The Streamlined Airplane, das er der Royal Aeronautical Society vorstellte, wegweisend. Er schlug ein ideales Flugzeug mit minimalem Luftwiderstand vor, was zu dem Konzept eines "sauberen" Eindeckers und Einziehfahrwerks führte.
Einer der Aspekte von Jones' Arbeit, der die damaligen Designer am meisten schockierte, war seine Darstellung von Pferdestärken versus Geschwindigkeit für ein reales und ideales Flugzeug. Wenn Sie sich den Datenpunkt für ein Flugzeug ansehen und ihn horizontal zu einer perfekten Kurve extrapolieren, können Sie die Auszahlung für die gleiche Leistung bald sehen. Als Jones seine Präsentation beendet hatte, kam einer der ZuhörerBedeutung wie der Carnot-Zyklus in der Thermodynamik.
Hebungsinduzierter Widerstand
Das durch den Auftrieb verursachte Spiel resultiert aus der Erzeugung einer Neigung an einem dreidimensionalen Körper wie einem Flugzeugflügel oder -rumpf. Das induzierte Bremsen besteht hauptsächlich aus zwei Komponenten:
- Ziehen aufgrund von nachlaufenden Wirbeln.
- Zusätzlichen viskosen Widerstand haben, der nicht da ist, wenn der Auftrieb Null ist.
Die durch den Auftrieb des Körpers entstehenden Rückwirbel im Strömungsfeld entstehen durch die turbulente Vermischung der Luft über und unter dem Objekt, die durch die Auftriebserzeugung in verschiedene Richtungen strömt.
Bei anderen Parametern, die gleich bleiben wie der vom Körper erzeugte Auftrieb, erhöht sich auch der Widerstand, der durch die Steigung verursacht wird. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Anstellwinkel des Flügels der Auftriebsbeiwert zunimmt, ebenso wie der Rückprall. Zu Beginn eines Strömungsabrisses nimmt die aerodynamische Kraft in Bauchlage dramatisch ab, ebenso wie der durch den Auftrieb verursachte Widerstand. Dieser Wert erhöht sich aber durch die Bildung einer turbulenten Eigenströmung hinter dem Körper.
Falscher Zug
Dies ist der Widerstand, der durch die Bewegung eines festen Objekts durch eine Flüssigkeit verursacht wird. Parasitärer Widerstand hat mehrere Komponenten, einschließlich Bewegung aufgrund von viskosem Druck und aufgrund von Oberflächenrauhigkeit (Hautreibung). Darüber hinaus kann das Vorhandensein mehrerer Körper in relativer Nähe das sogenannte verursachenStörfestigkeit, die manchmal als Bestandteil des Begriffs bezeichnet wird.
In der Luftfahrt ist das induzierte Spiel bei niedrigeren Geschwindigkeiten tendenziell stärker, da ein großer Anstellwinkel erforderlich ist, um den Auftrieb aufrechtzuerh alten. Mit zunehmender Geschwindigkeit kann sie jedoch reduziert werden, ebenso wie der induzierte Widerstand. Der parasitäre Widerstand wird jedoch größer, weil die Flüssigkeit schneller um vorstehende Objekte herumfließt und die Reibung zunimmt.
Bei höheren Geschwindigkeiten (Transsonik) erreicht der Wellenwiderstand ein neues Niveau. Jede dieser Abstoßungsformen ändert sich abhängig von der Geschwindigkeit proportional zu den anderen. Die Gesamtwiderstandskurve zeigt also bei einer gewissen Fluggeschwindigkeit ein Minimum - das Flugzeug wird bei oder nahe der optimalen Effizienz sein. Piloten verwenden diese Geschwindigkeit, um die Ausdauer (minimaler Kraftstoffverbrauch) oder die Gleitstrecke im Falle eines Triebwerksausfalls zu maximieren.
Flugleistungskurve
Das Zusammenspiel von parasitärem und induziertem Widerstand in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit lässt sich als Kennlinie darstellen. In der Luftfahrt wird dies oft als Leistungskurve bezeichnet. Es ist für Piloten wichtig, weil es zeigt, dass unterhalb einer bestimmten Fluggeschwindigkeit und entgegen der Intuition mehr Schub erforderlich ist, um sie aufrechtzuerh alten, wenn die Fluggeschwindigkeit abnimmt, nicht weniger. Die Auswirkungen „hinter den Kulissen“im Flug sind wichtig und werden im Rahmen der Pilotenausbildung gelehrt. Auf UnterschallFluggeschwindigkeiten, bei denen die U-Form dieser Kurve signifikant ist, ist der Wellenwiderstand noch kein Faktor geworden. Deshalb wird es nicht auf der Kurve angezeigt.
Bremsen in transsonischer und Überschallströmung
Druckwellenwiderstand ist der Widerstand, der entsteht, wenn sich ein Körper durch eine komprimierbare Flüssigkeit und mit Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit in Wasser bewegt. In der Aerodynamik hat der Wellenwiderstand je nach Fahrmodus viele Komponenten.
In der transsonischen Flugaerodynamik ist der Wellenwiderstand das Ergebnis der Bildung von Stoßwellen in der Flüssigkeit, die entstehen, wenn lokale Bereiche mit Überschallströmung erzeugt werden. In der Praxis tritt eine solche Bewegung bei Körpern auf, die sich deutlich unterhalb der Signalgeschwindigkeit bewegen, da die lokale Geschwindigkeit der Luft zunimmt. Eine vollständige Überschallströmung über das Fahrzeug wird sich jedoch erst entwickeln, wenn der Wert viel weiter gegangen ist. Flugzeuge, die mit transsonischen Geschwindigkeiten fliegen, erfahren während des normalen Flugverlaufs häufig Wellenbedingungen. Beim transsonischen Flug wird diese Abstoßung allgemein als transsonischer Kompressibilitätswiderstand bezeichnet. Es intensiviert sich stark, wenn seine Fluggeschwindigkeit zunimmt, und dominiert andere Formen bei diesen Geschwindigkeiten.
Im Überschallflug ist der Wellenwiderstand das Ergebnis von Stoßwellen, die in der Flüssigkeit vorhanden und am Körper haften und sich an den Vorder- und Hinterkanten des Körpers bilden. Bei Überschallströmungen oder in Schiffsrümpfen mit ausreichend großen Drehwinkeln hingegen schonlose Stoß- oder gekrümmte Wellen entstehen. Außerdem können bei niedrigeren Überschallgeschwindigkeiten lokale Bereiche transsonischer Strömungen auftreten. Manchmal führen sie zur Entwicklung zusätzlicher Stoßwellen, die auf den Oberflächen anderer Auftriebskörper vorhanden sind, ähnlich denen, die in transsonischen Strömungen zu finden sind. In starken Strömungsregimen wird der Wellenwiderstand normalerweise in zwei Komponenten unterteilt:
- Überschallauftrieb je nach Wert.
- Lautstärke, die auch vom Konzept abhängt.
Die geschlossene Lösung für den minimalen Wellenwiderstand eines Rotationskörpers mit fester Länge wurde von Sears und Haack gefunden und ist als "Seers-Haack-Verteilung" bekannt. Ebenso ist für ein festes Volumen die Form für den minimalen Wellenwiderstand "Von Karman Ogive".
Busemanns Doppeldecker unterliegt bei Auslegungsgeschwindigkeit grundsätzlich keiner solchen Einwirkung, ist aber auch nicht in der Lage, Auftrieb zu erzeugen.
Produkte
Ein Windkanal ist ein Werkzeug, das in der Forschung verwendet wird, um die Wirkung von Luft zu untersuchen, die sich an festen Objekten vorbeibewegt. Dieses Design besteht aus einem röhrenförmigen Durchgang, in dessen Mitte sich das zu prüfende Objekt befindet. Luft wird durch ein leistungsstarkes Lüftersystem oder andere Mittel am Objekt vorbeibewegt. Das Testobjekt, oft auch als Rohrmodell bezeichnet, ist mit entsprechenden Sensoren ausgestattet, um Luftkräfte, Druckverteilung oder anderes zu messenaerodynamische Eigenschaften. Dies ist auch notwendig, um das Problem im System rechtzeitig zu erkennen und zu beheben.
Was sind die Flugzeugtypen
Schauen wir uns zuerst die Geschichte an. Die ersten Windkanäle wurden Ende des 19. Jahrhunderts, in den Anfängen der Luftfahrtforschung, erfunden. Damals versuchten viele, erfolgreiche Flugzeuge zu entwickeln, die schwerer als Luft waren. Der Windkanal wurde als Mittel zur Umkehrung des konventionellen Paradigmas konzipiert. Anstatt stillzustehen und ein Objekt hindurchzubewegen, würde der gleiche Effekt erzielt, wenn das Objekt stillsteht und sich die Luft mit höherer Geschwindigkeit bewegt. Auf diese Weise kann ein stationärer Beobachter das fliegende Produkt in Aktion studieren und die ihm auferlegte praktische Aerodynamik messen.
Die Entwicklung der Rohre begleitete die Entwicklung des Flugzeugs. Während des Zweiten Weltkriegs wurden große aerodynamische Gegenstände gebaut. Das Testen in einer solchen Röhre g alt während der Entwicklung von Überschallflugzeugen und -raketen während des K alten Krieges als strategisch wichtig. Heute sind Flugzeuge alles. Und fast alle wichtigen Entwicklungen sind bereits im Alltag angekommen.
Später wurde Windkanalforschung zu einer Selbstverständlichkeit. Die Auswirkungen des Windes auf von Menschenhand geschaffene Strukturen oder Objekte mussten untersucht werden, wenn Gebäude hoch genug wurden, um dem Wind große Flächen zu bieten, und den resultierenden Kräften mussten die inneren Elemente des Gebäudes standh alten. Die Definition solcher Sets war erforderlich, bevor Bauvorschriften dies konntenBestimmen Sie die erforderliche Festigkeit von Strukturen. Und solche Tests werden bis heute für große oder ungewöhnliche Gebäude verwendet.
Auch später wurde der Luftwiderstand von Autos kontrolliert. Dies sollte jedoch nicht die Kräfte als solche bestimmen, sondern Wege finden, um die Kraft zu reduzieren, die erforderlich ist, um das Auto mit einer bestimmten Geschwindigkeit über die Straßenbetten zu bewegen. In diesen Studien spielt die Interaktion zwischen Straße und Fahrzeug eine bedeutende Rolle. Er muss bei der Interpretation der Testergebnisse berücksichtigt werden.
In einer realen Situation bewegt sich die Fahrbahn relativ zum Fahrzeug, aber die Luft ist immer noch relativ zur Straße. Aber in einem Windkanal bewegt sich die Luft relativ zur Straße. Letzterer steht dabei relativ zum Fahrzeug still. Einige Testfahrzeug-Windkanäle beinh alten bewegliche Bänder unter dem Testfahrzeug. Dies soll dem Ist-Zustand näher kommen. Ähnliche Geräte werden in Start- und Landekonfigurationen im Windkanal verwendet.
Ausrüstung
Muster von Sportgeräten sind ebenfalls seit vielen Jahren üblich. Dazu gehörten Golfschläger und Bälle, olympische Bobs und Radfahrer sowie Rennwagenhelme. Die Aerodynamik des letzteren ist besonders wichtig bei Fahrzeugen mit offener Kabine (Indycar, Formel 1). Eine übermäßige Hebekraft auf den Helm kann erhebliche Belastungen verursachenam Hals des Fahrers, und die Strömungsablösung auf der Rückseite ist eine turbulente Abdichtung und dadurch Sichtbehinderung bei hohen Geschwindigkeiten.
Fortschritte bei Simulationen der Computational Fluid Dynamics (CFD) auf Hochgeschwindigkeits-Digitalcomputern haben die Notwendigkeit von Windkan altests reduziert. Obwohl die CFD-Ergebnisse immer noch nicht vollständig zuverlässig sind, wird dieses Tool verwendet, um CFD-Vorhersagen zu überprüfen.
