السحب الأيروديناميكي هو قوة تعمل عكس الحركة النسبية لأي جسم. يمكن أن توجد بين طبقتين من السطح الصلب. على عكس مجموعات المقاومة الأخرى ، مثل الاحتكاك الجاف ، والتي تكون مستقلة تقريبًا عن السرعة ، تخضع قوى السحب لقيمة معينة. على الرغم من أن السبب النهائي للفعل هو الاحتكاك اللزج ، إلا أن الاضطراب مستقل عنه. تتناسب قوة السحب مع سرعة التدفق الصفحي.
مفهوم
السحب الأيروديناميكي هو القوة التي تؤثر على أي جسم صلب متحرك في اتجاه السائل القادم. فيما يتعلق بتقريب المجال القريب ، فإن السحب هو نتيجة القوى الناتجة عن توزيع الضغط على سطح الجسم ، والذي يرمز إليه ب D. بسبب احتكاك الجلد ، الناتج عن اللزوجة ، يُرمز إليه بـ De. بدلا من ذلك ، تحسب من وجهة نظر مجال التدفق ، القوةتنشأ المقاومة نتيجة لثلاث ظواهر طبيعية: موجات الصدمة وطبقة الدوامة واللزوجة. كل هذا يمكن العثور عليه في جدول السحب الديناميكي الهوائي.
نظرة عامة
توزيع الضغط الذي يعمل على سطح الجسم يؤثر على القوى الكبيرة. هم ، بدورهم ، يمكن تلخيصها. تشكل مكونات المصب لهذه القيمة قوة السحب ، Drp ، بسبب توزيع الضغط الذي يؤثر على الجسم. طبيعة هذه القوى تجمع بين تأثيرات موجات الصدمة وتوليد نظام الدوامة وآليات التنبيه.
لزوجة السائل تأثير كبير على السحب. في حالة عدم وجود هذا المكون ، يتم تحييد قوى الضغط التي تعمل على إبطاء السيارة بواسطة القوة الموجودة في الجزء الخلفي وتدفع السيارة إلى الأمام. وهذا ما يسمى إعادة الضغط ، مما يؤدي إلى عدم وجود مقاومة هوائية. وهذا يعني أن العمل الذي يقوم به الجسم على تدفق الهواء قابل للعكس وقابل للاسترداد حيث لا توجد تأثيرات احتكاكية لتحويل طاقة التدفق إلى حرارة.
استرداد الضغط يعمل حتى في حالة الحركة اللزجة. هذه القيمة ، مع ذلك ، ينتج عنها قوة. إنه المكون السائد للسحب في حالة المركبات ذات مناطق التدفق المنقسمة حيث يُعتبر استرداد الرأس غير فعال إلى حد ما.
قوة الاحتكاك ، وهي القوة العرضية على السطحالطائرات ، يعتمد على تكوين الطبقة الحدودية واللزوجة. يتم حساب السحب الديناميكي الهوائي ، Df ، على أنه الإسقاط السفلي لمجموعات المستنقعات المقدرة من سطح الجسم.
مجموع مقاومة الاحتكاك والضغط يسمى المقاومة اللزجة. من منظور الديناميكا الحرارية ، تعتبر تأثيرات المستنقع ظاهرة لا رجعة فيها ، وبالتالي فهي تخلق إنتروبيا. تستخدم المقاومة اللزجة المحسوبة Dv التغييرات في هذه القيمة للتنبؤ بدقة بقوة الارتداد.
هنا من الضروري أيضًا إعطاء صيغة كثافة الهواء للغاز: РV=m / MRT.
عندما تنتج طائرة قوة الرفع ، هناك عنصر آخر للضغط. المقاومة المستحثة ، Di. ينشأ من التغيير في توزيع الضغط لنظام الدوامة المصاحب لإنتاج المصعد. يتم تحقيق منظور الرفع البديل من خلال النظر في التغيير في زخم تدفق الهواء. يعترض الجناح الهواء ويجبره على النزول. ينتج عن هذا قوة سحب متساوية ومعاكسة تعمل على الجناح ، وهي قوة الرفع
تغيير زخم تدفق الهواء لأسفل يؤدي إلى انخفاض في القيمة العكسية. أنه نتيجة للقوة المؤثرة للأمام على الجناح المطبق. تعمل كتلة متساوية ولكنها معاكسة على الظهر ، وهي السحب المستحث. يميل إلى أن يكون العنصر الأكثر أهمية للطائرات أثناء الإقلاع أو الهبوط. كائن سحب آخر ، سحب الموجة (Dw) ناتج عن موجات الصدمةبسرعات فوق صوتية وسرعات فوق صوتية لميكانيكا الطيران. تسبب هذه اللفات تغييرات في الطبقة الحدودية وتوزيع الضغط على سطح الجسم.
التاريخ
فكرة أن جسمًا متحركًا يمر عبر الهواء (معادلة الكثافة) أو سائل آخر يواجه مقاومة معروفة منذ زمن أرسطو. بدأت مقالة كتبها لويس تشارلز بريجيه في عام 1922 محاولة لتقليل السحب من خلال التحسين. واصل المؤلف إحياء أفكاره ، حيث ابتكر عدة طائرات حطمت الأرقام القياسية في عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي. قدمت نظرية الطبقة الحدودية لودفيج برانتل في عام 1920 حافزًا لتقليل الاحتكاك.
دعوة مهمة أخرى للتسلسل أطلقها السير ميلفيل جونز ، الذي قدم المفاهيم النظرية لإثبات بشكل مقنع أهمية التسلسل في تصميم الطائرات. في عام 1929 ، كان عمله "الطائرة الانسيابية" الذي قدمه إلى الجمعية الملكية للطيران بمثابة عامل أساسي. اقترح طائرة مثالية ذات مقاومة منخفضة ، مما يؤدي إلى مفهوم الهيكل السفلي "النظيف" أحادي السطح والقابل للسحب.
كان أحد جوانب عمل جونز التي صدمت المصممين في ذلك الوقت هو مؤامرة قوة الحصان مقابل السرعة لطائرة حقيقية ومثالية. إذا نظرت إلى نقطة بيانات طائرة وقمت باستقرائها أفقيًا إلى منحنى مثالي ، يمكنك رؤية العائد قريبًا من نفس القوة. عندما أنهى جونز عرضه ، أحد المستمعينمستوى الأهمية مثل دورة كارنو في الديناميكا الحرارية.
المقاومة التي يسببها الرفع
ينتج رد الفعل العكسي الناجم عن إنشاء منحدر على جسم ثلاثي الأبعاد مثل جناح الطائرة أو جسم الطائرة. يتكون الكبح المستحث بشكل أساسي من مكونين:
- اسحب بسبب تكوين دوامات زائدة.
- وجود سحب لزج إضافي غير موجود عندما يكون الرفع صفرًا.
الدوامات الخلفية في مجال التدفق الموجودة نتيجة رفع الجسم ناتجة عن الخلط المضطرب للهواء فوق الجسم وتحته ، والذي يتدفق في عدة اتجاهات مختلفة نتيجة إنشاء قوة الرفع
مع المعلمات الأخرى التي تظل مماثلة للرفع الذي أنشأه الجسم ، تزداد المقاومة الناتجة عن الانحدار أيضًا. هذا يعني أنه كلما زادت زاوية هجوم الجناح ، يزداد معامل الرفع ، كما يزداد الارتداد. في بداية الكشك ، تنخفض القوة الديناميكية الهوائية المعرضة بشكل كبير ، كما هو الحال مع السحب الناجم عن الرفع. لكن هذه القيمة تزداد بسبب تكوين تدفق مضطرب غير مرتبط بعد الجسم.
سحب زائف
هذه هي المقاومة التي تسببها حركة جسم صلب عبر سائل. يتكون السحب الطفيلي من عدة مكونات ، بما في ذلك الحركة بسبب الضغط اللزج وبسبب خشونة السطح (احتكاك الجلد). بالإضافة إلى ذلك ، فإن وجود العديد من الجثث على مقربة نسبية يمكن أن يسبب ما يسمىمقاومة التداخل ، والتي توصف أحيانًا بأنها أحد مكونات المصطلح.
في الطيران ، تميل ردود الفعل العكسية المستحثة إلى أن تكون أقوى عند السرعات المنخفضة لأن زاوية الهجوم العالية مطلوبة للحفاظ على الرفع. ومع ذلك ، مع زيادة السرعة ، يمكن تقليلها ، وكذلك السحب المستحث. ومع ذلك ، يصبح السحب الطفيلي أكبر لأن السائل يتدفق بشكل أسرع حول الأجسام البارزة ، مما يؤدي إلى زيادة الاحتكاك.
بسرعات أعلى (ترانسونيك) ، يصل سحب الموجة إلى مستوى جديد. يختلف كل شكل من أشكال النبضة هذه بشكل متناسب مع الأشكال الأخرى اعتمادًا على السرعة. لذا يُظهر منحنى السحب الإجمالي حدًا أدنى عند بعض السرعة الجوية - ستكون الطائرة عند الكفاءة المثلى أو قريبة منها. سيستخدم الطيارون هذه السرعة لزيادة القدرة على التحمل (الحد الأدنى من استهلاك الوقود) أو مسافة الانزلاق في حالة تعطل المحرك.
منحنى قوة الطيران
يمكن تمثيل تفاعل السحب الطفيلي والمستحث كدالة للسرعة الجوية كخط مميز. في مجال الطيران ، يُشار إلى هذا غالبًا باسم منحنى الطاقة. إنه مهم للطيارين لأنه يظهر أنه أقل من سرعة جوية معينة ، وعلى عكس ما هو متوقع ، هناك حاجة إلى مزيد من الدفع للحفاظ عليها مع انخفاض السرعة الجوية ، وليس أقل. الآثار المترتبة على "وراء الكواليس" أثناء الطيران مهمة ويتم تدريسها كجزء من تدريب الطيارين. على سرعة الصوتالسرعة الجوية حيث يكون شكل U لهذا المنحنى مهمًا ، لم يصبح سحب الموجة عاملاً بعد. هذا هو السبب في عدم ظهوره على المنحنى.
الكبح في التدفق عبر الصوت و الأسرع من الصوت
سحب الموجة الانضغاطية هو السحب الذي يحدث عندما يتحرك الجسم عبر سائل قابل للانضغاط وبسرعة تقترب من سرعة الصوت في الماء. في الديناميكا الهوائية ، يحتوي السحب الموجي على العديد من المكونات اعتمادًا على وضع القيادة.
في الديناميكا الهوائية للطيران عبر الصوت ، يكون السحب الموجي نتيجة لتشكيل موجات الصدمة في السائل ، والتي تتشكل عند إنشاء مناطق محلية ذات تدفق أسرع من الصوت. في الممارسة العملية ، تحدث مثل هذه الحركة على أجسام تتحرك أقل بكثير من سرعة الإشارة ، حيث تزداد السرعة المحلية للهواء. ومع ذلك ، فإن التدفق الأسرع من الصوت على السيارة لن يتطور حتى تذهب القيمة إلى أبعد من ذلك بكثير. غالبًا ما تواجه الطائرات التي تحلق بسرعات ترانومترية ظروفًا موجية أثناء المسار الطبيعي للرحلة. في الرحلة العابرة للنبض ، يشار إلى هذا التنافر عادةً بسحب الانضغاط العابر. تتكثف بشكل كبير مع زيادة سرعة طيرانها ، وتسيطر على الأشكال الأخرى بهذه السرعات.
في الطيران الأسرع من الصوت ، ينتج سحب الموجة عن موجات الصدمة الموجودة في السائل والمرتبطة بالجسم ، والتي تتشكل عند الحواف الأمامية والخلفية للجسم. في التدفقات الأسرع من الصوت ، أو في الهياكل ذات الزوايا الكبيرة للدوران ، سيكون هناك بدلاً من ذلكتتشكل صدمة فضفاضة أو موجات منحنية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تحدث المناطق المحلية للتدفق العابر بسرعة تفوق سرعة الصوت. تؤدي في بعض الأحيان إلى ظهور موجات صدمة إضافية موجودة على أسطح أجسام الرفع الأخرى ، على غرار تلك الموجودة في التدفقات العابرة للصوت. في أنظمة التدفق القوية ، تنقسم مقاومة الموجة عادة إلى مكونين:
- رفع الأسرع من الصوت اعتمادًا على القيمة.
- الحجم ، والذي يعتمد أيضًا على المفهوم.
تم العثور على الحل المغلق للحد الأدنى لمقاومة الموجة لجسم ثورة بطول ثابت بواسطة Sears and Haack ويعرف باسم "توزيع Seers-Haack". وبالمثل ، بالنسبة للحجم الثابت ، فإن شكل مقاومة الموجة الدنيا هو "Von Karman Ogive".
من حيث المبدأ ، لا تخضع طائرة Busemann ذات السطحين لمثل هذا الإجراء على الإطلاق عند العمل بسرعة التصميم ، ولكنها أيضًا غير قادرة على توليد الرفع.
المنتجات
نفق الرياح هو أداة تستخدم في البحث لدراسة تأثير تحرك الهواء عبر الأجسام الصلبة. يتكون هذا التصميم من ممر أنبوبي مع وضع الكائن قيد الاختبار في المنتصف. يتحرك الهواء عبر الجسم عن طريق نظام مروحة قوي أو بوسائل أخرى. كائن الاختبار ، الذي يشار إليه غالبًا باسم نموذج الأنبوب ، مزود بأجهزة استشعار مناسبة لقياس القوى الجوية أو توزيع الضغط أو غير ذلكالخصائص الديناميكية الهوائية. هذا ضروري أيضًا من أجل ملاحظة وتصحيح المشكلة في النظام في الوقت المناسب.
ما هي أنواع الطائرات
دعونا نلقي نظرة على التاريخ أولا. تم اختراع أقدم أنفاق الرياح في نهاية القرن التاسع عشر ، في الأيام الأولى لأبحاث الطيران. في ذلك الوقت حاول الكثيرون تطوير طائرات أثقل من الهواء ناجحة. تم تصور نفق الرياح كوسيلة لعكس النموذج التقليدي. بدلاً من الوقوف دون حراك وتحريك جسم من خلاله ، يمكن الحصول على نفس التأثير إذا ظل الجسم ثابتًا وتحرك الهواء بسرعة أعلى. بهذه الطريقة ، يمكن للمراقب الثابت دراسة المنتج الطائر أثناء العمل وقياس الديناميكا الهوائية العملية المفروضة عليه.
تطوير الأنابيب رافق تطور الطائرات. تم بناء عناصر ديناميكية هوائية كبيرة خلال الحرب العالمية الثانية. كان الاختبار في مثل هذا الأنبوب مهمًا من الناحية الإستراتيجية أثناء تطوير الطائرات والصواريخ الأسرع من الصوت خلال الحرب الباردة. اليوم ، الطائرات هي أي شيء. وقد تم بالفعل إدخال جميع التطورات الأكثر أهمية في الحياة اليومية.
أصبحت أبحاث نفق الرياح في وقت لاحق مسألة طبيعية. كان لا بد من دراسة تأثير الرياح على الهياكل أو الأشياء التي من صنع الإنسان عندما أصبحت المباني شاهقة بما يكفي لعرض أسطح كبيرة للريح ، وكان لا بد من مقاومة القوى الناتجة بواسطة العناصر الداخلية للمبنى. كان تعريف هذه المجموعات مطلوبًا قبل أن تتمكن من قوانين البناءتحديد القوة المطلوبة للهياكل. ويستمر استخدام مثل هذه الاختبارات للمباني الكبيرة أو غير العادية حتى يومنا هذا.
حتى في وقت لاحق ، تم تطبيق عمليات الفحص على السحب الديناميكي الهوائي للسيارات. لكن هذا لم يكن لتحديد القوى في حد ذاتها ، ولكن لإنشاء طرق لتقليل القوة المطلوبة لتحريك السيارة على طول قيعان الطرق بسرعة معينة. في هذه الدراسات ، يلعب التفاعل بين الطريق والمركبة دورًا مهمًا. هو الذي يجب أن يؤخذ في الاعتبار عند تفسير نتائج الاختبار.
في الواقع ، يتحرك الطريق بالنسبة إلى السيارة ، لكن الهواء لا يزال متناسبًا مع الطريق. لكن في نفق الرياح ، يتحرك الهواء نسبة إلى الطريق. بينما الأخير ثابت بالنسبة للسيارة. تتضمن بعض أنفاق الرياح للمركبة الاختبارية أحزمة متحركة أسفل مركبة الاختبار. هذا هو الاقتراب من الحالة الفعلية. تُستخدم أجهزة مماثلة في تكوينات الإقلاع والهبوط في نفق الرياح.
معدات
كانت عينات المعدات الرياضية شائعة أيضًا لسنوات عديدة. وشملت نوادي الجولف والكرات والزلاجات الأولمبية وراكبي الدراجات وخوذات سيارات السباق. تعتبر الديناميكا الهوائية الخاصة بهذا الأخير مهمة بشكل خاص في المركبات ذات الكابينة المفتوحة (Indycar ، Formula One). يمكن أن تسبب قوة الرفع المفرطة للخوذة ضغطًا كبيرًاعلى رقبة السائق ، وفصل التدفق على الجانب الخلفي هو ختم مضطرب ، ونتيجة لذلك ، ضعف الرؤية عند السرعات العالية.
أدى التقدم في محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) على أجهزة الكمبيوتر الرقمية عالية السرعة إلى تقليل الحاجة إلى اختبار نفق الرياح. ومع ذلك ، لا تزال نتائج CFD غير موثوقة تمامًا ، تُستخدم هذه الأداة للتحقق من تنبؤات CFD.
