تحدث قوة السحب هذه في الطائرات بسبب الأجنحة أو جسم الرفع الذي يعيد توجيه الهواء لإحداث الرفع ، وفي السيارات ذات الأجنحة الجنيحية التي تعيد توجيه الهواء لتسبب القوة الضاغطة. لاحظ صامويل لانجلي أن اللوحات ذات نسبة العرض إلى الارتفاع الأعلى تسطحًا تتميز برفع أعلى وسحب أقل وتم تقديمها في عام 1902. بدون اختراع الجودة الديناميكية الهوائية للطائرة ، سيكون تصميم الطائرات الحديث مستحيلاً.
رفع و تحريك
القوة الأيروديناميكية الكلية المؤثرة على الجسم تتكون عادة من عنصرين: الرفع والإزاحة. بحكم التعريف ، يسمى مكون القوة الموازي لتدفق العداد الإزاحة ، بينما يسمى المكون العمودي على تدفق العداد بالرفع.
هذه الأساسيات للديناميكا الهوائية لها أهمية كبيرة لتحليل الجودة الديناميكية الهوائية للجناح. ينتج الرفع عن طريق تغيير اتجاه التدفق حول الجناح. يتغيرونينتج عن الاتجاه تغير في السرعة (حتى لو لم يكن هناك تغيير في السرعة ، كما يظهر في الحركة الدائرية المنتظمة) ، وهو التسارع. لذلك ، لتغيير اتجاه التدفق ، يلزم تطبيق قوة على السائل. هذا مرئي بوضوح على أي طائرة ، ما عليك سوى إلقاء نظرة على التمثيل التخطيطي للجودة الديناميكية الهوائية للطائرة An-2.
لكن ليس كل شيء بهذه البساطة. استمرارًا لموضوع الجودة الديناميكية الهوائية للجناح ، تجدر الإشارة إلى أن إنشاء رافعة هوائية تحتها يكون عند ضغط أعلى من ضغط الهواء فوقه. في الجناح الممتد المحدود ، يتسبب فرق الضغط هذا في تدفق الهواء من جذر الجناح السطحي السفلي إلى قاعدة سطحه العلوي. يتحد تدفق الهواء الطائر هذا مع تدفق الهواء لإحداث تغيير في السرعة والاتجاه يؤدي إلى تحريف تدفق الهواء وإنشاء دوامات على طول الحافة الخلفية للجناح. الدوامات المتكونة غير مستقرة ، تتحد بسرعة لتكوين دوامات الجناح. تعمل الدوامات الناتجة على تغيير سرعة واتجاه تدفق الهواء خلف الحافة الخلفية ، مما يؤدي إلى انحرافه إلى أسفل ، وبالتالي حدوث رفرف خلف الجناح. من وجهة النظر هذه ، على سبيل المثال ، تتمتع طائرة MS-21 بمستوى عالٍ من نسبة الرفع إلى السحب.
التحكم في تدفق الهواء
تغير الدوامات بدورها تدفق الهواء حول الجناح ، مما يقلل من قدرة الجناح على توليد قوة الرفع ، لذلك يتطلب زاوية هجوم أعلى لنفس الرفع ، مما يؤدي إلى إمالة إجمالي القوة الديناميكية الهوائية للخلف ويزيد من عنصر السحب في تلك القوة. الانحراف الزاوي لا يكاد يذكريؤثر على المصعد. ومع ذلك ، هناك زيادة في السحب تساوي ناتج المصعد والزاوية التي تنحرف بسببها. نظرًا لأن الانحراف في حد ذاته هو وظيفة المصعد ، فإن السحب الإضافي يتناسب مع زاوية الصعود ، والتي يمكن رؤيتها بوضوح في الديناميكا الهوائية لطائرة A320.
أمثلة تاريخية
يخلق الجناح الكوكبي المستطيل اهتزازات دوامة أكثر من الجناح المخروطي أو الإهليلجي ، وهذا هو السبب في أن العديد من الأجنحة الحديثة مدببة لتحسين نسبة الرفع إلى السحب. ومع ذلك ، فإن هيكل الطائرة الإهليلجي أكثر كفاءة حيث أن الغسل المستحث (ومن ثم الزاوية الفعالة للهجوم) ثابت عبر امتداد الأجنحة بالكامل. نظرًا لتعقيدات التصنيع ، فإن عددًا قليلاً من الطائرات لديها هذا الشكل المخطط ، وأشهر الأمثلة هي الحرب العالمية الثانية Spitfire و Thunderbolt. يمكن للأجنحة المدببة ذات الحواف الأمامية والخلفية المستقيمة أن تقترب من توزيع الرفع الإهليلجي. كقاعدة عامة ، تنتج الأجنحة المستقيمة غير المستدقة 5٪ والأجنحة المستدقة تنتج سحبًا محرضًا بنسبة 1-2٪ أكثر من الأجنحة البيضاوية. لذلك ، لديهم جودة ديناميكية هوائية أفضل.
التناسب
سينتج الجناح ذو النسبة المرتفعة سحبًا أقل من الجناح ذي النسبة المنخفضة نظرًا لوجود اضطراب أقل للهواء عند طرف الجناح الأطول والأرفع. لذلك ، المستحثةيمكن أن تكون المقاومة متناسبة عكسياً مع التناسب ، بغض النظر عن مدى التناقض الذي قد يبدو عليه. يمكن أيضًا تغيير توزيع الرفع عن طريق الغسيل ، ولف الجناح حوله لتقليل السقوط باتجاه الأجنحة ، وبتغيير الجنيح بالقرب من الأجنحة. هذا يسمح لك بالحصول على مزيد من الرفع بالقرب من جذر الجناح وأقل من الجناح ، مما يؤدي إلى انخفاض في قوة دوامات الجناح ، وبالتالي إلى تحسين الجودة الديناميكية الهوائية للطائرة.
في تاريخ تصميم الطائرات
في بعض الطائرات المبكرة ، تم تثبيت الزعانف على أطراف ذيول. الطائرات اللاحقة لها شكل جناح مختلف لتقليل شدة الدوامات وتحقيق أقصى نسبة رفع إلى سحب.
يمكن أن توفر خزانات وقود المكره الموجودة على السطح بعض الفوائد من خلال منع تدفق الهواء الفوضوي حول الجناح. الآن يتم استخدامها في العديد من الطائرات. كانت الجودة الديناميكية الهوائية لـ DC-10 تعتبر بجدارة ثورية في هذا الصدد. ومع ذلك ، فقد تم تجديد سوق الطيران الحديث منذ فترة طويلة بنماذج أكثر تقدمًا.
صيغة السحب للسحب: موضحة بعبارات بسيطة
لحساب المقاومة الإجمالية ، من الضروري مراعاة ما يسمى بالمقاومة الطفيلية. نظرًا لأن السحب المستحث يتناسب عكسًا مع مربع السرعة الجوية (عند رفع معين) ، بينما يتناسب السحب الطفيلي معه بشكل مباشر ، فإن منحنى السحب الإجمالي يوضح الحد الأدنى للسرعة. مطار،تحلق بهذه السرعة ، وتعمل بصفات ديناميكية هوائية مثالية. وفقًا للمعادلات أعلاه ، تحدث الحد الأدنى من المقاومة بالسرعة التي تكون فيها المقاومة المستحثة مساوية للمقاومة الطفيلية. هذه هي السرعة التي يتم بها الوصول إلى زاوية الانزلاق المثلى للطائرة الخاملة. لكي لا تكون بلا أساس ، ضع في اعتبارك الصيغة الخاصة بمثال الطائرة:
استمرار الصيغة مثير أيضًا للفضول (في الصورة أدناه). فالطيران على ارتفاع ، حيث يكون الهواء أرق ، سيزيد من السرعة التي يحدث بها الحد الأدنى من السحب ، وبالتالي يتيح السفر بشكل أسرع بنفس المقدار من وقود.
إذا كانت الطائرة تحلق بأقصى سرعتها المسموح بها ، فإن الارتفاع الذي ستزودها فيه كثافة الهواء بأفضل جودة هوائية. قد يتغير الارتفاع الأمثل عند السرعة القصوى والسرعة المثلى عند أقصى ارتفاع أثناء الرحلة.
القدرة على التحمل
السرعة لأقصى قدر من القدرة على التحمل (أي الوقت في الهواء) هي السرعة للحد الأدنى من استهلاك الوقود وسرعة أقل للمدى الأقصى. يتم حساب استهلاك الوقود على أنه نتاج الطاقة المطلوبة واستهلاك الوقود المحدد لكل محرك (استهلاك الوقود لكل وحدة طاقة). القوة المطلوبة تساوي وقت السحب
التاريخ
بدأ تطوير الديناميكا الهوائية الحديثة فقط في السابع عشرقرون ، ولكن تم استخدام القوى الديناميكية الهوائية من قبل البشر لآلاف السنين في المراكب الشراعية وطواحين الهواء ، وتظهر صور وقصص الطيران في جميع الوثائق التاريخية والأعمال الفنية ، مثل الأسطورة اليونانية القديمة إيكاروس وديدالوس. تظهر المفاهيم الأساسية للتواصل والمقاومة وتدرجات الضغط في أعمال أرسطو وأرخميدس.
في عام 1726 ، أصبح السير إسحاق نيوتن أول شخص يطور نظرية مقاومة الهواء ، مما يجعلها واحدة من أولى الحجج حول الصفات الديناميكية الهوائية. كتب عالم الرياضيات الهولندي-السويسري دانييل برنولي أطروحة في عام 1738 بعنوان Hydrodynamica وصف فيها العلاقة الأساسية بين الضغط والكثافة وسرعة التدفق للتدفق غير القابل للضغط ، والمعروف اليوم باسم مبدأ برنولي ، والذي يوفر طريقة واحدة لحساب الرفع الديناميكي الهوائي. في عام 1757 ، نشر ليونارد أويلر معادلات أويلر الأكثر عمومية ، والتي يمكن تطبيقها على كل من التدفقات القابلة للضغط وغير القابلة للضغط. تم تمديد معادلات أويلر لتشمل تأثيرات اللزوجة في النصف الأول من القرن التاسع عشر ، مما أدى إلى ظهور معادلات نافيير-ستوكس. تم اكتشاف الأداء الديناميكي الهوائي / الجودة الأيروديناميكية للقطب في نفس الوقت تقريبًا.
بناءً على هذه الأحداث ، بالإضافة إلى البحث الذي تم إجراؤه في نفق الرياح الخاص بهم ، طار الأخوان رايت بالطائرة الأولى في 17 ديسمبر 1903.
أنواع الديناميكا الهوائية
تصنف مشاكل الديناميكا الهوائية حسب ظروف التدفق أو خصائص التدفق ، بما في ذلك الخصائص مثل السرعة والانضغاط واللزوجة. غالبًا ما يتم تقسيمها إلى نوعين:
- الديناميكا الهوائية الخارجية هي دراسة التدفق حول الأجسام الصلبة ذات الأشكال المختلفة. من أمثلة الديناميكا الهوائية الخارجية تقييم قوة الرفع والسحب على متن طائرة ، أو موجات الصدمة التي تتشكل أمام مقدمة الصاروخ.
- الديناميكا الهوائية الداخلية هي دراسة التدفق عبر الممرات في الأجسام الصلبة. على سبيل المثال ، الديناميكا الهوائية الداخلية تغطي دراسة تدفق الهواء من خلال محرك نفاث أو من خلال مدخنة تكييف الهواء.
يمكن أيضًا تصنيف مشاكل الديناميكا الهوائية وفقًا لسرعات التدفق الأقل من سرعة الصوت أو بالقرب منها.
المشكلة تسمى:
- دون سرعة الصوت ، إذا كانت كل السرعات في المشكلة أقل من سرعة الصوت ؛
- ترانسونيك إذا كانت هناك سرعات أقل من سرعة الصوت وفوقها (عادةً عندما تكون السرعة المميزة مساوية لسرعة الصوت تقريبًا) ؛
- أسرع من الصوت ، عندما تكون سرعة التدفق المميزة أكبر من سرعة الصوت ؛
- فرط صوتي ، عندما تكون سرعة التدفق أكبر بكثير من سرعة الصوت
يختلف علماء الديناميكا الهوائية حول التعريف الدقيق للتدفق فوق الصوتي.
تأثير اللزوجة على التدفق يملي تصنيفًا ثالثًا. قد يكون لبعض المشاكل تأثيرات لزجة صغيرة جدًا ، وفي هذه الحالة يمكن اعتبار اللزوجة ضئيلة. تسمى المقاربات لهذه المشكلات باسم inviscidالتيارات. التدفقات التي لا يمكن إهمال اللزوجة لها تسمى التدفقات اللزجة.
الانضغاط
التدفق غير القابل للضغط هو التدفق الذي تكون فيه الكثافة ثابتة في كل من الزمان والمكان. على الرغم من أن جميع السوائل الحقيقية قابلة للانضغاط ، إلا أنه غالبًا ما يتم تقريب التدفق على أنه غير قابل للضغط إذا تسبب تأثير التغيير في الكثافة في تغييرات صغيرة فقط في النتائج المحسوبة. تزداد احتمالية حدوث ذلك عندما يكون معدل التدفق أقل بكثير من سرعة الصوت. تكون تأثيرات الانضغاط أكثر أهمية عند السرعات القريبة من سرعة الصوت أو أعلى منها. يتم استخدام رقم Mach لتقييم إمكانية عدم الضغط ، وإلا يجب تضمين تأثيرات الانضغاط.
وفقًا لنظرية الديناميكا الهوائية ، يعتبر التدفق قابلاً للضغط إذا تغيرت الكثافة على طول الخط الانسيابي. هذا يعني أنه على عكس التدفق غير القابل للضغط ، يتم أخذ التغييرات في الكثافة في الاعتبار. بشكل عام ، هذا هو الحال عندما يتجاوز عدد Mach لجزء أو كل التدفق 0.3. تعتبر قيمة Mach البالغة 0.3 عشوائية إلى حد ما ، ولكنها تُستخدم لأن تدفق الغاز أقل من هذه القيمة يُظهر أقل من 5٪ تغيرات في الكثافة. أيضًا ، يحدث التغيير الأقصى للكثافة بنسبة 5٪ عند نقطة الركود (النقطة الموجودة على الجسم حيث تكون سرعة التدفق صفرًا) ، بينما تكون الكثافة حول باقي الجسم أقل بكثير. التدفقات عبر الصوت ، الأسرع من الصوت و التي تفوق سرعة الصوت كلها قابلة للضغط.
الخلاصة
الديناميكا الهوائية من أهم العلوم في العالم اليوم. هي توفر لنابناء جودة الطائرات والسفن والسيارات والمكوكات الهزلية. إنها تلعب دورًا كبيرًا في تطوير الأنواع الحديثة من الأسلحة - الصواريخ الباليستية والمعززات والطوربيدات والطائرات بدون طيار. كل هذا سيكون مستحيلاً لولا المفاهيم المتقدمة الحديثة للجودة الديناميكية الهوائية.
وهكذا ، تغيرت الأفكار حول موضوع المقال من التخيلات الجميلة ، ولكن الساذجة عن إيكاروس ، إلى الطائرات الوظيفية والعاملة حقًا التي نشأت في بداية القرن الماضي. اليوم لا يمكننا تخيل حياتنا بدون سيارات وسفن وطائرات ، وتستمر هذه المركبات في التحسن مع اختراقات جديدة في الديناميكا الهوائية.
كانت الصفات الديناميكية الهوائية للطائرات الشراعية بمثابة اختراق حقيقي في عصرهم. في البداية ، تم إجراء جميع الاكتشافات في هذا المجال عن طريق الحسابات النظرية المجردة ، المنفصلة أحيانًا عن الواقع ، والتي أجراها علماء الرياضيات الفرنسيون والألمان في مختبراتهم. في وقت لاحق ، تم استخدام جميع الصيغ الخاصة بهم لأغراض أخرى أكثر روعة (وفقًا لمعايير القرن الثامن عشر) ، مثل حساب الشكل المثالي وسرعة الطائرات المستقبلية. في القرن التاسع عشر ، بدأ تصنيع هذه الأجهزة بكميات كبيرة ، بدءًا من الطائرات الشراعية والمناطيد ، وتحول الأوروبيون تدريجياً إلى صناعة الطائرات. تم استخدام الأخير لأول مرة لأغراض عسكرية حصرية. أظهرت الآس في الحرب العالمية الأولى مدى أهمية قضية الهيمنة في الجو لأي دولة ، واكتشف مهندسو فترة ما بين الحربين أن هذه الطائرات فعالة ليس فقط للجيش ، ولكن أيضًا للمدنيين.الأهداف. بمرور الوقت ، دخل الطيران المدني بقوة في حياتنا ، واليوم لا يمكن لدولة واحدة الاستغناء عنه.
