Lực cản khí động học là lực tác dụng ngược với chuyển động tương đối của bất kỳ vật thể nào. Nó có thể tồn tại giữa hai lớp bề mặt rắn. Không giống như các bộ điện trở khác, chẳng hạn như ma sát khô, hầu như không phụ thuộc vào tốc độ, lực cản tuân theo một giá trị nhất định. Mặc dù nguyên nhân cuối cùng của hành động là ma sát nhớt, nhưng sự hỗn loạn không phụ thuộc vào nó. Lực cản tỷ lệ với vận tốc dòng chảy tầng.
Khái niệm
Lực cản khí động học là lực tác dụng lên bất kỳ vật rắn chuyển động nào theo hướng của chất lỏng đang tới. Về phương diện gần đúng trường gần, lực cản là kết quả của các lực do sự phân bố áp suất trên bề mặt của vật thể, ký hiệu là D. Do ma sát da, là kết quả của độ nhớt, được ký hiệu là De. Ngoài ra, được tính toán theo quan điểm của trường dòng chảy, lựclực cản phát sinh do kết quả của ba hiện tượng tự nhiên: sóng xung kích, lớp xoáy và độ nhớt. Tất cả điều này có thể được tìm thấy trong bảng lực cản khí động học.
Tổng quan
Sự phân bố áp suất tác động lên bề mặt vật thể ảnh hưởng đến lực lớn. Đổi lại, chúng có thể được tổng hợp lại. Các thành phần hạ lưu của giá trị này tạo thành lực cản, Drp, do sự phân bố của áp suất ảnh hưởng đến cơ thể. Bản chất của những lực này kết hợp hiệu ứng sóng xung kích, hệ thống tạo xoáy và cơ chế đánh thức.
Độ nhớt của chất lỏng có ảnh hưởng đáng kể đến lực cản. Khi thiếu thành phần này, lực ép tác dụng làm xe chậm lại sẽ bị trung hòa bởi lực ở phần phía sau và đẩy xe về phía trước. Điều này được gọi là quá trình áp suất, dẫn đến lực cản khí động học bằng không. Có nghĩa là, công việc mà cơ thể thực hiện đối với luồng không khí là có thể đảo ngược và phục hồi được vì không có tác động ma sát nào để chuyển đổi năng lượng của luồng khí thành nhiệt.
Phục hồi áp suất hoạt động ngay cả trong trường hợp nhớt chuyển động. Giá trị này, tuy nhiên, dẫn đến quyền lực. Đây là thành phần chính của lực cản trong trường hợp các phương tiện có vùng dòng chảy bị chia cắt, nơi phục hồi phần đầu được coi là khá kém hiệu quả.
Lực ma sát, là lực tiếp tuyến trên bề mặtmáy bay, phụ thuộc vào cấu hình của lớp biên và độ nhớt. Lực cản khí động học, Df, được tính như hình chiếu xuống phía dưới của các bộ đầm lầy ước tính từ bề mặt cơ thể.
Tổng của lực cản ma sát và áp suất được gọi là lực cản nhớt. Từ góc độ nhiệt động lực học, hiệu ứng vũng lầy là hiện tượng không thể đảo ngược và do đó chúng tạo ra entropi. Điện trở nhớt được tính toán Dv sử dụng những thay đổi trong giá trị này để dự đoán chính xác lực phục hồi.
Ở đây cũng cần đưa ra công thức về khối lượng riêng của khí: РV=m / MRT.
Khi máy bay tạo ra lực nâng, có một thành phần khác của lực đẩy. Cảm ứng điện trở, Di. Nó phát sinh từ sự thay đổi phân bố áp suất của hệ thống xoáy đi kèm với quá trình sản xuất thang máy. Một quan điểm nâng thay thế đạt được bằng cách xem xét sự thay đổi động lượng của luồng không khí. Cánh chặn không khí và buộc nó di chuyển xuống. Điều này dẫn đến một lực cản bằng nhau và ngược chiều tác động lên cánh, là lực nâng.
Thay đổi động lượng của dòng khí đi xuống dẫn đến giảm giá trị ngược lại. Đó là kết quả của lực tác dụng lên cánh tác dụng. Một vật có khối lượng bằng nhau nhưng ngược chiều tác dụng vào mặt sau, đó là lực cản. Nó có xu hướng là thành phần quan trọng nhất đối với máy bay trong quá trình cất cánh hoặc hạ cánh. Một đối tượng kéo khác, lực cản của sóng (Dw) là do sóng xung kíchở tốc độ siêu thanh và siêu âm của cơ học bay. Những cuộn này gây ra những thay đổi trong lớp ranh giới và sự phân bố áp suất trên bề mặt của cơ thể.
Lịch sử
Ý tưởng rằng một vật thể chuyển động đi qua không khí (công thức tỷ trọng) hoặc chất lỏng khác gặp phải lực cản đã được biết đến từ thời Aristotle. Một bài báo của Louis Charles Breguet được viết vào năm 1922 đã bắt đầu một nỗ lực để giảm lực cản thông qua tối ưu hóa. Tác giả tiếp tục đưa ý tưởng của mình vào cuộc sống, tạo ra một số máy bay phá kỷ lục trong những năm 1920 và 1930. Lý thuyết lớp ranh giới của Ludwig Prandtl vào năm 1920 đã tạo động lực để giảm thiểu ma sát.
Một lời kêu gọi quan trọng khác về giải trình tự được đưa ra bởi Sir Melville Jones, người đã đưa ra các khái niệm lý thuyết để chứng minh một cách thuyết phục tầm quan trọng của trình tự trong thiết kế máy bay. Năm 1929, tác phẩm Chiếc máy bay tinh gọn của ông được trình bày cho Hiệp hội Hàng không Hoàng gia. Ông đã đề xuất một chiếc máy bay lý tưởng có lực cản tối thiểu, dẫn đến khái niệm về một chiếc máy bay một cánh "sạch" và khung gầm có thể thu vào.
Một trong những khía cạnh trong công việc của Jones gây sốc nhất cho các nhà thiết kế thời đó là âm mưu của ông về sức mạnh ngựa so với tốc độ cho một chiếc máy bay thực sự và lý tưởng. Nếu bạn nhìn vào điểm dữ liệu của một chiếc máy bay và ngoại suy nó theo chiều ngang thành một đường cong hoàn hảo, bạn có thể sớm thấy phần thưởng cho cùng một sức mạnh. Khi Jones kết thúc phần trình bày của mình, một trong những người nghemức độ quan trọng như chu trình Carnot trong nhiệt động lực học.
Kháng do nâng
Phản ứng dữ dội do lực nâng gây ra từ việc tạo ra độ dốc trên vật thể ba chiều như cánh máy bay hoặc thân máy bay. Phanh cảm ứng chủ yếu bao gồm hai thành phần:
- Kéo do tạo xoáy sau.
- Có thêm lực cản nhớt không có khi lực nâng bằng 0.
Các xoáy ngược trong trường dòng xuất hiện do lực nâng của cơ thể là do sự trộn lẫn hỗn loạn của không khí bên trên và bên dưới vật thể, chảy theo nhiều hướng khác nhau do tạo ra lực nâng.
Với các thông số khác được giữ nguyên như lực nâng do cơ thể tạo ra, lực cản do dốc cũng tăng lên. Điều này có nghĩa là khi góc tấn của cánh tăng lên, thì hệ số nâng cũng tăng, cũng như độ bật. Khi bắt đầu dừng xe, lực khí động học có xu hướng giảm đáng kể, cũng như lực cản do lực nâng gây ra. Nhưng giá trị này tăng lên do sự hình thành của một dòng chảy hỗn loạn không liên kết sau cơ thể.
Kéo giả mạo
Đây là lực cản do chuyển động của một vật rắn qua chất lỏng. Lực cản của ký sinh trùng có một số thành phần, bao gồm chuyển động do áp suất nhớt và do độ nhám bề mặt (ma sát da). Ngoài ra, sự hiện diện của một số cơ quan tương đối gần nhau có thể gây ra cái gọi làkhả năng chống nhiễu, đôi khi được mô tả như một thành phần của thuật ngữ.
Trong hàng không, phản ứng dữ dội gây ra có xu hướng mạnh hơn ở tốc độ thấp hơn vì cần phải có góc tấn cao để duy trì lực nâng. Tuy nhiên, khi tốc độ tăng lên, nó có thể bị giảm, cũng như lực cản gây ra. Tuy nhiên, lực cản ký sinh trở nên lớn hơn do chất lỏng chảy nhanh hơn xung quanh các vật thể nhô ra, làm tăng ma sát.
Ở tốc độ cao hơn (transonic), lực cản của sóng đạt đến một cấp độ mới. Mỗi dạng đẩy lùi này thay đổi tương ứng với các dạng khác tùy thuộc vào tốc độ. Vì vậy, đường cong lực cản tổng thể cho thấy mức tối thiểu ở một số tốc độ không khí - máy bay sẽ đạt hoặc gần hiệu quả tối ưu. Phi công sẽ sử dụng tốc độ này để tối đa hóa sức bền (mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu) hoặc khoảng cách bay trong trường hợp động cơ bị hỏng.
Đường cong năng lượng hàng không
Tương tác của lực cản ký sinh và cảm ứng như một hàm của tốc độ không khí có thể được biểu diễn dưới dạng đường đặc tính. Trong hàng không, đây thường được gọi là đường cong công suất. Điều quan trọng đối với phi công vì nó cho thấy rằng dưới một tốc độ không khí nhất định, và ngược lại, cần nhiều lực đẩy hơn để duy trì nó khi tốc độ không khí giảm đi, chứ không phải ít hơn. Những tác động của việc “đứng sau hậu trường” trong chuyến bay rất quan trọng và được dạy như một phần của khóa đào tạo phi công. Trên cận âmtốc độ không khí trong đó hình chữ U của đường cong này là đáng kể, lực cản của sóng vẫn chưa trở thành một yếu tố. Đó là lý do tại sao nó không được hiển thị trên đường cong.
Phanh trong luồng siêu âm và siêu âm
Lực cản của sóng nén là lực cản được tạo ra khi một cơ thể di chuyển qua chất lỏng có thể nén và với tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh trong nước. Trong khí động học, lực cản của sóng có nhiều thành phần phụ thuộc vào chế độ lái.
Trong khí động học chuyến bay xuyên âm, lực cản sóng là kết quả của sự hình thành sóng xung kích trong chất lỏng, được hình thành khi tạo ra các khu vực cục bộ của dòng siêu âm. Trong thực tế, một chuyển động như vậy xảy ra trên các vật thể chuyển động thấp hơn tốc độ của tín hiệu, vì tốc độ cục bộ của không khí tăng lên. Tuy nhiên, dòng chảy siêu âm hoàn toàn trên xe sẽ không phát triển cho đến khi giá trị của nó đã vượt xa hơn nhiều. Máy bay bay với tốc độ siêu thanh thường gặp phải tình trạng sóng trong quá trình bay bình thường. Trong chuyến bay xuyên âm thanh, lực đẩy này thường được gọi là lực cản nén chuyển động. Nó mạnh lên đáng kể khi tốc độ bay của nó tăng lên, vượt trội hơn các dạng khác ở tốc độ đó.
Trong chuyến bay siêu thanh, lực cản của sóng là kết quả của sóng xung kích có trong chất lỏng và gắn vào cơ thể, hình thành ở các cạnh trước và sau của cơ thể. Trong dòng chảy siêu thanh, hoặc trong thân tàu có góc quay đủ lớn, thay vào đó sẽ cósóng xung kích lỏng lẻo hoặc sóng cong được hình thành. Ngoài ra, các khu vực cục bộ của dòng xuyên âm có thể xảy ra ở tốc độ siêu âm thấp hơn. Đôi khi chúng dẫn đến sự phát triển của các sóng xung kích bổ sung hiện diện trên bề mặt của các vật nâng khác, tương tự như các sóng được tìm thấy trong các dòng chuyển động. Trong các chế độ dòng chảy mạnh, lực cản của sóng thường được chia thành hai thành phần:
- Nâng cơ siêu âm tùy theo giá trị.
- Khối lượng, cũng tùy thuộc vào khái niệm.
Giải pháp dạng khép kín cho khả năng cản sóng tối thiểu của vật thể cách mạng có chiều dài cố định đã được Sears và Haack tìm ra và được gọi là "Phân phối Seers-Haack". Tương tự, đối với một khối lượng cố định, biểu mẫu cho sức cản sóng tối thiểu là "Von Karman Ogive".
Về nguyên tắc, hai mặt phẳng của Busemann hoàn toàn không chịu tác động như vậy khi hoạt động ở tốc độ thiết kế, nhưng cũng không có khả năng tạo ra lực nâng.
Sản phẩm
Đường hầm gió là một công cụ được sử dụng trong nghiên cứu để nghiên cứu ảnh hưởng của không khí di chuyển qua các vật thể rắn. Thiết kế này bao gồm một lối đi hình ống với vật thể cần thử nghiệm được đặt ở giữa. Không khí được di chuyển qua vật thể bằng hệ thống quạt mạnh hoặc các phương tiện khác. Đối tượng thử nghiệm, thường được gọi là mô hình ống, được trang bị các cảm biến thích hợp để đo lực không khí, phân bố áp suất hoặc cácđặc điểm khí động học. Điều này cũng cần thiết để thông báo và khắc phục sự cố trong hệ thống kịp thời.
Các loại máy bay là gì
Trước hết hãy nhìn vào lịch sử. Các đường hầm gió sớm nhất được phát minh vào cuối thế kỷ 19, trong những ngày đầu của nghiên cứu hàng không. Sau đó, nhiều người đã cố gắng phát triển thành công máy bay nặng hơn không khí. Đường hầm gió được hình thành như một phương tiện đảo ngược mô hình thông thường. Thay vì đứng yên và chuyển động một vật qua nó, thì hiệu ứng tương tự sẽ thu được nếu vật đó đứng yên và không khí chuyển động với tốc độ lớn hơn. Bằng cách này, một người quan sát đứng yên có thể nghiên cứu sản phẩm bay đang hoạt động và đo lường khí động học thực tế tác động lên nó.
Sự phát triển của đường ống đi kèm với sự phát triển của máy bay. Các hạng mục khí động học lớn được chế tạo trong Thế chiến thứ hai. Thử nghiệm trong một ống như vậy được coi là chiến lược quan trọng trong quá trình phát triển máy bay siêu thanh và tên lửa trong Chiến tranh Lạnh. Ngày nay, máy bay là bất cứ thứ gì. Và hầu như tất cả những phát triển quan trọng nhất đã được đưa vào cuộc sống hàng ngày.
Nghiên cứu về đường hầm gió sau này đã trở thành một vấn đề tất nhiên. Tác động của gió đối với các cấu trúc hoặc vật thể nhân tạo phải được nghiên cứu khi các tòa nhà trở nên đủ cao để có các bề mặt lớn đón gió và các lực gây ra phải được chống lại bởi các yếu tố bên trong của tòa nhà. Định nghĩa của các tập hợp như vậy là bắt buộc trước khi mã xây dựng có thểxác định cường độ yêu cầu của kết cấu. Và những thử nghiệm như vậy vẫn tiếp tục được sử dụng cho các tòa nhà lớn hoặc bất thường cho đến ngày nay.
Thậm chí sau này, các cuộc kiểm tra đã được áp dụng cho lực cản khí động học của ô tô. Nhưng điều này không phải để xác định các lực như vậy, mà là để thiết lập các cách để giảm sức mạnh cần thiết để di chuyển ô tô dọc theo lòng đường với một tốc độ nhất định. Trong những nghiên cứu này, sự tương tác giữa đường và phương tiện đóng một vai trò quan trọng. Chính anh ta là người phải được tính đến khi giải thích kết quả kiểm tra.
Trong tình huống thực tế, lòng đường di chuyển so với phương tiện, nhưng không khí vẫn tương đối so với đường. Nhưng trong đường hầm gió, không khí di chuyển so với mặt đường. Trong khi cái sau đứng yên so với xe. Một số đường hầm gió của xe thử nghiệm bao gồm dây đai chuyển động bên dưới xe thử nghiệm. Điều này là để tiến gần hơn đến trạng thái thực tế. Các thiết bị tương tự được sử dụng trong cấu hình cất và hạ cánh trong đường hầm gió.
Thiết bị
Các mẫu dụng cụ thể thao cũng đã phổ biến trong nhiều năm. Chúng bao gồm câu lạc bộ chơi gôn và bóng, xe trượt tuyết Olympic và người đi xe đạp, và mũ bảo hiểm cho xe đua. Tính khí động học của loại sau đặc biệt quan trọng đối với các loại xe có cabin mở (Indycar, Formula One). Lực nâng quá mức lên mũ bảo hiểm có thể gây ra căng thẳng đáng kểtrên cổ của người lái xe, và phân cách dòng chảy ở phía sau là một con dấu hỗn loạn và kết quả là làm giảm thị lực ở tốc độ cao.
Những tiến bộ trong mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán (CFD) trên máy tính kỹ thuật số tốc độ cao đã làm giảm nhu cầu thử nghiệm đường hầm gió. Tuy nhiên, kết quả CFD vẫn chưa hoàn toàn đáng tin cậy, công cụ này được sử dụng để xác minh các dự đoán CFD.
