Lực cản này xảy ra trong máy bay do cánh hoặc thân thang máy chuyển hướng không khí để gây ra lực nâng và trong xe ô tô có cánh máy bay chuyển hướng không khí để gây ra lực nâng. Samuel Langley nhận thấy rằng các tấm phẳng hơn, tỷ lệ cỡ ảnh cao hơn có lực nâng cao hơn và lực cản thấp hơn và được giới thiệu vào năm 1902. Nếu không có sự phát minh về chất lượng khí động học của máy bay, thì việc thiết kế máy bay hiện đại sẽ là không thể.
Nâng và di chuyển
Tổng lực khí động học tác dụng lên một vật thể thường được coi là bao gồm hai thành phần: lực nâng và độ dịch chuyển. Theo định nghĩa, thành phần lực song song với dòng ngược được gọi là chuyển vị, trong khi thành phần vuông góc với dòng ngược được gọi là lực nâng.
Những điều cơ bản về khí động học này có tầm quan trọng lớn đối với việc phân tích chất lượng khí động học của cánh. Lực nâng được tạo ra bằng cách thay đổi hướng của dòng chảy xung quanh cánh. Thay đổihướng dẫn đến sự thay đổi tốc độ (ngay cả khi không thay đổi tốc độ, như trong chuyển động tròn đều), đó là gia tốc. Do đó, để thay đổi hướng của dòng chảy, cần phải có một lực tác dụng lên chất lỏng. Điều này có thể nhìn thấy rõ ràng trên bất kỳ máy bay nào, chỉ cần nhìn vào biểu đồ thể hiện chất lượng khí động học của An-2.
Nhưng không phải mọi thứ đều đơn giản như vậy. Tiếp tục chủ đề về chất lượng khí động học của cánh, cần lưu ý rằng việc tạo ra lực nâng không khí bên dưới nó ở áp suất cao hơn áp suất không khí bên trên nó. Trên một cánh có nhịp hữu hạn, sự chênh lệch áp suất này làm cho không khí đi từ gốc của cánh bề mặt dưới đến chân của bề mặt trên của nó. Luồng không khí bay này kết hợp với luồng không khí đang bay để tạo ra sự thay đổi về tốc độ và hướng làm xoắn luồng không khí và tạo ra các xoáy dọc theo mép sau của cánh. Các xoáy tạo ra không ổn định, chúng nhanh chóng kết hợp với nhau để tạo ra xoáy cánh. Các dòng xoáy tạo ra thay đổi tốc độ và hướng của luồng không khí phía sau mép kéo, làm lệch hướng xuống và do đó gây ra hiện tượng lật phía sau cánh. Từ quan điểm này, ví dụ, máy bay MS-21 có tỷ lệ lực nâng và lực cản cao.
Kiểm soát luồng không khí
Các dòng xoáy lần lượt thay đổi luồng không khí xung quanh cánh, làm giảm khả năng tạo ra lực nâng của cánh, do đó, nó yêu cầu góc tấn cao hơn cho cùng một lực nâng, làm nghiêng tổng lực khí động học về phía sau và tăng thành phần kéo của lực đó. Độ lệch góc là không đáng kểảnh hưởng đến lực nâng. Tuy nhiên, có sự gia tăng lực cản bằng tích của lực nâng và góc do nó lệch. Vì độ võng bản thân là một chức năng của lực nâng, lực cản bổ sung tỷ lệ với góc leo lên, điều này có thể thấy rõ trong khí động học của A320.
Ví dụ lịch sử
Một cánh hành tinh hình chữ nhật tạo ra nhiều rung động xoáy hơn so với cánh hình nón hoặc hình elip, đó là lý do tại sao nhiều cánh hiện đại được làm thon để cải thiện tỷ lệ lực nâng. Tuy nhiên, khung máy bay hình elip hiệu quả hơn vì lực rửa gây ra (và do đó góc tấn công hiệu quả) không đổi trên toàn bộ sải cánh. Do sự phức tạp trong quá trình sản xuất, rất ít máy bay có dạng kế hoạch này, ví dụ nổi tiếng nhất là Spitfire trong Thế chiến II và Thunderbolt. Các cánh thuôn nhọn với các cạnh thẳng và mép sau có thể tiếp cận phân bố lực nâng hình elip. Theo nguyên tắc chung, cánh thẳng, không có rãnh tạo ra 5% và cánh thuôn nhọn tạo ra lực cản nhiều hơn 1-2% so với cánh hình elip. Do đó, chúng có chất lượng khí động học tốt hơn.
Tỷ lệ
Cánh có tỷ lệ khung hình cao sẽ tạo ra lực cản ít hơn so với cánh có tỷ lệ khung hình thấp vì ít nhiễu khí hơn ở đầu cánh mỏng hơn và dài hơn. Do đó, gây rađiện trở có thể tỷ lệ nghịch với tỷ lệ thuận, bất kể nó nghe có vẻ nghịch lý đến mức nào. Sự phân bố lực nâng cũng có thể được thay đổi bằng cách rửa sạch, vặn cánh xung quanh để giảm lực rơi về phía cánh và bằng cách thay đổi các cánh gió gần cánh. Điều này cho phép bạn nâng được nhiều lực nâng hơn gần gốc cánh hơn và ít lực nâng hơn vào cánh, dẫn đến giảm sức mạnh của cánh xoáy và do đó, cải thiện chất lượng khí động học của máy bay.
Trong lịch sử thiết kế máy bay
Trên một số máy bay đời đầu, các vây được gắn trên các đầu của đuôi. Các máy bay sau này có hình dạng cánh khác để giảm cường độ của các xoáy và đạt được tỷ lệ lực nâng / lực cản tối đa.
Thùng nhiên liệu của cánh quạt trên mái cũng có thể mang lại một số lợi ích bằng cách ngăn chặn luồng không khí hỗn loạn xung quanh cánh. Bây giờ chúng được sử dụng trong nhiều máy bay. Chất lượng khí động học của DC-10 xứng đáng được coi là cuộc cách mạng về mặt này. Tuy nhiên, thị trường hàng không hiện đại từ lâu đã được bổ sung với nhiều mô hình tiên tiến hơn.
Công thức kéo để kéo: được giải thích bằng các thuật ngữ đơn giản
Để tính tổng lực cản, cần phải tính đến cái gọi là sức đề kháng ký sinh. Vì lực cản tỷ lệ nghịch với bình phương tốc độ không khí (tại một lực nâng nhất định), trong khi lực cản ký sinh tỷ lệ thuận với nó, nên đường cong lực cản tổng thể hiển thị tốc độ tối thiểu. Máy bay,bay với tốc độ như vậy, hoạt động với chất lượng khí động học tối ưu. Theo các phương trình trên, tốc độ của lực cản cực tiểu xảy ra với tốc độ mà lực cản cảm ứng bằng tốc độ cảm ứng ký sinh. Đây là tốc độ đạt được góc trượt tối ưu đối với máy bay không tải. Để không bị vô căn cứ, hãy xem xét công thức trong ví dụ về máy bay:
Việc tiếp tục công thức cũng khá kỳ lạ (hình bên dưới). Bay cao hơn, nơi không khí loãng hơn, sẽ tăng tốc độ xuất hiện lực cản tối thiểu, và do đó nó cho phép di chuyển nhanh hơn với cùng một lượng nhiên liệu.
Nếu máy bay bay với tốc độ tối đa cho phép, thì độ cao mà mật độ không khí sẽ mang lại cho nó chất lượng khí động học tốt nhất. Độ cao tối ưu ở tốc độ tối đa và tốc độ tối ưu ở độ cao tối đa có thể thay đổi trong khi bay.
Thể lực
Tốc độ để có độ bền tối đa (tức là thời gian ở trên không) là tốc độ tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu và tốc độ ít hơn đối với phạm vi tối đa. Mức tiêu hao nhiên liệu được tính bằng tích của công suất cần thiết và mức tiêu hao nhiên liệu cụ thể trên mỗi động cơ (mức tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị công suất). Công suất yêu cầu bằng với thời gian kéo.
Lịch sử
Sự phát triển của khí động học hiện đại chỉ bắt đầu vào thế kỷ XVIInhiều thế kỷ, nhưng lực khí động học đã được con người sử dụng hàng ngàn năm trong thuyền buồm và cối xay gió, và hình ảnh và câu chuyện về chuyến bay xuất hiện trong tất cả các tài liệu lịch sử và tác phẩm nghệ thuật, chẳng hạn như truyền thuyết Hy Lạp cổ đại về Icarus và Daedalus. Các khái niệm cơ bản về liên tục, lực cản và độ dốc áp suất xuất hiện trong công trình của Aristotle và Archimedes.
Năm 1726, Ngài Isaac Newton trở thành người đầu tiên phát triển lý thuyết về lực cản của không khí, khiến nó trở thành một trong những lý luận đầu tiên về phẩm chất khí động học. Nhà toán học người Hà Lan-Thụy Sĩ Daniel Bernoulli đã viết một chuyên luận vào năm 1738 có tên là Hydrodynamica, trong đó ông mô tả mối quan hệ cơ bản giữa áp suất, mật độ và vận tốc dòng chảy đối với dòng chảy không nén được, ngày nay được gọi là nguyên lý Bernoulli, cung cấp một phương pháp để tính lực nâng khí động học. Năm 1757, Leonhard Euler công bố các phương trình Euler tổng quát hơn, có thể áp dụng cho cả dòng chảy nén được và không nén được. Các phương trình Euler đã được mở rộng để bao gồm các ảnh hưởng của độ nhớt trong nửa đầu những năm 1800, dẫn đến phương trình Navier-Stokes. Hiệu suất khí động học / chất lượng khí động học của vùng cực đã được phát hiện cùng thời gian.
Dựa trên những sự kiện này, cũng như nghiên cứu được thực hiện trong đường hầm gió của riêng họ, anh em nhà Wright đã bay chiếc máy bay đầu tiên vào ngày 17 tháng 12 năm 1903.
Các loại khí động học
Các vấn đề khí động học được phân loại theo điều kiện dòng chảy hoặc đặc tính dòng chảy, bao gồm các đặc điểm như vận tốc, khả năng nén và độ nhớt. Chúng thường được chia thành hai loại:
- Khí động học bên ngoài là nghiên cứu dòng chảy xung quanh các vật thể rắn có nhiều hình dạng khác nhau. Ví dụ về khí động học bên ngoài là đánh giá lực nâng và lực cản của máy bay hoặc sóng xung kích hình thành trước mũi tên lửa.
- Khí động học bên trong là nghiên cứu về dòng chảy qua các đoạn trong các vật thể rắn. Ví dụ: khí động học bên trong bao gồm nghiên cứu luồng không khí qua động cơ phản lực hoặc qua ống khói điều hòa không khí.
Các vấn đề về khí động học cũng có thể được phân loại theo tốc độ dòng chảy bên dưới hoặc gần tốc độ âm thanh.
Vấn đề được gọi là:
- cận âm, nếu tất cả vận tốc trong bài toán nhỏ hơn vận tốc âm thanh;
- transonic nếu có cả tốc độ dưới và trên tốc độ âm thanh (thường khi tốc độ đặc trưng xấp xỉ bằng tốc độ âm thanh);
- siêu âm, khi vận tốc dòng chảy đặc trưng lớn hơn tốc độ âm thanh;
- siêu âm, khi tốc độ dòng chảy lớn hơn nhiều so với tốc độ âm thanh.
Các nhà khí động học không đồng ý về định nghĩa chính xác của dòng siêu âm.
Ảnh hưởng của độ nhớt đối với dòng chảy quy định cách phân loại thứ ba. Một số vấn đề có thể chỉ ảnh hưởng đến độ nhớt rất nhỏ, trong trường hợp đó độ nhớt có thể được coi là không đáng kể. Các phép gần đúng với những vấn đề này được gọi làcác dòng điện. Các dòng chảy không thể bỏ qua độ nhớt được gọi là dòng chảy nhớt.
Khả năng nén
Dòng chảy không nén được là dòng chảy trong đó mật độ không đổi cả theo thời gian và không gian. Mặc dù tất cả các chất lỏng thực đều có thể nén được, nhưng dòng chảy thường được coi là không thể nén được nếu ảnh hưởng của sự thay đổi tỷ trọng chỉ gây ra những thay đổi nhỏ trong kết quả tính toán. Điều này dễ xảy ra hơn khi tốc độ dòng chảy thấp hơn nhiều so với tốc độ âm thanh. Ảnh hưởng của khả năng nén là đáng kể hơn ở tốc độ gần hoặc cao hơn tốc độ âm thanh. Số Mach được sử dụng để đánh giá khả năng không nén được, nếu không thì phải bao gồm các hiệu ứng nén.
Theo lý thuyết khí động học, dòng chảy được coi là có thể nén được nếu mật độ thay đổi dọc theo đường hợp lý. Điều này có nghĩa là, ngược lại với dòng chảy không nén được, những thay đổi về mật độ được tính đến. Nói chung, đây là trường hợp khi số Mach của một phần hoặc toàn bộ dòng vượt quá 0,3. Giá trị Mach của 0,3 là khá tùy ý, nhưng nó được sử dụng vì dòng khí dưới giá trị này thể hiện sự thay đổi mật độ ít hơn 5%. Ngoài ra, sự thay đổi mật độ tối đa 5% xảy ra tại điểm đình trệ (điểm trên vật thể mà vận tốc dòng chảy bằng 0), trong khi mật độ xung quanh phần còn lại của vật thể sẽ thấp hơn nhiều. Các dòng xuyên âm, siêu thanh và siêu âm đều có thể nén được.
Kết
Khí động học là một trong những ngành khoa học quan trọng nhất trên thế giới hiện nay. Cô ấy cung cấp cho chúng tôixây dựng chất lượng máy bay, tàu, ô tô và tàu con thoi. Nó đóng một vai trò to lớn trong sự phát triển của các loại vũ khí hiện đại - tên lửa đạn đạo, tên lửa đẩy, ngư lôi và máy bay không người lái. Tất cả điều này sẽ là không thể nếu không có những khái niệm tiên tiến hiện đại về chất lượng khí động học.
Vì vậy, những ý tưởng về chủ đề của bài báo đã thay đổi từ những tưởng tượng đẹp đẽ, nhưng ngây thơ về Icarus, thành những chiếc máy bay hoạt động hiệu quả và thực sự xuất hiện vào đầu thế kỷ trước. Ngày nay, chúng ta không thể tưởng tượng cuộc sống của mình không có ô tô, tàu thủy và máy bay, và những phương tiện này tiếp tục được cải thiện với những đột phá mới về khí động học.
Chất lượng khí động học của tàu lượn là một bước đột phá thực sự trong thời đại của họ. Lúc đầu, tất cả các khám phá trong lĩnh vực này đều được thực hiện bằng phương pháp trừu tượng, đôi khi tách rời khỏi thực tế, các tính toán lý thuyết, được thực hiện bởi các nhà toán học Pháp và Đức trong phòng thí nghiệm của họ. Sau đó, tất cả các công thức của họ được sử dụng cho các mục đích khác, tuyệt vời hơn (theo tiêu chuẩn của thế kỷ 18), chẳng hạn như tính toán hình dạng và tốc độ lý tưởng của máy bay trong tương lai. Vào thế kỷ 19, các thiết bị này bắt đầu được chế tạo với số lượng lớn, bắt đầu từ tàu lượn và khí cầu, người châu Âu dần chuyển sang chế tạo máy bay. Sau này, lần đầu tiên được sử dụng riêng cho các mục đích quân sự. Hậu quả của Chiến tranh thế giới thứ nhất cho thấy vấn đề thống trị trên không quan trọng như thế nào đối với bất kỳ quốc gia nào, và các kỹ sư của thời kỳ giữa các cuộc chiến đã phát hiện ra rằng những chiếc máy bay như vậy không chỉ hiệu quả đối với quân đội mà còn đối với dân thường.bàn thắng. Theo thời gian, hàng không dân dụng đã đi vào cuộc sống của chúng ta một cách vững chắc và ngày nay không một quốc gia nào có thể làm được nếu không có nó.
