גרור אווירודינמי הוא כוח הפועל מנוגד לתנועה היחסית של כל עצם. זה יכול להתקיים בין שתי שכבות של משטח מוצק. בניגוד לקבוצות התנגדות אחרות, כגון חיכוך יבש, שהן כמעט בלתי תלויות במהירות, כוחות הגרר מצייתים לערך נתון. למרות שהגורם האולטימטיבי לפעולה הוא חיכוך צמיג, המערבולת אינה תלויה בה. כוח הגרירה הוא פרופורציונלי למהירות הזרימה הלמינרית.
קונספט
גרר אווירודינמי הוא הכוח הפועל על כל גוף מוצק נע בכיוון הנוזל המתקרב. במונחים של קירוב השדה הקרוב, גרר הוא תוצאה של כוחות הנובעים מהתפלגות הלחץ על פני העצם, המסומל על ידי D. עקב חיכוך העור, שהוא תוצאה של צמיגות, מסומן De. לחילופין, מחושב מנקודת המבט של שדה הזרימה, הכוחהתנגדות נוצרת כתוצאה משלוש תופעות טבע: גלי הלם, שכבת מערבולת וצמיגות. כל זה ניתן למצוא בטבלת הגרר האווירודינמי.
סקירה כללית
התפלגות הלחץ הפועלת על פני הגוף משפיעה על כוחות גדולים. אפשר לסכם אותם בתורם. המרכיבים במורד הזרם של ערך זה מהווים את כוח הגרר, Drp, עקב התפלגות הלחץ המשפיעה על הגוף. טבעם של כוחות אלו משלב השפעות של גלי הלם, יצירת מערכת מערבולת ומנגנוני ערות.
לצמיגות של נוזל יש השפעה משמעותית על הגרר. בהיעדר רכיב זה, כוחות הלחץ הפועלים להאטת הרכב מנוטרלים על ידי הכוח שנמצא בחלק האחורי ודוחף את הרכב קדימה. זה נקרא לחץ מחדש, וכתוצאה מכך אפס גרר אווירודינמי. כלומר, העבודה שהגוף עושה על זרימת האוויר היא הפיכה וניתנת לשחזור מכיוון שאין השפעות חיכוך להמרת אנרגיית הזרימה לחום.
התאוששות מלחץ פועלת גם במקרה של תנועה צמיגה. ערך זה, לעומת זאת, מביא לכוח. זהו המרכיב הדומיננטי של גרר במקרה של כלי רכב עם אזורי זרימה מפוצלים שבהם התאוששות הראש נחשבת לא יעילה למדי.
כוח החיכוך, שהוא הכוח המשיק על פני השטחמטוס, תלוי בתצורה של שכבת הגבול ובצמיגות. גרר אווירודינמי, Df, מחושב כהקרנה במורד הזרם של קבוצות ביצה המוערכות משטח הגוף.
סכום החיכוך והתנגדות הלחץ נקרא התנגדות צמיגה. מנקודת מבט תרמודינמית, אפקטי ביצה הם תופעות בלתי הפיכות ולכן הן יוצרות אנטרופיה. ההתנגדות הצמיגה המחושבת Dv משתמשת בשינויים בערך זה כדי לחזות במדויק את כוח הריבאונד.
כאן יש צורך גם לתת את הנוסחה לצפיפות אוויר עבור גז: РV=m/MRT.
כאשר מטוס מייצר עילוי, ישנו מרכיב נוסף של דחיפה. התנגדות מושרית, די. היא נובעת מהשינוי בחלוקת הלחץ של מערכת המערבולת המלווה בייצור המעלית. פרספקטיבה חלופית של הרמה מושגת על ידי התחשבות בשינוי המומנטום של זרימת האוויר. הכנף מיירטת את האוויר ומאלצת אותו לנוע למטה. זה מביא לכוח גרירה שווה והפוך הפועל על הכנף, שהיא הרמה.
שינוי המומנטום של זרימת האוויר למטה מוביל לירידה בערך ההפוך. שזה תוצאה של הכוח הפועל קדימה על הכנף המופעלת. מסה שווה אך הפוכה פועלת על הגב, שהוא הגרר המושרה. זה נוטה להיות המרכיב החשוב ביותר עבור מטוסים במהלך ההמראה או הנחיתה. אובייקט גרור נוסף, גרירת גלים (Dw) נובע מגלי הלםבמהירויות טרנסוניות ועל-קוליות של מכניקת טיסה. גלילים אלו גורמים לשינויים בשכבת הגבול ופיזור הלחץ על פני הגוף.
היסטוריה
הרעיון שגוף נע העובר באוויר (נוסחת צפיפות) או נוזל אחר נתקל בהתנגדות ידוע עוד מתקופת אריסטו. מאמר של לואי צ'ארלס ברגה שנכתב ב-1922 החל במאמץ להפחית את הגרר באמצעות אופטימיזציה. המחבר המשיך להחיות את רעיונותיו, ויצר כמה מטוסים שוברי שיאים בשנות ה-20 וה-30. תיאוריית שכבת הגבול של לודוויג פרנדל בשנת 1920 סיפקה תמריץ למזער חיכוך.
קריאה חשובה נוספת לרצף בוצעה על ידי סר מלוויל ג'ונס, שהציג מושגים תיאורטיים כדי להדגים בצורה משכנעת את החשיבות של רצף בתכנון מטוסים. בשנת 1929, עבודתו The Streamlined Airplane שהוצגה בפני החברה המלכותית לאווירונאוטיקה הייתה מכוננת. הוא הציע מטוס אידיאלי שיהיה לו גרר מינימלי, מה שמוביל לרעיון של מונו-מטוס "נקי" ותחתית נשלפת.
אחד ההיבטים בעבודתו של ג'ונס שהכי זעזעו את המעצבים של אז היה העלילה שלו של כוח סוס מול מהירות עבור מטוס אמיתי ואידיאלי. אם תסתכל על נקודת הנתונים של מטוס ותחקור אותה בצורה אופקית לעקומה מושלמת, תוכל לראות את התמורה בקרוב עבור אותו הספק. כשג'ונס סיים את המצגת שלו, אחד המאזיניםרמת חשיבות כמחזור קרנו בתרמודינמיקה.
התנגדות הנגרמת על ידי הרמה
הגבהה המושרה בהרמה נובעת מיצירת שיפוע על גוף תלת מימדי כגון כנף או גוף מטוס. בלימה יזומה מורכבת בעיקר משני מרכיבים:
- גרירה עקב יצירת מערבולות נגררות.
- בעל גרר צמיג נוסף שאינו קיים כאשר ההרמה היא אפס.
המערבולות האחוריות בשדה הזרימה הקיימות כתוצאה מהרמת הגוף נובעות מערבוב סוער של אוויר מעל ומתחת לעצם, שזורם בכמה כיוונים שונים כתוצאה מיצירת עילוי.
עם פרמטרים אחרים שנשארים זהים לעילוי שנוצר על ידי הגוף, גם ההתנגדות הנגרמת מהשיפוע עולה. המשמעות היא שכאשר זווית ההתקפה של הכנף גדלה, מקדם ההרמה גדל, וכך גם הריבאונד. בתחילתו של עצירה, הכוח האווירודינמי המועד פוחת באופן דרמטי, וכך גם הגרר המושרה בהרמה. אבל ערך זה עולה עקב היווצרות זרימה סוערת לא מחוברת אחרי הגוף.
גרירה מזויפת
זו ההתנגדות הנגרמת מתנועה של חפץ מוצק דרך נוזל. לגרירה הטפילית מספר מרכיבים, כולל תנועה עקב לחץ צמיג ועקב חספוס פני השטח (חיכוך העור). בנוסף, נוכחות של מספר גופים בסמיכות יחסית יכולה לגרום למה שנקראהתנגדות הפרעות, שמתוארת לפעמים כמרכיב של המונח.
בתעופה, תגובה נגרמת נוטה להיות חזקה יותר במהירויות נמוכות יותר מכיוון שנדרשת זווית התקפה גבוהה כדי לשמור על עילוי. עם זאת, ככל שהמהירות עולה, ניתן להפחית אותה, כמו גם את הגרר המושרה. עם זאת, הגרר הטפילי הופך גדול יותר מכיוון שהנוזל זורם מהר יותר סביב עצמים בולטים, ומגביר את החיכוך.
במהירויות גבוהות יותר (טרנסוני), גרירת גלים מגיעה לרמה חדשה. כל אחת מצורות הדחייה הללו משתנה באופן יחסי לאחרות בהתאם למהירות. אז עקומת הגרר הכוללת מציגה מינימום במהירות אוויר כלשהי - המטוס יהיה ביעילות אופטימלית או קרובה אליו. הטייסים ישתמשו במהירות זו כדי למקסם סיבולת (צריכת דלק מינימלית) או מרחק גלישה במקרה של תקלה במנוע.
Curve Power Aviation
ניתן לייצג את האינטראקציה של גרר טפילי ומושרה כפונקציה של מהירות האוויר כקו אופייני. בתעופה, זה מכונה לעתים קרובות עקומת הכוח. זה חשוב לטייסים כי זה מראה שמתחת למהירות אוויר מסוימת, ובניגוד לאינטואיציה, נדרש יותר דחף כדי לשמור עליה ככל שמהירות האוויר יורדת, לא פחות. ההשלכות של להיות "מאחורי הקלעים" בטיסה חשובות ונלמדות כחלק מהכשרת טייסים. על תת קולימהירויות אוויר שבהן צורת ה-U של עקומה זו משמעותית, גרירת גלים עדיין לא הפכה לגורם. לכן זה לא מוצג על העקומה.
בלימה בזרימה טרנסונית ועל-קולית
גרר גל דחיסה הוא הגרר שנוצר כאשר גוף נע דרך נוזל דחיסה ובמהירות קרובה למהירות הקול במים. באווירודינמיקה, לגרירת גלים יש מרכיבים רבים בהתאם למצב הנהיגה.
באווירודינמיקה של טיסה טרנסונית, גרירת גלים היא תוצאה של היווצרות גלי הלם בנוזל, הנוצרים בעת יצירת אזורים מקומיים של זרימה על-קולית. בפועל, תנועה כזו מתרחשת על גופים הנעים הרבה מתחת למהירות האות, שכן המהירות המקומית של האוויר עולה. עם זאת, זרימה על-קולית מלאה על הרכב לא תתפתח עד שהערך ילך הרבה יותר רחוק. מטוסים שטסים במהירויות טרנסוניות חווים לעתים קרובות תנאי גל במהלך הטיסה הרגיל. בטיסה טרנסונית, דחייה זו מכונה בדרך כלל גרירת דחיסה טרנסונית. הוא מתעצם מאוד ככל שמהירות הטיסה שלו עולה, ושולט בצורות אחרות במהירויות האלה.
במעוף על-קולי, גרירת גלים היא תוצאה של גלי הלם הנמצאים בנוזל ומחוברים לגוף, הנוצרים בקצוות המובילים והעורכים של הגוף. בזרימות על-קוליות, או בגוף עם זוויות סיבוב גדולות מספיק, יהיו במקום זאתנוצרים הלם רופף או גלים מעוקלים. בנוסף, אזורים מקומיים של זרימה טרנסונית יכולים להתרחש במהירויות על-קוליות נמוכות יותר. לפעמים הם מובילים להתפתחות גלי הלם נוספים הנמצאים על פני משטחים של גופי הרמה אחרים, בדומה לאלו שנמצאים בזרימות טרנסוניות. במשטרי זרימה עוצמתיים, התנגדות הגלים מחולקת בדרך כלל לשני מרכיבים:
- עלייה על-אישית בהתאם לערך.
- נפח, שתלוי גם בקונספט.
הפתרון בצורה סגורה להתנגדות הגלים המינימלית של גוף מהפכה באורך קבוע נמצא על ידי Sears and Haack והוא ידוע בשם "Seers-Haack Distribution". באופן דומה, עבור נפח קבוע, הצורה של התנגדות הגלים המינימלית היא "Von Karman Ogive".
המטוס הדו-כנפי של ביזמן, באופן עקרוני, אינו כפוף לפעולה כזו כלל כאשר הוא פועל במהירות עיצובית, אך גם אינו מסוגל לייצר עילוי.
Products
מנהרת רוח היא כלי המשמש במחקר כדי לחקור את השפעת האוויר שנע על פני עצמים מוצקים. עיצוב זה מורכב ממעבר צינורי כאשר האובייקט הנבדק ממוקם באמצע. האוויר מועבר על פני האובייקט באמצעות מערכת מאוורר חזקה או אמצעים אחרים. אובייקט הבדיקה, המכונה לעתים קרובות דגם צינור, מצויד בחיישנים מתאימים למדידת כוחות אוויר, חלוקת לחץ, או אחרמאפיינים אווירודינמיים. זה נחוץ גם על מנת להבחין ולתקן את הבעיה במערכת בזמן.
מהם סוגי המטוסים
בוא נסתכל תחילה על ההיסטוריה. מנהרות הרוח המוקדמות ביותר הומצאו בסוף המאה ה-19, בראשית ימיו של חקר התעופה. זה היה אז שרבים ניסו לפתח מטוסים מוצלחים כבדים מהאוויר. מנהרת הרוח נבנתה כאמצעי להפיכת הפרדיגמה המקובלת. במקום לעמוד במקום ולהזיז אובייקט דרכו, אותו אפקט יתקבל אם העצם יעמוד במקום והאוויר זז במהירות גבוהה יותר. בדרך זו, צופה נייח יכול ללמוד את המוצר המעופף בפעולה ולמדוד את האווירודינמיקה המעשית שנכפתה עליו.
פיתוח הצינורות ליווה את פיתוח המטוס. פריטים אווירודינמיים גדולים נבנו במהלך מלחמת העולם השנייה. ניסוי בצינור כזה נחשב חשוב מבחינה אסטרטגית במהלך פיתוח מטוסים על-קוליים וטילים במהלך המלחמה הקרה. היום, מטוסים הם הכל. וכמעט כל ההתפתחויות החשובות ביותר כבר הוכנסו לחיי היומיום.
מאוחר יותר מחקר מנהרות רוח הפך להיות מובן מאליו. השפעת הרוח על מבנים או חפצים מעשה ידי אדם הייתה צריכה להיחקר כאשר מבנים הפכו גבוהים מספיק כדי להציג משטחים גדולים לרוח, והגורמים הפנימיים של הבניין צריכים להתנגד לכוחות שנוצרו. ההגדרה של סטים כאלה נדרשה לפני שקודי בנייה יכלולקבוע את החוזק הנדרש של מבנים. ובדיקות כאלה ממשיכות לשמש עבור בניינים גדולים או יוצאי דופן עד היום.
גם מאוחר יותר, בוצעו בדיקות על הגרירה האווירודינמית של מכוניות. אבל זה לא היה כדי לקבוע את הכוחות ככאלה, אלא כדי לקבוע דרכים להפחית את הכוח הנדרש להזזת המכונית לאורך משטחי הכביש במהירות נתונה. במחקרים אלו, לאינטראקציה בין הכביש לרכב יש תפקיד משמעותי. הוא זה שחייב להילקח בחשבון בעת פענוח תוצאות הבדיקה.
במצב אמיתי, הכביש זז ביחס לרכב, אבל האוויר עדיין ביחס לכביש. אבל במנהרת רוח, האוויר נע ביחס לכביש. בעוד האחרון נייח ביחס לרכב. כמה מנהרות רוח לרכב המבחן כוללות חגורות נעות מתחת לרכב המבחן. זה כדי להתקרב למצב האמיתי. מכשירים דומים משמשים בתצורות המראה ונחיתה של מנהרת רוח.
ציוד
דגימות של ציוד ספורט נפוצות גם הן במשך שנים רבות. הם כללו אלות וכדורי גולף, מזחלות בוב אולימפיות ורוכבי אופניים, וקסדות מכוניות מירוץ. האווירודינמיקה של האחרון חשובה במיוחד בכלי רכב עם תא נוסעים פתוח (אינדיקאר, פורמולה 1). כוח הרמה מוגזם על הקסדה עלול לגרום ללחץ משמעותיעל צוואר הנהג, והפרדת הזרימה בצד האחורי היא אטימה סוערת וכתוצאה מכך פגיעה בראייה במהירויות גבוהות.
התקדמות בסימולציות של דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) במחשבים דיגיטליים מהירים הפחיתו את הצורך בבדיקות מנהרות רוח. עם זאת, תוצאות CFD עדיין אינן אמינות לחלוטין, כלי זה משמש לאימות תחזיות CFD.
