Rezistența dinamică a fluidelor
Această intrare sau secțiune despre subiecte de aviație și inginerie nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
| Forme și flux | Rezistență de formă | Frecare vâscos |
|---|---|---|
 | 0% | 100% |
 | ~ 10% | ~ 90% |
 | ~ 90% | ~ 10% |
 | 100% | 0% |
Rezistența dinamică a fluidului este forța care se opune mișcării unui corp într-un fluid , în special într-un lichid sau un aeriform . În ceea ce privește mișcarea în lichide, este menționată și ca rezistență hidrodinamică , în cazul aeriformelor ca rezistență aerodinamică .
Introducere
Un corp care se mișcă într-un fluid schimbă forțe datorită vâscozității sale cu fluidul însuși. Rezistența este componenta rezultantei acestor forțe în direcția vectorului vitezei corpului și în direcția opusă. Cantitatea de rezistență dinamică a fluidului depinde de natura fluidului și de viteza și forma geometrică a corpului. Rezistența poate fi în mod ideal împărțită în diferite componente:
- rezistența parazitară , la rândul său împărțită în:
- rezistență la frecare vâscoasă
- formează rezistență
- rezistență indusă
- rezistența la undă
Rezistență la frecare vâscoasă
Rezistența vâscoasă se datorează, așa cum sugerează și numele, forțelor vâscoase care schimbă corpul și fluidul în mișcare relativă cu acesta. De fapt, dacă fluidul este vâscos și dacă, de exemplu, considerăm corpul în mișcare și fluidul nemișcat, particulele de fluid în contact cu corpul trebuie să fie în mișcare cu corpul (condiție de aderență). Corpul va exercita apoi o acțiune accelerată asupra particulelor de fluid cele mai apropiate de el. Datorită principiului acțiunii și reacției , fluidul va exercita, prin urmare, o acțiune de frânare asupra corpului. Cu alte cuvinte, straturile de fluid imediat adiacente corpului vor tinde să exercite acțiuni de forță tangențiale datorită diferenței de viteză, schimbând forța F. Prin urmare, corpul va fi supus forței de rezistență F , care va fi o funcție a suprafeței umede (adică expuse fluidului) a corpului însuși, a vitezei corpului și a vâscozității fluidului (dar nu a formei corpului).
Doar o zonă de fluid, în general foarte subțire, lângă pereții corpului este afectată de schimbarea vitezei. Această zonă se numește stratul limită de impuls (sau, de asemenea, stratul limită mecanic sau pur și simplu stratul limită) și este o diviziune ideală (deoarece câmpul de viteză este asimptotic) al fluxului.
Stratul limită poate fi de tip laminar , unde firele fluide sunt foi care urmează conturul corpului, sau turbulent în cazul în care firele fluide urmează linii complicate. Stratul limită poate trece de la laminar la turbulent printr-o zonă numită regiune de tranziție , dar nu poate reveni niciodată spontan la laminar. Trecerea de la laminar la turbulent este favorizată de viteza crescută și rugozitatea suprafeței corpului și de forma mai puțin conică a corpului.
Figura ilustrează principalele diferențe ale stratului limită, în special modul în care grosimea stratului limită turbulent este semnificativ mai mare. Stratul limită turbulent are dezavantajul de a genera o rezistență mai mare decât cel laminar, dar avantajul de a avea o tendință mai mică de a se desprinde de corp. Acesta este un avantaj întrucât, de exemplu pe un profil aerian, detașarea stratului limită generează fenomenul de blocare, adică o scădere considerabilă a ridicării .
Formați rezistență
Rezistența formei se datorează totuși vâscozității fluidului, dar prin mecanismul de separare a liniilor de curgere .
Dacă fluidul nu ar fi vâscos, liniile curente ar fi simetrice în raport cu corpul și ar genera câmpuri de viteză și presiune identice între amonte și aval ale corpului (adică între zona anterioară și posterioară, considerând ca fiind anterioară regiunea lovită de curent).
Datorită vâscozității fluidului pierde energie ocolind corpul și acest lucru generează separarea liniilor de curgere, care, la rândul lor, vor forma o zonă numită zonă de recirculare în regiunea posterioară. Datorită faptului că viteza debitului separat va trebui să fie mai mare, deoarece aceasta va avea o secțiune mai mică disponibilă pentru a trece, presiunea sa statică va fi mai mică decât zona corespunzătoare din amonte (acest lucru este confirmat de ecuațiile Navier-Stokes ) . Deoarece zona de recirculare este în echilibru cu fluxul din spate, presiunea statică a fluidului va fi mai mică decât presiunea zonei corespunzătoare din amonte. Această diferență de presiune între amonte și aval generează rezistența la formă.
Este semnificativ faptul că modelul sau traseul liniilor de curgere este determinat de forma corpului care trece prin ele. Perturbarea stării de inerție a liniilor de curgere determină diferențe de presiune în jurul geometriei corpului solid; aceste diferențe de presiune se traduc într-o forță de rezistență (vezi figura).
Având în vedere că pentru toate corpurile apare fenomenul de separare, chiar dacă poate fi mai mult sau mai puțin evident, acest tip de rezistență este în general predominant în așa-numitele corpuri „ghemuit”, unde dimensiunile perpendiculare pe mișcare sunt consistente față de ceilalti. Corpurile conice, cum ar fi aripile, elicele, fuselajele , corpurile bărcilor și corpurile vehiculelor de transport terestru, pe de altă parte, au o formă de rezistență mai mică, chiar și fără a fi considerate ca corpuri „aerodinamice”. Cu toate acestea, pot avea o pondere semnificativă de rezistență la formă.
În cazul aeronautic, un alt tip de rezistență care poate fi definit ca rezistență de formă, ca rezistență datorată forțelor de presiune, este rezistența la undă . Este generat în cazul mișcării transonice (adică cu viteze în câmpul dinamicii fluidelor care pot fi în unele puncte mai mari decât viteza sunetului, iar în altele mai mici), sau supersonice, datorită undelor de șoc . Acestea generează rezistență în orice caz, dar pot acționa asupra stratului limită determinându-l să se detașeze, crescând astfel drastic rezistența aerodinamică a profilului în sine (acest lucru se întâmplă pentru profilurile care nu sunt proiectate pentru zbor transonic sau supersonic). Mai mult, la viteze mai mari decât cele ale sunetului, particulele de aer nu mai sunt capabile să „se eschiveze” de planul care se apropie, din acest motiv, aerul se acumulează pe unele suprafețe, cum ar fi zăpada din fața suflantei, generând o rezistență mult mai mare. care, de exemplu, aduce temperatura marginilor anterioare ale aripilor Concorde să crească cu aproximativ 170 de grade comparativ cu temperatura exterioară. [1]
Prin urmare, corpurile îndesate, care posedă o pondere predominantă de rezistență, sunt toate acele obiecte care, datorită formei lor, sunt incapabile să mențină stratul limită atașat de-a lungul întregii lor suprafețe. Exemple de corpuri groase sunt autoturismele (oricum sunt fabricate), trenurile, conductele, sferele etc. Nici măcar o mașină de Formula 1 nu este un aerodinamic, atât de mult încât produce în avansarea unui traseu.
Mai mult, întrucât un flux laminar, în comparație cu unul turbulent, este mai puțin capabil să păstreze stratul limită atașat corpului în mișcare în fluid, în unele cazuri este convenabil ca corpurile ghemuit să aibă un flux limită turbulent . De exemplu, în cazul mingilor de tenis , puful pe care îl au la suprafață își reduce rezistența în formă, menținând fluxul stratului limită, făcut turbulent de acest puf, atașat la minge mai mult decât dacă ar fi neted. Din același motiv, de exemplu, mingile de golf au o serie de amprente la suprafață, care permit fluxului stratului limită, făcut turbulent de aceste „gropițe”, să rămână atașat de corp mai mult timp și să se detașeze într-un mod foarte înapoi. poziția suprafeței mingii, reducând astfel dimensiunea traseului din spate și, odată cu aceasta, reducând și rezistența formei.
Acest efect este făcut și mai evident de comportamentul unor bile de cricket . De fapt, există unele modele cu jumătate de suprafață complet netedă și jumătate „aspră”, adică acoperite de urme mici (mult mai mici decât cele ale unei mingi de golf), iar cele două părți sunt separate la diametrul ecuatorial, dacă imaginați-vă mingea în formă perfect sferică. Prin urmare, dacă mingea este aruncată în așa fel încât diametrul de separare să fie paralel cu direcția de lansare, stratul limită se separă mai târziu în aspre decât în partea netedă, conferind mingii un efect de traiectorie curbat. Pe de altă parte, dacă mingea este aruncată în așa fel încât diametrul de separare să asume o poziție aleatorie diferită de cea menționată mai sus, efectul rezultat este nul sau în orice caz non-banal (mingea ar putea, de exemplu, oscila în timpul mișcării).
Rezistență indusă
Atunci când studiați un profil aerian , pentru a simplifica, efectele tridimensionale ale vârfurilor aripilor nu sunt luate în considerare: este ca și cum aripile ar avea o anvergură infinită.
Aripile deschiderii finite, pe de altă parte, sunt supuse unui alt tip de rezistență dinamică a fluidului, numită rezistență indusă. Aripile sunt obiecte sau corpuri „portante”, care adică generează ridicare atunci când sunt în mișcare în interiorul unui fluid. Pentru aceasta, ei trebuie să se asigure că fluidul care le udă burta (suprafața inferioară) este la o presiune mai mare decât fluidul care ude spatele (suprafața superioară). Cu toate acestea, din moment ce fiecare fluid se deplasează în mod natural din zone cu presiune mai mare în zone cu presiune mai mică (pentru a reduce diferențele de presiune dintre fluidele în contact, așa cum este cerut de un principiu de fizică), în acest caz va tinde să se deplaseze de la burta la spate.aripii de sprijin. Pentru a face acest lucru, acesta poate ocoli nu numai marginea anterioară (marginea lovită de curent) și marginea anterioară (marginea anterioară), ci și vârful aripii generând un flux de aer în direcția longitudinală în raport cu axa aripă în sine. Acest flux provoacă așa-numita tracțiune indusă, deoarece generează vârtejuri care măresc energia de perturbare a fluxului . Acest efect este mai mic cu cât aripa este mai alungită, deoarece intensitatea vârtejurilor generate este egală cu variația de ridicare calculată de-a lungul axei aripii. Prin urmare, dacă construiți o aripă deosebit de alungită (lungă și îngustă), aceasta va avea o distribuție de ridicare care variază treptat de la vârf la rădăcină și va genera vortexuri de intensitate redusă.
Aripioarele de vârf (adesea în limba engleză winglet ), utilizate în unele avioane de zbor, pot exploata acest efect (adică fluxul longitudinal) pentru a genera ridicarea și, în acest fel, pot reduce rezistența totală a aripii.
Rezistența indusă crește odată cu scăderea vitezei. Dacă se adaugă la tracțiunea volanului (care crește odată cu pătratul vitezei), se obține tracțiunea totală, care începând de la viteza de blocare și crescând viteza, scade mai întâi până când atinge un minim, apoi crește tot mai mult . Vitezele între rezistență minimă și rezistență minimă se numesc viteza a doua , viteze mai mari decât cea a rezistenței minime se numesc prima viteză . Al doilea regim este o situație nu numai că nu este foarte convenabilă, ci și foarte periculoasă în cazul avioanelor. În acest caz, de fapt, cu cât avionul încetinește, cu atât tinde să încetinească, riscând să se oprească. Și mai periculos este cazul în care acest lucru are loc în timpul decolării sau aterizării, deoarece pilotul care vede avionul coborând mai mult decât în mod normal ar putea încerca să tragă în sus (să ridice nasul) pierzând și mai multă viteză și să se prăbușească în urma standului.
Aceste vârtejuri, mai ales dacă sunt generate de decolarea și aterizarea aeronavelor grele, pot împiedica în mare măsură următoarele aeronave. Din acest motiv, decolările și aterizările sunt întotdeauna distanțate la două sau trei minute la aeroporturi, în funcție de greutatea celor două aeronave. Elicopterele generează, de asemenea, vârtejuri foarte puternice, de fapt nu pot să zboare înapoi pe distanțe mari sau să rămână nemișcate cu vântul din coadă, deoarece propriul vortex le-ar determina să cadă.
Rezistența la undă
Termenul de rezistență la undă (aerodinamică) înseamnă acea parte a rezistenței aerodinamice datorată apariției undelor de șoc în jurul câmpului de mișcare al unui corp în mișcare.
Notă
- ^ (EN) Howard Curtis, Antonio Filippone, Michael V. Cook, THG Megson, Mike Tooley, David Wyatt, Lloyd R. Jenkinson, Jim Marchman, Filippo De Florio, John Watkinson, Aerospace Engineering Desk Reference , Elsevier, ISBN 978-1 -85617-575-3 .
Elemente conexe
- Frecare
- Coeficientul aerodinamic de rezistență
- Dinamica fluidelor
- Aerodinamica
- Hidrodinamică
- Diagrama Moody
- Lift
- Coca
- Puiul târgului
- Raționalizarea
- Presiune dinamică
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre rezistența dinamică a fluidelor
linkuri externe
- ( EN ) Rezistența dinamică a fluidelor , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
| Controlul autorității | LCCN (EN) sh85039270 · GND (DE) 4058082-9 |
|---|
