Aerodynamika - Aerodynamics

Studie NASA o probuzení turbulence na ostrově Wallops v roce 1990. Vír je vytvořen průchodem křídla letadla, odhaleného kouřem. Víry jsou jedním z mnoha jevů spojených se studiem aerodynamiky.

Aerodynamika , z řeckého ἀήρ aero (vzduch) + δυναμική (dynamika), je studium pohybu vzduchu, zvláště když je ovlivněn pevným předmětem, jako je křídlo letadla. Jedná se o podoblast dynamiky tekutin a dynamiky plynu a pro tyto obory je společné mnoho aspektů teorie aerodynamiky. Termín aerodynamika je často používán synonymně s dynamikou plynu, rozdíl je v tom, že „dynamika plynu“ platí pro studium pohybu všech plynů a neomezuje se pouze na vzduch. Formální studium aerodynamiky začalo v moderním smyslu v osmnáctém století, ačkoli pozorování základních pojmů, jako je aerodynamický odpor, byla zaznamenána mnohem dříve. Většina z časných úsilí v aerodynamiky směřovalo k dosažení těžší než vzduch letu , která byla poprvé demonstrována Otto Lilienthal v roce 1891. Od té doby se používání aerodynamiky pomocí matematické analýzy, empirických aproximací, aerodynamickém tunelu experimentování, a počítačové simulace má tvořily racionální základ pro rozvoj letu těžší než vzduch a řady dalších technologií. Nedávná práce v aerodynamice se zaměřila na problémy související se stlačitelným prouděním , turbulencemi a mezními vrstvami a má stále více výpočetní povahu.

Dějiny

Moderní aerodynamika se datuje až do sedmnáctého století, ale aerodynamické síly byly lidmi využívány po tisíce let v plachetnicích a větrných mlýnech a obrazy a příběhy o letu se objevují v celé zaznamenané historii, jako například starověká řecká legenda o Ikarovi a Daedalovi . Základní pojmy kontinua , drag a tlakových gradientů se objeví v práci Aristotela a Archimedes .

V roce 1726 se Sir Isaac Newton stal prvním člověkem, který vyvinul teorii odporu vzduchu, čímž se stal jedním z prvních aerodynamiků. Nizozemsko - švýcarský matematik Daniel Bernoulli následoval v roce 1738 Hydrodynamica, ve které popsal zásadní vztah mezi tlakem, hustotou a rychlostí proudění pro nestlačitelné proudění známý dnes jako Bernoulliho princip , který poskytuje jednu metodu pro výpočet aerodynamického vztlaku. V roce 1757 Leonhard Euler publikoval obecnější Eulerovy rovnice, které by mohly být aplikovány na stlačitelné i nestlačitelné toky. Eulerovy rovnice byly rozšířeny tak, aby zahrnovaly účinky viskozity v první polovině 19. století, což vedlo k Navier -Stokesovým rovnicím . Navier-Stokesovy rovnice jsou nejobecnějšími řídícími rovnicemi proudění tekutiny a je obtížné je vyřešit pro proudění kolem všech tvarů, kromě nejjednodušších.

Replika bratří Wrightů " větrném tunelu je na displeji u Virginie Air and Space Center. Větrné tunely byly klíčové při vývoji a ověřování zákonů aerodynamiky.

V roce 1799 se Sir George Cayley stal prvním člověkem, který identifikoval čtyři aerodynamické síly letu ( hmotnost , vztlak , odpor a tah ), jakož i vztahy mezi nimi, a tím nastínil cestu k dosažení těžšího než letecký let pro příští století. V roce 1871 postavil Francis Herbert Wenham první větrný tunel , který umožňoval přesné měření aerodynamických sil. Teorie přetahování vytvořili Jean le Rond d'Alembert , Gustav Kirchhoff a Lord Rayleigh . V roce 1889 se Charles Renard , francouzský letecký inženýr, stal prvním člověkem, který rozumně předpovídal sílu potřebnou pro trvalý let. Otto Lilienthal , první člověk, který se stal velmi úspěšným s lety kluzáků, byl také prvním, kdo navrhl tenké, zakřivené profily křídel, které by produkovaly vysoký vztlak a nízký odpor. Na základě tohoto vývoje a výzkumu prováděného ve vlastním aerodynamickém tunelu vzali bratři Wrightové 17. prosince 1903 první motorové letadlo.

Během prvních letů Frederick W. Lanchester , Martin Kutta a Nikolaj Žukovskij nezávisle vytvořili teorie, které spojovaly cirkulaci toku tekutiny se zvedat. Kutta a Zhukovsky pokračovali ve vývoji dvourozměrné teorie křídel. Ludwig Prandtl, který rozšiřuje práci Lanchestera, se zasloužil o rozvoj matematiky za teorií tenkých profilů křídel a zdvihacích čar a práci s hraničními vrstvami .

Se zvyšováním rychlosti letadel se konstruktéři začali potýkat s problémy spojenými se stlačitelností vzduchu při rychlostech blízkých rychlosti zvuku. Rozdíly v proudění vzduchu za takových podmínek vedou k problémům v ovládání letadel, zvýšenému odporu v důsledku rázových vln a hrozbě strukturální poruchy v důsledku aeroelastického třepetání . Poměr rychlosti proudění k rychlosti zvuku byl pojmenován Machovým číslem podle Ernsta Macha, který jako jeden z prvních zkoumal vlastnosti nadzvukového proudění. Macquorn Rankine a Pierre Henri Hugoniot nezávisle vyvinuli teorii tokových vlastností před a po rázové vlně , zatímco Jakob Ackeret vedl počáteční práci při výpočtu zdvihu a odporu nadzvukových profilů křídel. Theodore von Kármán a Hugh Latimer Dryden zavedli termín transonic k popisu rychlostí toku mezi kritickým Machovým číslem a Mach 1, kde se odpor rychle zvyšuje. Tento rychlý nárůst odporu vedl aerodynamiky a letce k nesouhlasu ohledně toho, zda bylo možné dosáhnout nadzvukového letu, dokud nebyla v roce 1947 pomocí letounu Bell X-1 prolomena zvuková bariéra .

V době, kdy byla prolomena zvuková bariéra, dospělo porozumění aerodynamiků k podzvukovému a nízkému nadzvukovému proudění. Cold War výzva návrh stále se rozvíjející řady vysoce výkonných letadel. Výpočetní dynamika tekutin začala jako snaha vyřešit vlastnosti proudění kolem složitých objektů a rychle se rozrostla do bodu, kdy lze celá letadla navrhnout pomocí počítačového softwaru, přičemž testy aerodynamického tunelu následovaly letové testy k potvrzení počítačových předpovědí. Pochopení nadzvukové a hypersonické aerodynamiky dozrává od 60. let minulého století a cíle aerodynamiků se přesunuly od chování proudění tekutiny k konstrukci vozidla tak, aby předvídatelně interagovalo s proudem tekutiny. Navrhování letadel pro nadzvukové a hypersonické podmínky, stejně jako touha zlepšit aerodynamickou účinnost současných letadel a pohonných systémů, nadále motivuje nový výzkum v aerodynamice, přičemž se nadále pracuje na důležitých problémech základní aerodynamické teorie souvisejících s turbulencemi proudění a existence a jedinečnost analytických řešení Navier-Stokesových rovnic.

Základní koncepty

Síly letu na profilu křídla

Pochopení pohybu vzduchu kolem objektu (často nazývaného tokové pole) umožňuje výpočet sil a momentů působících na předmět. V mnoha problémech s aerodynamikou jsou síly zájmu základními silami letu: vztlak , odpor , tah a hmotnost . Z nich jsou vztlak a odpor aerodynamickými silami, tj. Silami v důsledku proudění vzduchu přes pevné těleso. Výpočet těchto veličin je často založen na předpokladu, že se tokové pole chová jako kontinuum. Pole kontinuálního toku se vyznačují vlastnostmi, jako je rychlost proudění , tlak , hustota a teplota , což mohou být funkce polohy a času. Tyto vlastnosti mohou být přímo nebo nepřímo měřeny v aerodynamických experimentech nebo vypočítány počínaje rovnicemi pro zachování hmotnosti, hybnosti a energie v proudech vzduchu. Ke klasifikaci tokových polí se používá hustota, rychlost proudění a další vlastnost, viskozita .

Klasifikace toku

Rychlost toku se používá ke klasifikaci toků podle rychlostního režimu. Podzvukové toky jsou proudová pole, ve kterých je pole rychlosti vzduchu vždy pod místní rychlostí zvuku. Transonické toky zahrnují jak oblasti podzvukového proudění, tak oblasti, ve kterých je místní rychlost proudění větší než místní rychlost zvuku. Nadzvukové toky jsou definovány jako toky, ve kterých je rychlost toku všude vyšší než rychlost zvuku. Čtvrtá klasifikace, hypersonický tok, se týká toků, kde je rychlost proudění mnohem větší než rychlost zvuku. Aerodynamici se neshodnou na přesné definici hypersonického proudění.

Stlačitelný tok odpovídá různé hustotě v toku. Podzvukové toky jsou často idealizovány jako nestlačitelné, tj. Hustota se považuje za konstantní. Transonické a nadzvukové toky jsou stlačitelné a výpočty, které zanedbávají změny hustoty v těchto tokových polích, poskytnou nepřesné výsledky.

Viskozita je spojena s třecími silami v toku. V některých tokových polích jsou viskózní efekty velmi malé a přibližná řešení mohou viskózní efekty bezpečně zanedbávat. Tyto aproximace se nazývají inviscidní toky. Toky, u nichž není viskozita opomíjena, se nazývají viskózní toky. A konečně, aerodynamické problémy mohou být také klasifikovány podle prostředí proudění. Vnější aerodynamika je studium toku kolem pevných předmětů různých tvarů (např. Kolem křídla letadla), zatímco vnitřní aerodynamika je studium proudění průchody uvnitř pevných předmětů (např. Proudovým motorem).

Předpoklad kontinua

Na rozdíl od kapalin a pevných látek jsou plyny složeny z diskrétních molekul, které zabírají pouze malý zlomek objemu naplněného plynem. Na molekulární úrovni jsou toková pole tvořena srážkami mnoha jednotlivých molekul plynu mezi sebou a s pevnými povrchy. Ve většině aerodynamických aplikací je však diskrétní molekulární povaha plynů ignorována a předpokládá se, že tokové pole se chová jako kontinuum . Tento předpoklad umožňuje, aby vlastnosti tekutiny, jako je hustota a rychlost proudění, byly definovány všude v toku.

Platnost předpokladu kontinua závisí na hustotě plynu a dané aplikaci. Aby byl předpoklad kontinua platný, musí být průměrná délka volné cesty mnohem menší než měřítko délky dané aplikace. Například mnoho aerodynamických aplikací se zabývá letadly létajícími v atmosférických podmínkách, kde je průměrná délka volné dráhy řádově v mikrometrech a kde je tělo řádově větší. V těchto případech se délkový rozsah letadla pohybuje od několika metrů do několika desítek metrů, což je mnohem větší než průměrná délka volné dráhy. U takových aplikací je předpoklad kontinuity rozumný. Předpoklad kontinua je méně platný pro extrémně nízké hustoty toků, jako jsou ty, se kterými se setkávají vozidla ve velmi vysokých nadmořských výškách (např. 300 000 stop/90 km) nebo satelity na oběžné dráze Země . V těchto případech je statistická mechanika přesnější metodou řešení problému než aerodynamika kontinua. Číslo Knudsen mohou být použity jako vodítko pro výběr mezi statistické mechaniky a kontinuální formulace aerodynamiky.

Zákony na ochranu přírody

Předpoklad kontinua tekutiny umožňuje řešit problémy v aerodynamice pomocí zákonů zachování dynamiky tekutin . Používají se tři zásady zachování:

Zachování hmoty
Zachování hmotnosti vyžaduje, aby hmota nebyla v toku vytvořena ani zničena; matematická formulace tohoto principu je známá jako rovnice spojitosti hmoty .
Zachování hybnosti
Matematickou formulaci tohoto principu lze považovat za aplikaci Newtonova druhého zákona . Hybnost v toku se mění pouze vnějšími silami, které mohou zahrnovat jak povrchové síly , jako jsou viskózní ( třecí ) síly, tak tělesné síly , jako je hmotnost . Princip zachování hybnosti může být vyjádřen buď jako vektorová rovnice, nebo rozdělen do sady tří skalárních rovnic (složky x, y, z).
Uchování energie
Rovnice pro zachování energie uvádí, že energie není v toku vytvářena ani ničena a že jakékoli přidání nebo odečtení energie k objemu v toku je způsobeno přenosem tepla nebo prací do a ze zájmové oblasti.

Společně jsou tyto rovnice známé jako Navier-Stokesovy rovnice , ačkoli někteří autoři definují termín tak, aby zahrnoval pouze rovnice hybnosti. Navier-Stokesovy rovnice nemají žádné známé analytické řešení a jsou řešeny v moderní aerodynamice pomocí výpočetních technik . Protože výpočetní metody využívající vysokorychlostní počítače nebyly historicky dostupné a vysoké výpočetní náklady na řešení těchto složitých rovnic, když jsou nyní k dispozici, zjednodušování Navier-Stokesových rovnic byla a stále jsou používána. Tyto Eulerovy rovnice jsou soubor podobných zachování rovnic, které zanedbávat viskozitu a mohou být použity v případech, kdy se očekává, že účinek viskozity být malý. Další zjednodušení vedou k Laplaceově rovnici a teorii potenciálního toku . Navíc, Bernoulliho rovnice je řešení v jedné dimenzi na obou hybnosti a energie zachování rovnic.

Zákon ideálního plynu nebo jiný, jako stavová rovnice je často používán ve spojení s těmito rovnicemi tvořit stanovený systém, který umožňuje řešení pro neznámých proměnných.

Větve aerodynamiky

výpočetní modelování

Aerodynamické problémy jsou klasifikovány podle prostředí toku nebo vlastností toku, včetně rychlosti proudění , stlačitelnosti a viskozity . Vnější aerodynamika je studium proudění kolem pevných předmětů různých tvarů. Hodnocení vztlaku a odporu vzduchu v letadle nebo rázových vln, které se tvoří před nosem rakety, jsou příklady vnější aerodynamiky. Vnitřní aerodynamika je studium průchodu v pevných předmětech. Například vnitřní aerodynamika zahrnuje studium proudění vzduchu proudovým motorem nebo potrubím klimatizace .

Aerodynamické problémy lze také klasifikovat podle toho, zda je rychlost proudění nižší, nižší nebo vyšší než rychlost zvuku . Problém se nazývá podzvukový, pokud jsou všechny rychlosti v problému menší než rychlost zvuku, transonické, pokud jsou přítomny rychlosti pod i nad rychlostí zvuku (normálně, když je charakteristická rychlost přibližně rychlostí zvuku), nadzvukové, když charakteristická rychlost proudění je větší než rychlost zvuku a hypersonická, když je rychlost proudění mnohem větší než rychlost zvuku. Aerodynamici nesouhlasí ohledně přesné definice hypersonického proudění; hrubá definice považuje toky s Machovými čísly nad 5 za hypersonické.

Vliv viskozity na tok určuje třetí klasifikaci. Některé problémy se mohou setkat pouze s velmi malými viskózními efekty, v takovém případě lze viskozitu považovat za zanedbatelnou. Aproximace těchto problémů se nazývá inviscidní toky . Toky, u kterých nelze zanedbávat viskozitu, se nazývají viskózní toky.

Nestlačitelná aerodynamika

Nestlačitelný tok je tok, ve kterém je hustota konstantní v čase i prostoru. Ačkoli jsou všechny skutečné kapaliny stlačitelné, tok je často aproximován jako nestlačitelný, pokud účinek změn hustoty způsobí pouze malé změny vypočtených výsledků. To je pravděpodobnější, když jsou rychlosti proudění výrazně nižší než rychlost zvuku. Účinky stlačitelnosti jsou výraznější při rychlostech blízkých nebo vyšší než rychlost zvuku. Machovo číslo se používá k vyhodnocení, zda lze předpokládat nestlačitelnost, v opačném případě musí být zahrnuty účinky stlačitelnosti.

Podzvukový tok

Podzvuková (nebo nízkorychlostní) aerodynamika popisuje pohyb tekutin v proudech, které jsou mnohem nižší než rychlost zvuku všude v proudu. Existuje několik větví podzvukového proudění, ale jeden zvláštní případ nastává, když je tok neviditelný , nestlačitelný a neotočný . Tento případ se nazývá potenciální tok a umožňuje, aby diferenciální rovnice, které popisují tok, byly zjednodušenou verzí rovnic dynamiky tekutin , čímž aerodynamikovi zpřístupní řadu rychlých a snadných řešení.

Při řešení podzvukového problému je jedním z rozhodnutí aerodynamika, zda začlenit účinky stlačitelnosti. Stlačitelnost je popis velikosti změny hustoty v toku. Když jsou účinky stlačitelnosti na roztok malé, lze vytvořit předpoklad, že je hustota konstantní. Problémem je pak nestlačitelný problém s nízkou rychlostí aerodynamiky. Když se hustota může měnit, tok se nazývá stlačitelný. Ve vzduchu jsou účinky stlačitelnosti obvykle ignorovány, pokud Machovo číslo v proudu nepřekročí 0,3 (asi 335 stop (102 m) za sekundu nebo 228 mil (366 km) za hodinu při 60 ° F (16 ° C)). Nad Mach 0,3 by měl být problémový tok popsán pomocí stlačitelné aerodynamiky.

Stlačitelná aerodynamika

Podle teorie aerodynamiky, tok je považován za stlačitelný v případě, že hustota se mění podél zmodernizovat . To znamená, že - na rozdíl od nestlačitelného toku - se uvažují změny hustoty. Obecně to platí v případě, kdy Machovo číslo části nebo celého toku překročí 0,3. Hodnota Mach 0,3 je spíše libovolná, ale používá se, protože proudění plynu s Machovým číslem pod touto hodnotou ukazuje změny hustoty menší než 5%. Kromě toho k této maximální 5% změně hustoty dochází v bodě stagnace (bod na objektu, kde je rychlost proudění nulová), zatímco změny hustoty kolem zbytku objektu budou výrazně nižší. Transonické, nadzvukové a hypersonické toky jsou všechny stlačitelné toky.

Transonický tok

Termín Transonic označuje rozsah rychlostí proudění těsně pod a nad místní rychlostí zvuku (obecně se používá jako Mach 0,8–1,2). Je definován jako rozsah rychlostí mezi kritickým Machovým číslem , kdy se některé části proudění vzduchu nad letadlem stávají nadzvukovými , a vyšší rychlostí, obvykle blízko Mach 1,2 , kdy je veškerý proud vzduchu nadzvukový. Mezi těmito rychlostmi je část proudu vzduchu nadzvuková, zatímco část proudění vzduchu není nadzvuková.

Nadzvukový tok

Nadzvukové aerodynamické problémy jsou ty, které zahrnují rychlosti proudění vyšší než rychlost zvuku. Výpočet zdvihu na Concorde během plavby může být příkladem nadzvukového aerodynamického problému.

Nadzvukový tok se chová velmi odlišně od podzvukového toku. Kapaliny reagují na rozdíly v tlaku; změny tlaku jsou způsob, jakým je tekutině „řečeno“, aby reagovala na své prostředí. Protože je tedy zvuk ve skutečnosti nekonečně malý tlakový rozdíl šířící se tekutinou, lze rychlost zvuku v této tekutině považovat za nejrychlejší rychlost, kterou mohou „informace“ cestovat v proudu. Tento rozdíl se nejzřetelněji projevuje v případě, že kapalina narazí na předmět. Před tímto objektem tekutina vytváří stagnační tlak, protože náraz do předmětu přináší pohybující se tekutině klid. V tekutině, která cestuje podzvukovou rychlostí, se tato tlaková porucha může šířit proti proudu, měnit tokový tok před objektem a budit dojem, že tekutina „ví“, že předmět je tam zdánlivým nastavením jeho pohybu a proudí kolem něj. V nadzvukovém proudění se však tlaková porucha nemůže šířit proti proudu. Když tedy tekutina konečně dosáhne předmětu, zasáhne jej a tekutina je nucena změnit své vlastnosti - teplotu , hustotu , tlak a Machovo číslo - extrémně násilným a nevratným způsobem, kterému se říká rázová vlna . Přítomnost rázových vln spolu s účinky stlačitelnosti kapalin o vysoké rychlosti proudění (viz Reynoldsovo číslo ) je ústředním rozdílem mezi nadzvukovými a podzvukovými režimy aerodynamiky.

Hypersonický tok

V aerodynamice jsou hypersonické rychlosti vysoce nadzvukové. V 70. letech 20. století se tento termín obecně používal k označení rychlosti Mach 5 (5násobek rychlosti zvuku) a výše. Hypersonický režim je podmnožinou nadzvukového režimu. Hypersonický tok je charakterizován vysokoteplotním tokem za rázovou vlnou, viskózní interakcí a chemickou disociací plynu.

Související terminologie

Analýza různých typů proudění kolem profilu křídla:

Nestlačitelné a stlačitelné režimy proudění produkují mnoho souvisejících jevů, jako jsou mezní vrstvy a turbulence.

Mezní vrstvy

Koncept mezní vrstvy je důležitý v mnoha problémech aerodynamiky. Viskozita a tření kapaliny ve vzduchu je přibližně pouze v této tenké vrstvě. Díky tomuto předpokladu je popis takové aerodynamiky matematicky mnohem lépe zpracovatelný.

Turbulence

V aerodynamice jsou turbulence charakterizovány chaotickými změnami vlastností toku. Patří sem nízká difúze hybnosti, vysoká konvekce hybnosti a rychlá změna tlaku a rychlosti proudění v prostoru a čase. Tok, který není turbulentní, se nazývá laminární proudění .

Aerodynamika v jiných oborech

Inženýrský design

Aerodynamika je významným prvkem konstrukce vozidel , včetně silničních a nákladních vozidel, kde je hlavním cílem snížit součinitel odporu vozidla , a závodních automobilů , kde je kromě snížení odporu cílem také zvýšit celkovou úroveň přítlaku . Aerodynamika je také důležitá při predikci sil a momentů působících na plachetnice . Používá se při konstrukci mechanických součástí, jako jsou hlavy pevných disků . Při výpočtu zatížení větrem při konstrukci velkých budov, mostů a větrných elektráren se statici uchýlí k aerodynamice a zvláště k aeroelasticitě.

Aerodynamika vnitřních průchodů je důležitá v topení/větrání , plynovém potrubí a v automobilových motorech, kde podrobné vzorce proudění silně ovlivňují výkon motoru.

Environmentální design

Městskou aerodynamiku zkoumají urbanisté a designéři, kteří se snaží zlepšit vybavení ve venkovních prostorách nebo při vytváření městského mikroklimatu za účelem snížení účinků městského znečištění. Oblast aerodynamiky prostředí popisuje způsoby, kterými atmosférická cirkulace a mechanika letu ovlivňují ekosystémy.

Při numerické předpovědi počasí se používají aerodynamické rovnice .

Kontrola míče ve sportu

Mezi sporty, ve kterých má aerodynamika zásadní význam, patří fotbal , stolní tenis , kriket , baseball a golf , ve kterých může většina hráčů ovládat trajektorii míče pomocí „ Magnusova efektu “.

Viz také

Reference

Další čtení

Obecná aerodynamika

Podzvuková aerodynamika

Transonická aerodynamika

Nadzvuková aerodynamika

Hypersonická aerodynamika

Historie aerodynamiky

Aerodynamika související s inženýrstvím

Pozemní vozidla

Letadlo s pevnými křídly

Vrtulníky

  • Leishman, J. Gordon (2006). Zásady aerodynamiky vrtulníků (2. vyd.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-85860-7. OCLC  224565656 .
  • Prouty, Raymond W. (2001). Výkon, stabilita a ovládání vrtulníku . Krieger Publishing Company Press. ISBN 1-57524-209-5. OCLC  212379050 .
  • Seddon, J .; Newman, Simon (2001). Základní aerodynamika helikoptéry: Účet prvních zásad v mechanice tekutin a dynamice letu jednootáčkové helikoptéry . AIAA. ISBN 1-56347-510-3. OCLC  47623950 .

Rakety

Model letadla

Související odvětví aerodynamiky

Aerotermodynamika

Aeroelasticita

Mezní vrstvy

Turbulence

externí odkazy