აეროდინამიკური წევა არის ძალა, რომელიც მოქმედებს ნებისმიერი ობიექტის ფარდობითი მოძრაობის საწინააღმდეგოდ. ის შეიძლება არსებობდეს მყარი ზედაპირის ორ ფენას შორის. სხვა რეზისტენტული ნაკრებისგან განსხვავებით, როგორიცაა მშრალი ხახუნი, რომლებიც თითქმის დამოუკიდებელია სიჩქარისგან, წევის ძალები ემორჩილება მოცემულ მნიშვნელობას. მიუხედავად იმისა, რომ მოქმედების საბოლოო მიზეზი ბლანტი ხახუნია, ტურბულენტობა მისგან დამოუკიდებელია. წევის ძალა ლამინარული ნაკადის სიჩქარის პროპორციულია.
კონცეფცია
აეროდინამიკური წევა არის ძალა, რომელიც მოქმედებს ნებისმიერ მოძრავ მყარ სხეულზე მომავალი სითხის მიმართულებით. ახლო ველის მიახლოების თვალსაზრისით, წევა არის ძალების შედეგი ობიექტის ზედაპირზე წნევის განაწილების გამო, სიმბოლურად D. კანის ხახუნის გამო, რომელიც არის სიბლანტის შედეგი, აღინიშნება De. ალტერნატიულად, გამოითვლება ნაკადის ველის თვალსაზრისით, ძალაწინააღმდეგობა წარმოიქმნება სამი ბუნებრივი ფენომენის შედეგად: დარტყმითი ტალღები, მორევის ფენა და სიბლანტე. ეს ყველაფერი შეგიძლიათ იხილოთ აეროდინამიკური წევის ცხრილში.
მიმოხილვა
სხეულის ზედაპირზე მოქმედი წნევის განაწილება გავლენას ახდენს დიდ ძალებზე. ისინი, თავის მხრივ, შეიძლება შეჯამდეს. ამ მნიშვნელობის ქვედა დინების კომპონენტები შეადგენს წევის ძალას, Drp, წნევის განაწილების გამო, რომელიც გავლენას ახდენს სხეულზე. ამ ძალების ბუნება აერთიანებს დარტყმის ტალღის ეფექტებს, მორევის სისტემის წარმოქმნას და გამოღვიძების მექანიზმებს.
სითხის სიბლანტე მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს წევაზე. ამ კომპონენტის არარსებობის შემთხვევაში, წნევის ძალები, რომლებიც მოქმედებენ მანქანის შენელებისთვის, განეიტრალება ძალაუფლებით, რომელიც არის უკანა ნაწილში და უბიძგებს მანქანას წინ. ამას ჰქვია რეპრესირება, რის შედეგადაც აეროდინამიკური წინააღმდეგობა ნულოვანია. ანუ, სამუშაო, რომელსაც სხეული ასრულებს ჰაერის ნაკადზე, შექცევადია და აღდგენილია, რადგან არ არსებობს ხახუნის ეფექტები ნაკადის ენერგიის გადაქცევად სითბოდ.
წნევის აღდგენა მუშაობს ბლანტი მოძრაობის შემთხვევაშიც. თუმცა, ეს მნიშვნელობა იწვევს ძალას. ეს არის წევის დომინანტური კომპონენტი იმ მანქანების შემთხვევაში, რომლებსაც აქვთ გაყოფილი ნაკადის რეგიონები, სადაც თავების აღდგენა საკმაოდ არაეფექტურად ითვლება.
ხახუნის ძალა, რომელიც არის ტანგენციალური ძალა ზედაპირზეთვითმფრინავი, დამოკიდებულია სასაზღვრო ფენის კონფიგურაციაზე და სიბლანტეზე. აეროდინამიკური წინააღმდეგობა, Df, გამოითვლება, როგორც სხეულის ზედაპირიდან შეფასებული ჭაობის ნაკრებების ქვედა დინების პროექცია.
ხახუნისა და წნევის წინააღმდეგობის ჯამს ეწოდება ბლანტი წინააღმდეგობა. თერმოდინამიკური თვალსაზრისით, ჭაობის ეფექტები შეუქცევადი ფენომენია და, შესაბამისად, ისინი ქმნიან ენტროპიას. გამოთვლილი ბლანტი წინააღმდეგობა Dv იყენებს ამ მნიშვნელობის ცვლილებებს, რათა ზუსტად განსაზღვროს მობრუნების ძალა.
აქ ასევე აუცილებელია აირის ჰაერის სიმკვრივის ფორმულა: РV=m/MRT.
როდესაც თვითმფრინავი აწარმოებს აწევას, არსებობს უკანდახევის კიდევ ერთი კომპონენტი. გამოწვეული წინააღმდეგობა, დი. იგი წარმოიქმნება მორევის სისტემის წნევის განაწილების ცვლილებისგან, რომელიც ახლავს ლიფტის წარმოებას. ამწევის ალტერნატიული პერსპექტივა მიიღწევა ჰაერის ნაკადის იმპულსის ცვლილების გათვალისწინებით. ფრთა წყვეტს ჰაერს და აიძულებს მას ქვემოთ გადაადგილებას. ეს იწვევს თანაბარ და საპირისპირო წევის ძალას, რომელიც მოქმედებს ფრთაზე, რომელიც არის ამწე.
ქვედა ჰაერის ნაკადის იმპულსის შეცვლა იწვევს საპირისპირო მნიშვნელობის შემცირებას. რომ ეს არის გამოყენებული ფრთაზე წინ მოქმედი ძალის შედეგი. ზურგზე მოქმედებს თანაბარი, მაგრამ საპირისპირო მასა, რაც არის გამოწვეული წევა. როგორც წესი, ის ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტია თვითმფრინავისთვის აფრენის ან დაფრენის დროს. გადაწევის კიდევ ერთი ობიექტი, ტალღის წევა (Dw) გამოწვეულია დარტყმითი ტალღებითფრენის მექანიკის ტრანსონური და ზებგერითი სიჩქარით. ეს რულონები იწვევს ცვლილებებს სასაზღვრო ფენაში და წნევის განაწილებას სხეულის ზედაპირზე.
ისტორია
იდეა, რომ მოძრავი სხეული, რომელიც გადის ჰაერში (სიმკვრივის ფორმულა) ან სხვა სითხეში წინააღმდეგობას ხვდება, ცნობილია არისტოტელეს დროიდან. 1922 წელს დაწერილი ლუი ჩარლზ ბრეგეტის სტატიაში დაიწყო მცდელობა ოპტიმიზაციის გზით შემცირების მიზნით. ავტორმა განაგრძო თავისი იდეების განხორციელება და შექმნა რამდენიმე რეკორდული თვითმფრინავი 1920-იან და 1930-იან წლებში. ლუდვიგ პრანდტლის სასაზღვრო ფენის თეორიამ 1920 წელს, სტიმული მისცა ხახუნის მინიმუმამდე შემცირებას.
მიმდევრობის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მოწოდება გააკეთა სერ მელვილ ჯონსმა, რომელმაც შემოიტანა თეორიული ცნებები, რათა დამაჯერებლად წარმოეჩინა თანმიმდევრობის მნიშვნელობა თვითმფრინავების დიზაინში. 1929 წელს მისი ნამუშევარი The Streamlined Airplane წარდგენილი სამეფო აერონავტიკული საზოგადოებისთვის მნიშვნელოვანი იყო. მან შემოგვთავაზა იდეალური თვითმფრინავი, რომელსაც ექნებოდა მინიმალური წევა, რაც მიგვიყვანს „სუფთა“მონოპლანეტისა და ასაწევი სავალი ნაწილის კონცეფციამდე.
ჯონსის მუშაობის ერთ-ერთი ასპექტი, რომელმაც ყველაზე მეტად შოკში ჩააგდო იმდროინდელი დიზაინერები, იყო მისი შეთქმულება ცხენის ძალის სიჩქარის წინააღმდეგ რეალური და იდეალური თვითმფრინავისთვის. თუ გადახედავთ თვითმფრინავის მონაცემთა წერტილს და მის ექსტრაპოლაციას ჰორიზონტალურად სრულყოფილ მრუდამდე მიიღებთ, მალე დაინახავთ იმავე სიმძლავრის ანაზღაურებას. როდესაც ჯონსმა დაასრულა პრეზენტაცია, ერთ-ერთი მსმენელიმნიშვნელობის დონე, როგორც კარნოს ციკლი თერმოდინამიკაში.
ლიფტით გამოწვეული წინააღმდეგობა
აწევით გამოწვეული უკუშექცევა გამოწვეულია სამგანზომილებიან სხეულზე ფერდობის შექმნის შედეგად, როგორიცაა თვითმფრინავის ფრთა ან ფიუზელაჟი. ინდუცირებული დამუხრუჭება ძირითადად შედგება ორი კომპონენტისგან:
- გადაათრიეთ მიმავალი მორევების შექმნის გამო.
- აქვს დამატებითი ბლანტი წევა, რომელიც არ არის, როცა ამწევი ნულის ტოლია.
სხეულის აწევის შედეგად წარმოქმნილი უკანა მორევები ნაკადის ველში განპირობებულია ობიექტის ზემოთ და ქვემოთ ჰაერის ტურბულენტური შერევით, რომელიც მიედინება რამდენიმე სხვადასხვა მიმართულებით ლიფტის შექმნის შედეგად..
სხვა პარამეტრებით, რომლებიც იგივე რჩება, როგორც სხეულის მიერ შექმნილი ლიფტი, ასევე იზრდება დახრილობით გამოწვეული წინააღმდეგობა. ეს ნიშნავს, რომ ფრთის შეტევის კუთხის მატებასთან ერთად იზრდება ამწევის კოეფიციენტი, ისევე როგორც მოხსნა. სადგომის დაწყებისას მიდრეკილი აეროდინამიკური ძალა მკვეთრად მცირდება, ისევე როგორც ამწევით გამოწვეული წევა. მაგრამ ეს მნიშვნელობა იზრდება სხეულის შემდეგ ტურბულენტური დაუმაგრებელი ნაკადის წარმოქმნის გამო.
ყალბი წევა
ეს არის წინააღმდეგობა, რომელიც გამოწვეულია მყარი საგნის სითხეში გადაადგილებით. პარაზიტულ წევას აქვს რამდენიმე კომპონენტი, მათ შორის მოძრაობა ბლანტი წნევის და ზედაპირის უხეშობის (კანის ხახუნის) გამო. გარდა ამისა, რამდენიმე სხეულის შედარებით სიახლოვეს ყოფნამ შეიძლება გამოიწვიოს ე.წჩარევის წინააღმდეგობა, რომელიც ზოგჯერ აღწერილია, როგორც ტერმინის კომპონენტი.
ავიაციაში, გამოწვეული უკუშექცევა უფრო ძლიერია დაბალ სიჩქარეზე, რადგან აწევის შესანარჩუნებლად საჭიროა შეტევის მაღალი კუთხე. თუმცა, სიჩქარის მატებასთან ერთად, შეიძლება შემცირდეს ის, ისევე როგორც გამოწვეული წევა. პარაზიტული წინააღმდეგობა, თუმცა, უფრო დიდი ხდება, რადგან სითხე უფრო სწრაფად მიედინება ამობურცულ ობიექტებს გარშემო, ზრდის ხახუნს.
უფრო მაღალი სიჩქარით (ტრანსონიკური) ტალღის წევა ახალ დონეს აღწევს. მოგერიების თითოეული ეს ფორმა განსხვავდება სხვათა პროპორციულად, სიჩქარის მიხედვით. ასე რომ, მთლიანი წევის მრუდი გვიჩვენებს მინიმუმს ზოგიერთ საჰაერო სიჩქარეზე - თვითმფრინავი იქნება ოპტიმალურ ეფექტურობაზე ან ახლოს. პილოტები გამოიყენებენ ამ სიჩქარეს მაქსიმალური გამძლეობის (საწვავის მინიმალური მოხმარება) ან დისტანციის გასავლელად ძრავის გაუმართაობის შემთხვევაში.
საავიაციო სიმძლავრის მრუდი
პარაზიტული და ინდუცირებული წევის ურთიერთქმედება ჰაერის სიჩქარის ფუნქციით შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც დამახასიათებელი ხაზი. ავიაციაში ამას ხშირად უწოდებენ სიმძლავრის მრუდს. ეს მნიშვნელოვანია პილოტებისთვის, რადგან გვიჩვენებს, რომ ჰაერის გარკვეული სიჩქარის ქვემოთ, და პირიქით, მეტი ბიძგია საჭირო მის შესანარჩუნებლად, როდესაც ჰაერის სიჩქარე მცირდება, არანაკლებ. ფრენისას „კულისებში“ყოფნის შედეგები მნიშვნელოვანია და ისწავლება როგორც პილოტების მომზადების ნაწილი. ქვებგერითზეჰაერის სიჩქარე, სადაც ამ მრუდის U-ფორმა მნიშვნელოვანია, ტალღის წევა ჯერ კიდევ არ გამხდარა ფაქტორი. ამიტომ ის არ არის ნაჩვენები მრუდზე.
დამუხრუჭება ტრანსონურ და ზებგერით ნაკადში
კომპრესიული ტალღის წევა არის წევა, რომელიც იქმნება, როდესაც სხეული მოძრაობს შეკუმშვადი სითხეში და წყალში ბგერის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარით. აეროდინამიკაში ტალღის წევას ბევრი კომპონენტი აქვს მართვის რეჟიმიდან გამომდინარე.
ტრანსონური ფრენის აეროდინამიკაში ტალღის წევა არის სითხეში დარტყმითი ტალღების წარმოქმნის შედეგი, რომლებიც წარმოიქმნება ზებგერითი ნაკადის ადგილობრივი უბნების შექმნისას. პრაქტიკაში, ასეთი მოძრაობა ხდება სხეულებზე, რომლებიც მოძრაობენ სიგნალის სიჩქარის ქვემოთ, რადგან ჰაერის ადგილობრივი სიჩქარე იზრდება. თუმცა, სრული ზებგერითი ნაკადი მანქანაზე არ განვითარდება მანამ, სანამ ღირებულება გაცილებით შორს არ წავა. ტრანსონური სიჩქარით მფრინავი თვითმფრინავები ხშირად განიცდიან ტალღის პირობებს ფრენის ნორმალური კურსის დროს. ტრანსონური ფრენისას ამ მოგერიებას ჩვეულებრივ უწოდებენ ტრანსონური შეკუმშვის წევას. ის საგრძნობლად ძლიერდება მისი ფრენის სიჩქარის მატებასთან ერთად და დომინირებს სხვა ფორმებზე ამ სიჩქარით.
ზებგერითი ფრენისას ტალღის წევა არის სითხეში არსებული და სხეულზე მიმაგრებული დარტყმითი ტალღების შედეგი, რომლებიც წარმოიქმნება სხეულის წინა და უკანა კიდეებზე. ზებგერითი ნაკადების დროს ან საკმარისად დიდი ბრუნვის კუთხით კორპუსებში, სანაცვლოდ იქნებაიქმნება ფხვიერი დარტყმა ან მრუდი ტალღები. გარდა ამისა, ტრანსონური ნაკადის ადგილობრივი უბნები შეიძლება მოხდეს დაბალი ზებგერითი სიჩქარით. ზოგჯერ ისინი იწვევს დამატებითი დარტყმითი ტალღების განვითარებას, რომლებიც გვხვდება სხვა ამწე სხეულების ზედაპირებზე, ისევე როგორც ტრანსონური ნაკადებში. ძლიერი ნაკადის რეჟიმებში, ტალღის წინააღმდეგობა ჩვეულებრივ იყოფა ორ კომპონენტად:
- სუპერსონიული ლიფტი ღირებულების მიხედვით.
- მოცულობა, რომელიც ასევე დამოკიდებულია კონცეფციაზე.
დახურული ფორმის გადაწყვეტა ფიქსირებული სიგრძის რევოლუციის სხეულის მინიმალური ტალღის წინააღმდეგობისთვის იპოვეს სირსმა და ჰააკმა და ცნობილია როგორც "Seers-Haack Distribution". ანალოგიურად, ფიქსირებული მოცულობისთვის, მინიმალური ტალღის წინააღმდეგობის ფორმა არის "Von Karman Ogive"..
ბუზემანის ბიპლანი, პრინციპში, საერთოდ არ ექვემდებარება ასეთ მოქმედებას საპროექტო სიჩქარით მუშაობისას, მაგრამ ასევე არ შეუძლია ამწეობის გენერირება.
პროდუქტები
ქარის გვირაბი არის ინსტრუმენტი, რომელიც გამოიყენება კვლევებში მყარ ობიექტებზე გადაადგილებული ჰაერის ეფექტის შესასწავლად. ეს დიზაინი შედგება მილისებური გადასასვლელისგან, რომლის შუაშია განთავსებული საცდელი ობიექტი. ჰაერი მოძრაობს ობიექტზე ძლიერი ვენტილატორის სისტემის ან სხვა საშუალებებით. ტესტის ობიექტი, რომელსაც ხშირად უწოდებენ მილის მოდელს, აღჭურვილია შესაბამისი სენსორებით საჰაერო ძალების გასაზომად, წნევის განაწილების ან სხვააეროდინამიკური მახასიათებლები. ეს ასევე აუცილებელია იმისთვის, რომ დროულად შევამჩნიოთ და გამოვასწოროთ სისტემაში არსებული პრობლემა.
რა ტიპის თვითმფრინავებია
მოდი ჯერ ისტორიას გადავხედოთ. პირველი ქარის გვირაბები გამოიგონეს მე -19 საუკუნის ბოლოს, საავიაციო კვლევის პირველ დღეებში. სწორედ მაშინ ბევრი ცდილობდა შეექმნა ჰაერზე მძიმე თვითმფრინავი წარმატებული. ქარის გვირაბი ჩაფიქრებული იყო, როგორც ჩვეულებრივი პარადიგმის შებრუნების საშუალება. იმის ნაცვლად, რომ დგომა და ობიექტი გადაადგილდეს მასში, იგივე ეფექტი მიიღწევა, თუ ობიექტი დადგებოდა და ჰაერი უფრო მაღალი სიჩქარით მოძრაობდა. ამ გზით, სტაციონარული დამკვირვებელს შეუძლია შეისწავლოს მფრინავი პროდუქტი მოქმედებაში და გაზომოს მასზე დაწესებული პრაქტიკული აეროდინამიკა.
მილების განვითარებას თან ახლდა თვითმფრინავის განვითარება. მეორე მსოფლიო ომის დროს აშენდა დიდი აეროდინამიკური ნივთები. ასეთ მილში ტესტირება სტრატეგიულად მნიშვნელოვანი იყო ცივი ომის დროს ზებგერითი თვითმფრინავებისა და რაკეტების განვითარების დროს. დღეს თვითმფრინავი არის ყველაფერი. და თითქმის ყველა ყველაზე მნიშვნელოვანი განვითარება უკვე შევიდა ყოველდღიურ ცხოვრებაში.
მოგვიანებით ქარის გვირაბის კვლევა ცხადი გახდა. ქარის ზემოქმედება ადამიანის მიერ შექმნილ სტრუქტურებსა თუ ობიექტებზე უნდა შესწავლილიყო, როდესაც შენობები საკმარისად მაღალი გახდნენ, რომ დიდი ზედაპირები წარმოედგინათ ქარს და შედეგად ძალებს წინააღმდეგობა უნდა გაუწიოს შენობის შიდა ელემენტებს. ასეთი კომპლექტების განსაზღვრა საჭირო იყო სამშენებლო კოდების დაწყებამდეგანსაზღვრავს სტრუქტურების საჭირო სიმტკიცეს. და ასეთი ტესტები დღემდე გამოიყენება დიდი თუ უჩვეულო შენობებისთვის.
კიდევ მოგვიანებით, ჩეკები გამოიყენეს მანქანების აეროდინამიკურ წევაზე. მაგრამ ეს არ იყო ძალების, როგორც ასეთის განსაზღვრა, არამედ გზების დადგენა, რათა შემცირებულიყო ძალა, რომელიც საჭიროა მანქანის საწოლზე მოცემული სიჩქარით გადაადგილებისთვის. ამ კვლევებში გზისა და სატრანსპორტო საშუალების ურთიერთქმედება მნიშვნელოვან როლს თამაშობს. ტესტის შედეგების ინტერპრეტაციისას სწორედ ის უნდა იყოს გათვალისწინებული.
რეალურ სიტუაციაში, გზა მოძრაობს ავტომობილთან შედარებით, მაგრამ ჰაერი მაინც გზის მიმართ არის. მაგრამ ქარის გვირაბში ჰაერი მოძრაობს გზასთან შედარებით. მიუხედავად იმისა, რომ ეს უკანასკნელი სტაციონარულია ავტომობილის მიმართ. ზოგიერთი სატესტო მანქანის ქარის გვირაბში შედის სატესტო მანქანის ქვეშ მოძრავი ქამრები. ეს არის რეალურ მდგომარეობასთან მიახლოების მიზნით. მსგავსი მოწყობილობები გამოიყენება ქარის გვირაბის აფრენისა და დაფრენის კონფიგურაციებში.
მოწყობილობა
სპორტული აღჭურვილობის ნიმუშები ასევე გავრცელებულია მრავალი წლის განმავლობაში. მათში შედიოდა გოლფის ჯოხები და ბურთები, ოლიმპიური ბობსლედები და ველოსიპედისტები და სარბოლო მანქანების ჩაფხუტები. ამ უკანასკნელის აეროდინამიკა განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ღია კაბინის მქონე მანქანებში (ინდიკარი, ფორმულა ერთი). ჩაფხუტზე გადაჭარბებულმა ამწევმა ძალამ შეიძლება გამოიწვიოს მნიშვნელოვანი სტრესიმძღოლის კისერზე და უკანა მხარეს ნაკადის განცალკევება არის ტურბულენტური და, შედეგად, მხედველობის დაქვეითება მაღალი სიჩქარით.
გამოთვლითი სითხის დინამიკის (CFD) სიმულაციების მიღწევებმა მაღალსიჩქარიან ციფრულ კომპიუტერებზე შეამცირა ქარის გვირაბის ტესტირების საჭიროება. თუმცა CFD შედეგები ჯერ კიდევ არ არის სრულიად სანდო, ეს ინსტრუმენტი გამოიყენება CFD პროგნოზების შესამოწმებლად.
