Войти
Исследование НАСА турбулентности в следе в Остров Уоллопс в 1990 году. Вихрь создается при пролете крыла самолета, обнаруженном дымом. Вихри - одно из многих явлений, связанных с изучением аэродинамики. Аэродинамика , от греч. ἀήρ aero (воздух) + δυναμική (динамика), это изучение движения воздух, особенно при взаимодействии с твердым объектом, например, крылом самолета. Это подраздел гидродинамики и газовой динамики, и многие аспекты теории аэродинамики являются общими для этих областей. Термин «аэродинамика» часто используется как синоним газовой динамики, с той разницей, что «газовая динамика» применяется к изучению движения всех газов и не ограничивается воздухом. Формальное изучение аэродинамики в современном понимании началось в восемнадцатом веке, хотя наблюдения фундаментальных понятий, таких как аэродинамическое сопротивление, были зарегистрированы гораздо раньше. Большая часть первых усилий в области аэродинамики была направлена на достижение полета тяжелее воздуха, что впервые было продемонстрировано Отто Лилиенталем в 1891 году. С тех пор аэродинамика использовалась через математический анализ, эмпирические приближения, эксперименты в аэродинамической трубе и компьютерное моделирование сформировали рациональную основу для разработки полетов тяжелее воздуха и ряда других технологий.. Недавние работы в области аэродинамики были сосредоточены на вопросах, связанных с сжимаемым потоком, турбулентностью и пограничными слоями, и все чаще становились вычислительными по своей природе.
Современная аэродинамика восходит только к семнадцатому веку, но аэродинамические силы использовались людьми в течение тысяч лет в парусных лодках и ветряных мельницах, и повсюду появляются изображения и рассказы о полётах. записанная история, такая как Древнегреческая легенда Икара и Дедала. Фундаментальные концепции континуума, сопротивления и градиентов давления появляются в работах Аристотеля и Архимеда.
в 1726 г. Сэр Исаак Ньютон стал первым человеком, разработавшим теорию сопротивления воздуха, сделав его одним из первых аэродинамиков. Голландский -Швейцарский математик Даниэль Бернулли последовал в 1738 году с Hydrodynamica, в которой он описал фундаментальную взаимосвязь между давлением, плотностью и скоростью потока. для несжимаемого потока, известного сегодня как принцип Бернулли, который обеспечивает один метод расчета аэродинамической подъемной силы. В 1757 г. Леонард Эйлер опубликовал более общие уравнения Эйлера, которые можно было применять как к сжимаемым, так и к несжимаемым потокам. Уравнения Эйлера были расширены для включения эффектов вязкости в первой половине 1800-х годов, что привело к уравнениям Навье – Стокса. Уравнения Навье-Стокса являются наиболее общими определяющими уравнениями потока жидкости, но их трудно решить для обтекания любых форм, кроме самых простых.
Реплика братьев Райт 'аэродинамической трубы выставлена в Центре авиации и космонавтики Вирджинии. Аэродинамические трубы сыграли ключевую роль в разработке и подтверждении законов аэродинамики. В 1799 году сэр Джордж Кэли стал первым человеком, определившим четыре аэродинамические силы полета (вес, подъемная сила, лобовое сопротивление и тяга ), а также взаимосвязи между ними и тем самым наметили путь к достижению полета тяжелее воздуха. на следующий век. В 1871 г. Фрэнсис Герберт Уэнам построил первую аэродинамическую трубу, позволяющую точно измерять аэродинамические силы. Теории перетаскивания были разработаны Жаном ле Рондом Даламбером, Густавом Кирхгофом и лордом Рэлеем. В 1889 году Шарль Ренар, французский авиационный инженер, стал первым человеком, который разумно предсказал мощность, необходимую для длительного полета. Отто Лилиенталь, первый человек, добившийся больших успехов в полетах на планерах., был также первым, кто предложил тонкие изогнутые профили, обеспечивающие большую подъемную силу и низкое сопротивление. Основываясь на этих разработках, а также на исследованиях, проведенных в их собственной аэродинамической трубе, братья Райт управляли первым самолетом с двигателем 17 декабря 1903 года.
Во время первых полетов, Фредерик В. Ланчестер, Мартин Кутта и Николай Жуковский независимо друг от друга создали теории, связывающие циркуляцию потока жидкости с подъемной силой. Кутта и Жуковский продолжили развитие двумерной теории крыла. Развивая работу Ланчестера, Людвиг Прандтль разработал математику, лежащую в основе теорий тонкого профиля и подъемной линии, а также работу с пограничными слоями.
По мере увеличения скорости самолета конструкторы начали для решения проблем, связанных с воздухом сжимаемостью на скоростях, близких или превышающих скорость звука. Различия в воздушных потоках в таких условиях приводят к проблемам в управлении самолетом, повышенному сопротивлению из-за ударных волн и угрозе разрушения конструкции из-за аэроупругого флаттера. Отношение скорости потока к скорости звука было названо числом Маха в честь Эрнста Маха, который одним из первых исследовал свойства сверхзвукового потока.. Маккорн Ренкин и Пьер Анри Гюгонио независимо друг от друга разработали теорию свойств потока до и после ударной волны, а Якоб Аккерет возглавил работа по расчету подъемной силы и сопротивления сверхзвуковых аэродинамических поверхностей. Теодор фон Карман и Хью Латимер Драйден ввели термин трансзвуковой для описания скоростей потока около 1 Маха, когда сопротивление увеличивается быстро. Столь быстрое увеличение лобового сопротивления привело к тому, что аэродинамики и авиаторы не пришли к единому мнению о возможности достижения сверхзвукового полета до тех пор, пока в 1947 году с помощью самолета Bell X-1 не был преодолен звуковой барьер .
К тому времени, как звуковой барьер был преодолен, понимание аэродинамиками дозвукового и слабого сверхзвукового потока сформировалось. Холодная война подтолкнула к созданию постоянно развивающейся линейки высокопроизводительных самолетов. Вычислительная гидродинамика началась как попытка определить свойства потока вокруг сложных объектов и быстро выросла до такой степени, что весь самолет может быть спроектирован с использованием компьютерного программного обеспечения с испытаниями в аэродинамической трубе, за которыми следуют летные испытания для подтверждения компьютерные предсказания. Понимание сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики сформировалось с 1960-х годов, и цели аэродинамиков сместились от поведения потока жидкости к проектированию транспортного средства таким образом, чтобы оно предсказуемо взаимодействовало с поток жидкости. Конструирование самолетов для сверхзвуковых и гиперзвуковых условий, а также стремление улучшить аэродинамическую эффективность существующих самолетов и силовых установок продолжает мотивировать новые исследования в области аэродинамики, в то время как работа по важным проблемам базовой аэродинамической теории, связанным с турбулентностью потока, продолжается. существование и единственность аналитических решений уравнений Навье-Стокса.
Силы полета на профиле Понимание движения воздуха вокруг объекта (часто называемого полем потока) позволяет рассчитать силы и моменты Действуя на объект. Во многих задачах аэродинамики рассматриваемые силы являются фундаментальными силами полета: подъемная сила, лобовое сопротивление, тяга и вес. Из них подъемная сила и сопротивление - это аэродинамические силы, то есть силы, возникающие при обтекании твердым телом воздуха. Расчет этих величин часто основан на предположении, что поле течения ведет себя как континуум. Поля сплошного потока характеризуются такими свойствами, как скорость потока, давление, плотность и температура, которые могут быть функциями положения и время. Эти свойства могут быть прямо или косвенно измерены в аэродинамических экспериментах или вычислены, исходя из уравнений сохранения массы, импульса и энергии в воздушных потоках. Плотность, скорость потока и дополнительное свойство вязкость используются для классификации полей потока.
Скорость потока используется для классификации потоков в соответствии с режимом скорости. Дозвуковые потоки - это поля течения, в которых поле скорости воздуха всегда ниже местной скорости звука. Трансзвуковые потоки включают в себя как области дозвукового потока, так и области, в которых локальная скорость потока больше, чем локальная скорость звука. Сверхзвуковые потоки определяются как потоки, в которых скорость потока везде больше скорости звука. Четвертая классификация, гиперзвуковой поток, относится к потокам, в которых скорость потока намного больше скорости звука. Аэродинамики расходятся во мнениях относительно точного определения гиперзвукового потока.
Сжимаемый поток учитывает изменяющуюся плотность внутри потока. Дозвуковые потоки часто идеализируются как несжимаемые, т.е. плотность считается постоянной. Трансзвуковые и сверхзвуковые потоки сжимаемы, и расчеты, не учитывающие изменения плотности в этих полях течения, дадут неточные результаты.
Вязкость связана с силами трения в потоке. В некоторых полях течения вязкие эффекты очень малы, и в приближенных решениях вязкими эффектами можно пренебречь. Эти приближения называются невязкими потоками. Течения, для которых не пренебрегают вязкостью, называются вязкими потоками. Наконец, аэродинамические проблемы также могут быть классифицированы по среде потока. Внешняя аэродинамика - это изучение обтекания твердых объектов различной формы (например, вокруг крыла самолета), в то время как внутренняя аэродинамика - это исследование обтекания каналов внутри твердых объектов (например, через реактивный двигатель).
В отличие от жидкостей и твердых тел, газы состоят из дискретных молекул, которые занимают лишь небольшую часть объема, заполненного газом. На молекулярном уровне поля течения состоят из столкновений множества отдельных молекул газа между собой и с твердыми поверхностями. Однако в большинстве приложений аэродинамики дискретная молекулярная природа газов не учитывается, и предполагается, что поле потока ведет себя как континуум . Это предположение позволяет определять свойства жидкости, такие как плотность и скорость потока, везде в пределах потока.
Справедливость предположения о континууме зависит от плотности газа и рассматриваемого применения. Чтобы предположение о континууме было верным, длина среднего свободного пробега должна быть намного меньше, чем масштаб длины рассматриваемого приложения. Например, многие приложения в области аэродинамики имеют дело с самолетами, летящими в атмосферных условиях, когда длина свободного пробега составляет порядка микрометров, а тело на несколько порядков больше. В этих случаях масштаб длины летательного аппарата составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров, что намного больше, чем длина среднего свободного пробега. Для таких приложений разумно предположение о континууме. Предположение о континууме менее справедливо для потоков с чрезвычайно низкой плотностью, например, с которыми сталкиваются транспортные средства на очень больших высотах (например, 300 000 футов / 90 км) или спутники на низкой околоземной орбите. В таких случаях статистическая механика является более точным методом решения проблемы, чем сплошная аэродинамика. Число Кнудсена может использоваться для выбора между статистической механикой и непрерывной формулировкой аэродинамики.
Предположение о континууме жидкости позволяет решать проблемы аэродинамики с помощью законов сохранения динамики жидкости. Используются три принципа сохранения:
Вместе эти уравнения известны как уравнения Навье-Стокса, хотя некоторые авторы определяют этот термин как включающий только уравнение (а) импульса. Уравнения Навье-Стокса не имеют известного аналитического решения и решаются в современной аэродинамике с использованием вычислительных методов. Поскольку вычислительные методы с использованием высокоскоростных компьютеров исторически не были доступны и высокая вычислительная стоимость решения этих сложных уравнений теперь, когда они доступны, упрощения уравнений Навье-Стокса применялись и продолжают использоваться. Уравнения Эйлера представляют собой набор аналогичных уравнений сохранения, в которых не учитывается вязкость, и их можно использовать в случаях, когда ожидается, что влияние вязкости будет небольшим. Дальнейшие упрощения приводят к уравнению Лапласа и теории потенциального потока. Кроме того, уравнение Бернулли является решением в одном измерении как уравнения импульса, так и уравнения сохранения энергии.
Закон идеального газа или другое подобное уравнение состояния часто используется в сочетании с этими уравнениями для формирования определенной системы, которая позволяет найти решение для неизвестных переменных.
вычислительное моделирование Аэродинамические проблемы классифицируются по среде потока или свойствам потока, включая скорость потока, сжимаемость и вязкость. Внешняя аэродинамика - это исследование обтекания твердых предметов различной формы. Оценка подъемной силы и лобового сопротивления на самолете или ударных волн, которые образуются перед носовой частью ракеты являются примерами внешней аэродинамики. Внутренняя аэродинамика - это исследование обтекания твердых тел. Например, внутренняя аэродинамика включает исследование воздушного потока через реактивный двигатель или через трубу кондиционирования воздуха.
Аэродинамические проблемы также можно классифицировать в зависимости от того, находится ли скорость потока ниже, около или выше скорости звука. Проблема называется дозвуковой, если все скорости в задаче меньше скорости звука, трансзвуковой, если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука (обычно, когда характерная скорость приблизительно равна скорости звука). звук), сверхзвуковой, когда характеристическая скорость потока больше скорости звука, и гиперзвуковой, когда скорость потока намного больше скорости звука. Аэродинамики расходятся во мнениях относительно точного определения гиперзвукового потока; В приблизительном определении потоки с числами Маха выше 5 рассматриваются как гиперзвуковые.
Влияние вязкости на поток требует третьей классификации. Некоторые проблемы могут иметь очень малые вязкостные эффекты, и в этом случае вязкость можно считать незначительной. Приближения к этим задачам называются невязкими потоками. Течения, в которых нельзя пренебрегать вязкостью, называются вязкими потоками.
Несжимаемый поток - это поток, плотность которого постоянна как во времени, так и в пространстве. Хотя все реальные жидкости являются сжимаемыми, поток часто считается несжимаемым, если эффект изменения плотности вызывает лишь небольшие изменения в расчетных результатах. Это более вероятно, если скорость потока значительно ниже скорости звука. Эффекты сжимаемости более значительны при скоростях, близких к скорости звука или превышающих их. Число Маха используется для оценки того, можно ли предположить несжимаемость, в противном случае необходимо учитывать эффекты сжимаемости.
Дозвуковая (или низкоскоростная) аэродинамика описывает движение жидкости в потоках, которые намного ниже скорости звука повсюду в потоке. Существует несколько ветвей дозвукового потока, но один частный случай возникает, когда поток невязкий, несжимаемый и безвихревой. Этот случай называется потенциальным потоком и позволяет дифференциальным уравнениям, которые описывают поток, быть упрощенной версией уравнений гидродинамики, тем самым делая доступными для специалист по аэродинамике - ряд быстрых и простых решений.
При решении проблемы дозвукового излучения аэродинамик должен принять одно решение - учитывать ли эффекты сжимаемости. Сжимаемость - это описание степени изменения плотности в потоке. Когда влияние сжимаемости на раствор невелико, можно сделать предположение, что плотность постоянна. Тогда проблема заключается в несжимаемой задаче аэродинамики на малых скоростях. Когда плотность может изменяться, поток называют сжимаемым. В воздухе эффекты сжимаемости обычно игнорируются, если число Маха в потоке не превышает 0,3 (около 335 футов (102 м) в секунду или 228 миль (366 км) в час при 60 ° F (16 ° F)). ° С)). При скорости выше 0,3 Маха проблемный поток следует описывать с помощью сжимаемой аэродинамики.
Согласно теории аэродинамики, поток считается сжимаемым, если плотность изменяется вдоль линии тока. Это означает, что в отличие от потока несжимаемой жидкости учитываются изменения плотности. Как правило, это тот случай, когда число Маха в части или во всем потоке превышает 0,3. Значение Маха 0,3 довольно условно, но оно используется потому, что потоки газа с числом Маха ниже этого значения демонстрируют изменения плотности менее 5%. Кроме того, это максимальное изменение плотности на 5% происходит в точке застоя (точка на объекте, где скорость потока равна нулю), в то время как изменение плотности вокруг остальной части объекта будет значительно ниже. Трансзвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые потоки являются сжимаемыми потоками.
Термин трансзвуковой поток относится к диапазону скоростей потока чуть ниже и выше локальной скорости звука (обычно принимается как Мах 0,8–1,2). Он определяется как диапазон скоростей между критическим числом Маха, когда некоторые части воздушного потока над самолетом становятся сверхзвуковыми, и более высокой скоростью, обычно около 1,2 Маха., когда весь воздушный поток сверхзвуковой. Между этими скоростями часть воздушного потока является сверхзвуковой, а часть воздушного потока - несверхзвуковой.
Сверхзвуковые аэродинамические проблемы связаны со скоростью потока, превышающей скорость звука. Расчет подъемной силы на Concorde во время крейсерского полета может быть примером сверхзвуковой аэродинамической задачи.
Сверхзвуковой поток очень отличается от дозвукового потока. Жидкости реагируют на перепады давления; изменения давления - это то, как жидкости «приказывают» реагировать на окружающую среду. Следовательно, поскольку звук на самом деле представляет собой бесконечно малую разность давлений, распространяющуюся через жидкость, скорость звука в этой жидкости может считаться самой быстрой скоростью, в которой может перемещаться «информация». поток. Наиболее очевидно это различие проявляется в случае удара жидкости о объект. Перед этим объектом жидкость создает давление торможения, поскольку столкновение с объектом останавливает движущуюся жидкость. В жидкости, движущейся с дозвуковой скоростью, это возмущение давления может распространяться вверх по потоку, изменяя структуру потока перед объектом и создавая впечатление, что жидкость «знает», что объект находится там, по-видимому, регулируя его движение и обтекая его. Однако в сверхзвуковом потоке возмущение давления не может распространяться вверх по потоку. Таким образом, когда жидкость, наконец, достигает объекта, она ударяется о нем, и жидкость вынуждена изменить свои свойства - температура, плотность, давление и Число Маха - чрезвычайно сильное и необратимое явление, называемое ударной волной. Наличие ударных волн, наряду с эффектами сжимаемости жидкостей с высокой скоростью потока (см. число Рейнольдса ), является центральным различием между сверхзвуковым и дозвуковым режимами аэродинамики.
В аэродинамике гиперзвуковые скорости - это скорости, которые являются сверхзвуковыми. В 1970-е годы этот термин обычно относился к скорости 5 Маха (в 5 раз больше скорости звука) и выше. Гиперзвуковой режим является подмножеством сверхзвукового режима. Гиперзвуковое течение характеризуется высокотемпературным течением за ударной волной, вязким взаимодействием и химической диссоциацией газа.
Анализ обтекания аэродинамического профиля различных типов: Потенциальный поток теория Течение в пограничном слое теория Анализ турбулентного следа Режимы потока несжимаемой и сжимаемой жидкости вызывают множество связанных явлений, таких как пограничные слои и турбулентность.
Концепция пограничного слоя важна для решения многих задач аэродинамики. Вязкость и трение жидкости в воздухе оцениваются как существенные только в этом тонком слое. Это предположение делает описание такой аэродинамики более податливым математически.
В аэродинамике турбулентность характеризуется хаотическими изменениями свойств потока. К ним относятся диффузия с низким импульсом, конвекция с высоким импульсом и быстрое изменение давления и скорости потока в пространстве и времени. Нетурбулентный поток называется ламинарным потоком.
Аэродинамика является важным элементом конструкции автомобиля, включая дорожные автомобили и грузовики, где основной целью является уменьшение транспортного средства коэффициент лобового сопротивления, и гоночные автомобили, где помимо уменьшения сопротивления Также цель состоит в том, чтобы увеличить общий уровень прижимной силы. Аэродинамика также важна для прогнозирования сил и моментов, действующих на парусные суда. Он используется в конструкции механических компонентов, таких как головки жесткого диска. Инженеры-конструкторы прибегают к аэродинамике и, в частности, к аэроупругости при расчете ветровых нагрузок при проектировании больших зданий, мостов и <278.>ветряные турбины
Аэродинамика внутренних проходов важна в отоплении / вентиляции, газопроводах и в автомобильных двигателях, где подробные схемы потока сильно влияют на производительность двигателя.
Городская аэродинамика изучается градостроителями и дизайнерами, стремящимися улучшить удобство на открытом воздухе или в создании городского микроклимата для уменьшения последствия городского загрязнения. Область экологической аэродинамики описывает способы, которыми атмосферная циркуляция и механика полета влияют на экосистемы.
Аэродинамические уравнения используются в численном прогнозе погоды.
Виды спорта, в которых решающее значение имеет аэродинамика, включают футбол, настольный теннис, крикет, бейсбол и гольф, в которых опытные игроки могут контролировать траекторию мяча с помощью "Магнуса эффект ".
 | На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Аэродинамика. |
.
