Центр давления (гидромеханика)

редактировать

Центр давления - это точка, в которой общая сумма Поле давления действует на тело, заставляя силу действовать через эту точку. Вектор полной силы, действующей в центре давления, является значением интегрированного векторного поля давления. Результирующая сила и расположение центра давления создают на теле силу и момент, эквивалентные исходному полю давления. Поля давления встречаются как в статической, так и в динамической механике жидкости. Указание центра давления, контрольной точки, от которой отсчитывается центр давления, и связанный вектор силы позволяют вычислить момент, генерируемый относительно любой точки, путем перевода из контрольной точки в желаемую новую точку. Обычно центр давления располагается на теле, но в потоках жидкости поле давления может оказывать на тело момент такой величины, что центр давления располагается снаружи.

Содержание

  • 1 Пример гидростатики (плотина)
  • 2 Историческое использование парусных лодок
  • 3 Аэродинамика самолета
  • 4 Аэродинамика ракет
  • 5 Движение центра давления для аэродинамических полей
  • 6 См. Также
  • 7 Примечания
  • 8 Ссылки

Пример гидростатики (плотина)

Поскольку силы воды на плотине являются гидростатическими силами, они линейно изменяются с глубина. В этом случае общая сила, действующая на плотину, представляет собой интеграл давления, умноженный на ширину плотины в зависимости от глубины. Центр давления расположен в центроиде поля давления треугольной формы 2 3 {\ displaystyle {\ frac {2} {3}}}{\ frac {2} {3}} от верха водопровод. Гидростатическая сила и опрокидывающий момент на плотине вокруг некоторой точки могут быть вычислены из общей силы и местоположения центра давления относительно интересующей точки.

Историческое использование парусных лодок

Центр давления используется в конструкции парусника для обозначения положения на парусе, где аэродинамическая сила сконцентрирован.

Отношение аэродинамического центра давления на паруса к гидродинамическому центру давления (называемому центром бокового сопротивления ) на корпусе определяет поведение лодки в ветер. Это поведение известно как «штурвал» и представляет собой либо погодный штурвал, либо подветренный штурвал. Некоторые моряки считают, что небольшое количество погодного руля является желательной ситуацией, как с точки зрения «ощущения» руля, так и с точки зрения тенденции лодки слегка поворачиваться к ветру при более сильных порывах, в некоторой степени самообороны. оперение парусов. Другие моряки не согласны и предпочитают нейтральный руль.

Основная причина появления "руля", будь то погода или подветренная сторона, - это отношение центра давления в плане паруса к центру бокового сопротивления корпуса. Если центр давления находится позади центра бокового сопротивления, штурвала погоды, судно имеет тенденцию разворачиваться против ветра.

Если ситуация обратная, когда центр давления находится впереди центра поперечного сопротивления корпуса, в результате будет "подветренный" штурвал, который обычно считается нежелательным, если не опасным. Слишком большое количество рулевого управления нехорошо, поскольку оно заставляет рулевого удерживать руль отклоненным, чтобы противодействовать ему, что вызывает дополнительное сопротивление, превышающее то, что могло бы испытать судно с нейтральным или минимальным рулевым управлением.

Аэродинамика самолета

Устойчивая конфигурация желательна не только в плавании, но и в конструкции самолета. Поэтому в конструкции самолетов заимствован термин «центр давления». Подобно парусу, жесткий несимметричный аэродинамический профиль создает не только подъемную силу, но и момент. Центр давления самолета - это точка, в которой все поле аэродинамического давления может быть представлено одним вектором силы без момента. Похожая идея - это аэродинамический центр, который представляет собой точку на аэродинамическом профиле, где момент тангажа, создаваемый аэродинамическими силами, постоянен с углом атаки ..

аэродинамический центр играет важную роль в анализе продольной статической устойчивости всех летательных аппаратов. Желательно, чтобы при нарушении угла тангажа и угла атаки самолета (например, сдвигом ветра / вертикальным порывом ветра) самолет возвращался к своему первоначальному сбалансированному углу тангажа и углу атака без пилота или автопилота, изменяющего отклонение руля. Чтобы самолет вернулся в свое сбалансированное положение без участия пилота или автопилота, он должен иметь положительную продольную статическую устойчивость.

Аэродинамика ракеты

Ракеты обычно не имеют предпочтительной плоскости или направления маневрировать и при этом иметь симметричные крылья. Поскольку центр давления для симметричных аэродинамических поверхностей относительно постоянен для небольшого угла атаки, инженеры-ракетчики обычно говорят о полном центре давления всей машины для анализа устойчивости и управляемости. При анализе ракет центр давления обычно определяется как центр дополнительного поля давления из-за изменения угла атаки относительно угла дифферента.

Для неуправляемых ракет положение дифферента обычно является нулевой угол атаки и центр давления определяется как центр давления результирующего поля потока на все транспортное средство, возникающее в результате очень малого угла атаки (то есть центр давления в пределе, когда угол атаки идет до нуля). Для обеспечения положительной устойчивости в ракетах общий центр давления транспортного средства, определенный, как указано выше, должен находиться дальше от носа транспортного средства, чем центр тяжести. В ракетах с меньшими углами атаки вклад в центр давления преобладает за счет носа, крыльев и оперения. Нормализованная производная коэффициента нормальной силы по углу атаки каждого компонента, умноженная на положение центра давления, может использоваться для вычисления центроида, представляющего общий центр давления. Центр давления добавленного поля потока находится за центром тяжести, а дополнительная сила «указывает» в направлении добавленного угла атаки; это создает момент, который возвращает автомобиль в положение дифферента.

В управляемых ракетах, в которых плавники могут перемещаться для балансировки транспортных средств под разными углами атаки, центр давления является центром давления поля потока при этом угле атаки для неотклоненного положения плавника. Это центр давления любого небольшого изменения угла атаки (как определено выше). Еще раз, для положительной статической устойчивости это определение центра давления требует, чтобы центр давления находился дальше от носа, чем центр тяжести. Это гарантирует, что любое увеличение силы, возникающее в результате увеличения угла атаки, приведет к увеличению восстанавливающего момента, чтобы вернуть ракету в исходное положение. При анализе ракет положительный статический запас подразумевает, что вся машина создает восстанавливающий момент для любого угла атаки из положения дифферента.

Перемещение центра давления для аэродинамических полей

Центр давления на симметричном профиле обычно находится примерно на 25% длины хорды за передней кромкой профиль. (Это называется «точкой четверти хорды».) Для симметричного аэродинамического профиля при изменении угла атаки и коэффициента подъемной силы центр давления не перемещается. Он остается около точки четверти хорды для углов атаки ниже угла атаки сваливания. Роль центра давления в характеристиках управления самолетом имеет иную форму, чем в ракетах.

На изогнутом аэродинамическом профиле центр давления не занимает фиксированное положение. Для аэродинамического профиля с традиционным изгибом центр давления находится немного позади точки четверти хорды при максимальном коэффициенте подъемной силы (большой угол атаки ), но по мере уменьшения коэффициента подъемной силы (угол атака уменьшается) центр давления перемещается в тыл. Когда коэффициент подъемной силы равен нулю, аэродинамический профиль не создает подъемной силы, но аэродинамический профиль с традиционным изгибом создает качающий момент, направленный вниз, так что центр давления находится на бесконечном расстоянии позади аэродинамического профиля.

Для аэродинамического профиля с рефлекторным изгибом центр давления находится немного впереди точки четверти хорды при максимальном коэффициенте подъемной силы (большой угол атака ), но по мере уменьшения коэффициента подъемной силы (уменьшения угла атаки) центр давления перемещается вперед. Когда коэффициент подъемной силы равен нулю, аэродинамический профиль не создает подъемной силы, но аэродинамический профиль с рефлекторно-изогнутым профилем создает момент тангажа, направленный вверх, так что центр давления находится на бесконечном расстоянии перед аэродинамическим профилем. Это направление движения центра давления на крыловой профиль с выпуклым изгибом имеет стабилизирующий эффект.

То, как центр давления перемещается при изменении коэффициента подъемной силы, затрудняет использование центра давления в математическом анализе продольной статической устойчивости самолета. По этой причине гораздо проще использовать аэродинамический центр при проведении математического анализа. Аэродинамический центр занимает фиксированное положение на аэродинамическом профиле, обычно близко к точке четверти хорды.

Аэродинамический центр является концептуальной отправной точкой для продольной устойчивости. Горизонтальный стабилизатор способствует дополнительной устойчивости, и это позволяет центру тяжести находиться на небольшом расстоянии позади аэродинамического центра, при этом самолет не достигает нейтральной устойчивости. Положение центра тяжести, при котором самолет имеет нейтральную устойчивость, называется нейтральной точкой.

См. Также

Примечания

Ссылки

  • Hurt, Hugh H., Jr. (январь 1965 г.). Аэродинамика для морских авиаторов. Вашингтон, округ Колумбия: Командование авиационных систем ВМС, ВМС США. С. 16–21. NAVWEPS 00-80T-80. CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка )
  • Смит, Хуберт (1992). Иллюстрированное руководство по аэродинамике (2-е изд.). Нью-Йорк: TAB Books. Стр. 24–27. ISBN 0-8306-3901-2.
  • Андерсон, Джон Д. (1999), Aircraft Performance and Дизайн, McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8
  • Клэнси, Л.Дж. (1975), Aerodynamics, Pitman Publishing Limited, Лондон. ISBN 0-273-01120-0
Последняя правка сделана 2021-05-14 14:24:41
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте