Rezistența la curgere este o problemă de anvergură. Consumul de combustibil al unei mașini la viteză mare provine în principal din rezistența aerului, mai degrabă decât din rezistența la frecare a solului. Motivul pentru care smogul poate fi „suspendat” în aer se datorează și rezistenței la curgere. Toate acestea ilustrează importanța rezistenței aerului.
01
Rezistența diferențială de presiune și rezistența la frecare
Din punct de vedere al forței, rezistența obiectului este acțiunea directă a fluidului pe suprafața sa. Ceea ce este perpendicular pe suprafața obiectului este presiunea fluidului, iar rezistența generată de acesta se numește rezistență la presiune diferențială; ceea ce este paralel cu suprafața obiectului este forța de tăiere vâscoasă a fluidului, iar rezistența generată de acesta se numește rezistență de frecare. În afară de aceste două forțe, nu există altă forță. Prin urmare, rezistența totală a unui obiect este forța rezultantă a rezistenței la diferența de presiune și a rezistenței la frecare. Rezistența la diferența de presiune este strâns legată de forma obiectului, iar rezistența la frecare este legată în principal de suprafața obiectului.
Unele locuri spun că, pe lângă rezistența la diferența de presiune și rezistența la frecare, există rezistență indusă, rezistență la unde de șoc etc., ceea ce este o neînțelegere. De fapt, atât rezistența indusă, cât și rezistența undelor de șoc pot fi atribuite rezistenței la diferența de presiune și rezistența la frecare (în principal rezistența la diferența de presiune).
02
rezistență de formă rezistență posterioară
Se știe din cele mai vechi timpuri că obiectele care se mișcă într-un fluid vor experimenta rezistență, iar rezistența este strâns legată de forma obiectului. Dar teoria originală a mecanicii fluidelor a ajuns la concluzia opusă. Pe baza legilor mișcării fluidului ale lui Euler și Bernoulli, dacă vâscozitatea fluidului este ignorată, fluidul nu va produce rezistență la obiectele de orice formă care se mișcă în el.
Se pare că rezistența este cauzată în totalitate de vâscozitate, dar vâscozitatea aerului este foarte mică, iar rezistența la frecare produsă de acesta este mult mai mică decât rezistența aerodinamică măsurată de fapt. Această contradicție este cunoscută în istorie drept „Paradoxul lui D’Alembert” deoarece a fost propusă de matematicianul francez D’Alembert.
Abia când Prandtl a prezentat teoria stratului limită, oamenii și-au dat seama cu adevărat de esența rezistenței la curgere. Rezistența la diferența de presiune este componenta principală a rezistenței aerodinamice, în timp ce pentru obiectele generale, rezistența la diferența de presiune se datorează în principal separării stratului limită.
Oamenii timpurii (poate că mulți oameni cred asta acum) pe baza unui fel de „bun simț”, credeau că forma părții frontale a obiectului determină dimensiunea rezistenței, iar rezistența va fi mică dacă partea din față este mai ascuțită. . Cu teoria stratului limită, este mai important să descoperim forma spatelui obiectului. Deoarece forma spatelui obiectului determină locul în care se separă stratul limită și astfel distribuția presiunii pe suprafața obiectului.
Peștii și păsările obișnuite sunt corpuri aerodinamice relativ perfecte, cu capete rotunde și cozi ascuțite.
03
Rezistență la formă Rezistență frontală
Deși forma din spate a obiectului este decisivă pentru cantitatea de rezistență, forma față este de asemenea importantă. De exemplu, dacă partea din față a obiectului este pătrată, fluidul se va separa devreme la colțurile ascuțite, iar forma atent proiectată a spatelui își va pierde sensul. Pentru camioanele care circulă în prezent pe autostradă, optimizarea formei care s-a realizat este concentrată în principal pe partea din față, iar partea din spate este limitată de forma containerului, astfel încât s-a lucrat mai puțin. Pentru obiectele care se deplasează cu viteză transsonică, unda de șoc va genera rezistență suplimentară, astfel încât partea frontală este proiectată într-o formă foarte ascuțită, astfel încât unghiul conului undei de șoc este mai mic pentru a reduce rezistența.
04
Rezistența undelor de șoc
Când viteza fluxului de intrare se apropie sau depășește viteza sunetului, vor fi generate unde de șoc, care vor aduce o rezistență suplimentară la unde de șoc. În esență, rezistența undelor de șoc este, de asemenea, un fel de rezistență la diferența de presiune, care este cauzată de recuperarea insuficientă a presiunii în jumătatea din spate a obiectului din cauza existenței undelor de șoc. Neglijând pierderea vâscoasă, când nu există undă de șoc, decelerația fluxului de aer în a doua jumătate a obiectului corespunde unei creșteri de presiune Δp1; când există o undă de șoc, fluxul de aer pierde parțial o parte din energia mecanică atunci când trece prin unda de șoc, iar creșterea presiunii Δp2 corespunzătoare aceleiași decelerații va fi mai mică decât Δp1. Prin urmare, atunci când există o undă de șoc, presiunea din jumătatea din spate a obiectului este puțin mai mică, ceea ce este sursa rezistenței undei de șoc. Efectuarea ascuțită a marginii frontale a obiectului poate reduce unghiul conului de șoc, reducând astfel pierderea cauzată de unda de șoc și, de asemenea, reducerea rezistenței undei de șoc. Când nava călătorește pe suprafața apei, va genera valuri de suprafață și va avea, de asemenea, rezistență la val, așa că ar trebui să fie ascuțită, în timp ce submarinul care călătorește sub apă este rotunjit.
Utilizarea pierderii de energie pentru a explica rezistența undelor de șoc nu este suficient de directă. La urma urmei, presiunea și forța vâscoasă de pe suprafața unui obiect sunt factorii care determină în mod direct mărimea rezistenței. În continuare, rezistența undelor de șoc este explicată prin modificarea presiunii de suprafață a obiectului.
05
Efectul formei și al calității suprafeței asupra tragerii
Reducerea rezistenței este o temă eternă a mecanicii fluidelor. Utilizarea liniilor de curgere poate reduce eficient rezistența la presiune diferențială, în principal pentru că nu există o separare a stratului limită pe suprafața unui corp raționalizat bine proiectat, reducând astfel rezistența la presiune diferențială.
Pe lângă formă, rugozitatea suprafeței unui obiect afectează și rezistența. În general, cu cât suprafața este mai netedă, cu atât rezistența la frecare este mai mică, dar uneori suprafața obiectului este aspră în mod intenționat, astfel încât stratul limită devine turbulent pentru a inhiba separarea, reducând astfel semnificativ rezistența diferențială de presiune.
06
Rezuma
Când se analizează rezistența aerodinamică a unui obiect, obiceiul mecanicii fluidelor este de a-l împărți în funcție de forma forței. Rezistența cauzată de presiunea care acționează vertical pe suprafața obiectului se numește rezistență la presiune diferențială, în timp ce rezistența cauzată de forța de frecare paralelă cu suprafața obiectului se numește rezistență de frecare. Deoarece nu există altă forță decât aceste două forțe pe suprafața unui obiect, orice tip de rezistență este fie rezistență la diferența de presiune, fie rezistență la frecare, sau ambele.
Rezistența la diferența de presiune cauzată de separarea fluxului și rezistența la diferența de presiune cauzată de unda de șoc sunt cei mai mari factori care afectează rezistența aerodinamică a obiectelor.
Obiectele subsonice cu rezistență scăzută au capete rotunde și cozi ascuțite, în timp ce obiectele supersonice cu rezistență scăzută au capete ascuțite.
