ลากแอโรไดนามิกคือแรงที่กระทำตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของวัตถุใดๆ มันสามารถอยู่ระหว่างพื้นผิวแข็งสองชั้น แรงต้านต่างจากชุดต้านทานอื่นๆ เช่น แรงเสียดทานแบบแห้ง ซึ่งแทบไม่ขึ้นกับความเร็ว แรงลากจะยึดตามค่าที่กำหนด แม้ว่าสาเหตุสูงสุดของการกระทำคือการเสียดสีหนืด แต่ความปั่นป่วนก็ไม่ขึ้นอยู่กับการกระทำนั้น แรงลากเป็นสัดส่วนกับความเร็วการไหลแบบราบ
แนวคิด
แรงต้านอากาศพลศาสตร์คือแรงที่กระทำต่อวัตถุแข็งที่เคลื่อนที่ในทิศทางของของไหลที่พุ่งเข้ามา ในแง่ของการประมาณค่าสนามใกล้ แรงต้านเป็นผลมาจากการกระจายแรงกดบนพื้นผิวของวัตถุ ซึ่งแสดงโดย D เนื่องจากการเสียดสีของผิวหนังซึ่งเป็นผลมาจากความหนืด แสดงว่า De หรือคำนวณจากมุมมองของสนามการไหล แรงความต้านทานเกิดขึ้นจากปรากฏการณ์ทางธรรมชาติสามประการ: คลื่นกระแทก ชั้นน้ำวน และความหนืด ทั้งหมดนี้สามารถพบได้ในตารางการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์
ภาพรวม
การกระจายแรงกดที่กระทำต่อพื้นผิวของร่างกายส่งผลต่อแรงขนาดใหญ่ พวกเขาสามารถสรุปได้ ส่วนประกอบปลายน้ำของค่านี้ประกอบด้วยพลังลาก Drp เนื่องจากการกระจายของความดันที่ส่งผลต่อร่างกาย ธรรมชาติของแรงเหล่านี้ผสมผสานเอฟเฟกต์คลื่นกระแทก การสร้างระบบน้ำวน และกลไกการปลุก
ความหนืดของของเหลวมีผลอย่างมากต่อการลาก ในกรณีที่ไม่มีส่วนประกอบนี้ แรงกดที่กระทำให้รถช้าลงจะถูกทำให้เป็นกลางโดยกำลังในส่วนท้ายรถและผลักรถไปข้างหน้า สิ่งนี้เรียกว่าการอัดความดัน ส่งผลให้ไม่มีการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ นั่นคือ งานที่ร่างกายทำกับกระแสลมสามารถย้อนกลับและกู้คืนได้ เนื่องจากไม่มีผลกระทบจากการเสียดสีในการเปลี่ยนพลังงานของกระแสลมให้เป็นความร้อน
การคืนแรงดันใช้ได้แม้ในกรณีที่มีการเคลื่อนไหวหนืด อย่างไรก็ตาม ค่านี้ส่งผลให้เกิดพลัง มันเป็นองค์ประกอบหลักของการลากในกรณีของยานพาหนะที่มีบริเวณการไหลแบบแยกส่วนซึ่งการฟื้นตัวของหัวถือว่าค่อนข้างไม่มีประสิทธิภาพ
แรงเสียดทานซึ่งเป็นกำลังสัมผัสบนพื้นผิวเครื่องบิน ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าของชั้นขอบเขตและความหนืด การลากตามหลักอากาศพลศาสตร์ Df คำนวณจากการฉายภาพปลายน้ำของชุดบึงที่ประเมินจากพื้นผิวร่างกาย
ผลรวมของความเสียดทานและความต้านทานแรงดันเรียกว่า ความต้านทานหนืด จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์ ผลกระทบของหล่มเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เกิดเอนโทรปี ค่าความต้านทานความหนืดที่คำนวณได้ Dv ใช้การเปลี่ยนแปลงในค่านี้เพื่อทำนายแรงสะท้อนกลับอย่างแม่นยำ
ที่นี่จำเป็นต้องให้สูตรสำหรับความหนาแน่นของอากาศสำหรับก๊าซด้วย: РV=m/MRT.
เมื่อเครื่องบินผลิตลิฟต์ มีส่วนประกอบอื่นของการผลักกลับ ความต้านทานเหนี่ยวนำ, Di. เกิดจากการเปลี่ยนแปลงการกระจายแรงดันของระบบน้ำวนที่มาพร้อมกับการผลิตลิฟต์ มุมมองลิฟต์ทางเลือกทำได้โดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมของกระแสลม ปีกสกัดกั้นอากาศและบังคับให้เลื่อนลง ส่งผลให้มีแรงต้านที่เท่ากันและตรงข้ามกับปีก ซึ่งก็คือการยก
การเปลี่ยนโมเมนตัมของการไหลของอากาศลงทำให้ค่าย้อนกลับลดลง นั่นเป็นผลมาจากแรงที่กระทำต่อปีกที่กระทำ มวลที่เท่ากันแต่ตรงกันข้ามกระทำที่ด้านหลัง ซึ่งเป็นแรงลากที่ถูกเหนี่ยวนำ มีแนวโน้มที่จะเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดสำหรับเครื่องบินในระหว่างการบินขึ้นหรือลงจอด วัตถุลากอื่น คลื่นลาก (Dw) เกิดจากคลื่นกระแทกที่ความเร็วทรานโซนิกและความเร็วเหนือเสียงของกลไกการบิน การม้วนเหล่านี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในชั้นขอบและการกระจายแรงกดบนพื้นผิวของร่างกาย
ประวัติศาสตร์
ความคิดที่ว่าวัตถุเคลื่อนที่ผ่านอากาศ (สูตรความหนาแน่น) หรือของเหลวอื่น ๆ ที่เผชิญกับการต่อต้านนั้นเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วตั้งแต่สมัยอริสโตเติล บทความโดย Louis Charles Breguet เขียนในปี 1922 เริ่มความพยายามที่จะลดการลากผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพ ผู้เขียนยังคงนำความคิดของเขามาสู่ชีวิต โดยสร้างเครื่องบินที่ทำลายสถิติหลายลำในช่วงปี ค.ศ. 1920 และ 1930 ทฤษฎีเลเยอร์ขอบเขตของ Ludwig Prandtl ในปี 1920 ให้แรงจูงใจในการลดแรงเสียดทาน
การเรียกร้องที่สำคัญอีกประการหนึ่งสำหรับการจัดลำดับเกิดขึ้นโดยเซอร์ เมลวิลล์ โจนส์ ผู้แนะนำแนวคิดเชิงทฤษฎีเพื่อแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการจัดลำดับในการออกแบบเครื่องบินอย่างน่าเชื่อถือ ในปีพ.ศ. 2472 ผลงานของเขาเรื่อง The Streamlined Airplane นำเสนอต่อ Royal Aeronautical Society เป็นผลสำเร็จ เขาเสนอเครื่องบินในอุดมคติที่มีแรงต้านน้อยที่สุด นำไปสู่แนวคิดของเครื่องบินโมโนเพลนที่ "สะอาด" และช่วงล่างแบบพับเก็บได้
แง่มุมหนึ่งของงานของโจนส์ที่ทำให้นักออกแบบในยุคนั้นตกตะลึงมากที่สุดก็คือพล็อตเรื่องพลังม้ากับความเร็วสำหรับเครื่องบินจริงและในอุดมคติ หากคุณดูที่จุดข้อมูลของเครื่องบินและคาดการณ์ในแนวนอนจนเป็นเส้นโค้งที่สมบูรณ์แบบ คุณจะเห็นผลตอบแทนในเร็วๆ นี้สำหรับกำลังเดียวกัน เมื่อโจนส์เสร็จสิ้นการนำเสนอของเขา หนึ่งในผู้ฟังระดับความสำคัญเป็นวัฏจักรคาร์โนต์ในอุณหพลศาสตร์
แรงต้านที่เกิดจากแรงยก
ฟันเฟืองที่เกิดจากการยกตัวเป็นผลมาจากการสร้างความลาดชันบนร่างกายสามมิติ เช่น ปีกเครื่องบินหรือลำตัวเครื่องบิน การเบรกแบบเหนี่ยวนำประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วน:
- ลากเนื่องจากสร้างกระแสน้ำวนตามมา
- มีการลากหนืดเพิ่มเติมซึ่งไม่มีเมื่อยกเป็นศูนย์
กระแสน้ำวนกลับในกระแสน้ำที่เกิดขึ้นจากการยกตัวเกิดจากการผสมกันของอากาศด้านบนและด้านล่างของวัตถุอย่างปั่นป่วนซึ่งไหลไปหลายทิศทางอันเป็นผลมาจากการสร้างลิฟต์.
ด้วยพารามิเตอร์อื่นๆ ที่ยังคงเหมือนกับลิฟต์ที่สร้างขึ้นโดยร่างกาย แรงต้านที่เกิดจากความชันก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าเมื่อมุมของการโจมตีของปีกเพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การยกจะเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับการสะท้อนกลับ ที่จุดเริ่มต้นของแผงลอย แรงแอโรไดนามิกที่คว่ำจะลดลงอย่างมาก เช่นเดียวกับการลากที่เกิดจากการยก แต่ค่านี้เพิ่มขึ้นเนื่องจากการก่อตัวของกระแสน้ำที่ปั่นป่วนหลังจากร่างกาย
ลากปลอม
นี่คือแนวต้านที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เป็นของแข็งผ่านของเหลว Parasitic drag มีองค์ประกอบหลายอย่าง รวมถึงการเคลื่อนไหวเนื่องจากแรงกดหนืดและเนื่องจากความขรุขระของพื้นผิว (การเสียดสีผิวหนัง) นอกจากนี้ การมีอยู่ของวัตถุหลายตัวในบริเวณใกล้เคียงกันสามารถทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าความต้านทานการรบกวน ซึ่งบางครั้งอธิบายว่าเป็นส่วนประกอบของคำนี้
ในการบิน การชักนำให้เกิดฟันเฟืองมีแนวโน้มที่จะแข็งแกร่งขึ้นด้วยความเร็วที่ต่ำกว่า เนื่องจากต้องใช้มุมโจมตีสูงเพื่อรักษาแรงยก อย่างไรก็ตาม เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ก็สามารถลดลงได้เช่นเดียวกับการลากจูง อย่างไรก็ตาม การลากของปรสิตจะเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากของเหลวจะไหลเร็วขึ้นรอบๆ วัตถุที่ยื่นออกมา ทำให้เกิดแรงเสียดทานมากขึ้น
ที่ความเร็วสูงขึ้น (transonic) ลากคลื่นถึงระดับใหม่ แรงผลักแต่ละรูปแบบเหล่านี้แตกต่างกันไปตามสัดส่วนขึ้นอยู่กับความเร็ว ดังนั้นเส้นโค้งลากโดยรวมจะแสดงค่าต่ำสุดที่ความเร็วอากาศ - เครื่องบินจะอยู่ที่หรือใกล้ประสิทธิภาพสูงสุด นักบินจะใช้ความเร็วนี้เพื่อเพิ่มความทนทาน (การสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงขั้นต่ำ) หรือระยะเหินในกรณีที่เครื่องยนต์ขัดข้อง
เส้นโค้งกำลังการบิน
ปฏิสัมพันธ์ของปรสิตและลากจูงตามหน้าที่ของความเร็วอากาศสามารถแสดงเป็นเส้นลักษณะเฉพาะได้ ในการบิน มักเรียกว่าเส้นโค้งกำลัง เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักบิน เพราะมันแสดงให้เห็นว่าความเร็วอากาศต่ำกว่าระดับใด และโดยสัญชาตญาณ จำเป็นต้องมีแรงขับมากขึ้นเพื่อรักษาความเร็วอากาศให้ต่ำลง ไม่น้อย ความหมายของการเป็น "เบื้องหลัง" ในการบินมีความสำคัญและได้รับการสอนโดยเป็นส่วนหนึ่งของการฝึกนักบิน บนเปรี้ยงปร้างความเร็วเครื่องบินที่รูปตัว U ของเส้นโค้งนี้มีความสำคัญ การลากคลื่นยังไม่เป็นปัจจัย จึงไม่ปรากฏบนเส้นโค้ง
เบรกในกระแสทรานโซนิกและเหนือเสียง
การลากคลื่นอัดเป็นแรงลากที่เกิดขึ้นเมื่อร่างกายเคลื่อนที่ผ่านของเหลวที่อัดได้และด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วของเสียงในน้ำ ในทางแอโรไดนามิก คลื่นลากมีองค์ประกอบหลายอย่างขึ้นอยู่กับโหมดการขับขี่
ในอากาศพลศาสตร์การบิน transonic การลากคลื่นเป็นผลมาจากการก่อตัวของคลื่นกระแทกในของเหลวซึ่งเกิดขึ้นเมื่อสร้างพื้นที่ท้องถิ่นของการไหลเหนือเสียง ในทางปฏิบัติ การเคลื่อนไหวดังกล่าวเกิดขึ้นกับวัตถุที่เคลื่อนที่ได้ต่ำกว่าความเร็วของสัญญาณ เนื่องจากความเร็วของอากาศในพื้นที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม การไหลของความเร็วเหนือเสียงเต็มเหนือตัวรถจะไม่พัฒนาจนกว่าค่าจะไปไกลกว่านี้มาก เครื่องบินที่บินด้วยความเร็วทรานโซนิกมักพบกับสภาพคลื่นในระหว่างการบินปกติ ในการบินแบบทรานโซนิก แรงผลักนี้มักเรียกว่าการลากแบบบีบอัดแบบทรานโซนิก มันทวีความรุนแรงขึ้นอย่างมากเมื่อความเร็วของการบินเพิ่มขึ้น เหนือกว่ารูปแบบอื่นๆ ด้วยความเร็วเหล่านั้น
ในการบินด้วยความเร็วเหนือเสียง คลื่นลากเป็นผลมาจากคลื่นกระแทกที่มีอยู่ในของเหลวและยึดติดกับร่างกาย ก่อตัวขึ้นที่ขอบชั้นนำและด้านท้ายของร่างกาย ในกระแสน้ำเหนือเสียงหรือในลำเรือที่มีมุมการหมุนที่ใหญ่เพียงพอ จะมี. แทนเกิดการกระแทกหลวมหรือคลื่นโค้ง นอกจากนี้ พื้นที่ท้องถิ่นของกระแสทรานส์โซนิกสามารถเกิดขึ้นได้ที่ความเร็วเหนือเสียงที่ต่ำกว่า บางครั้งพวกมันนำไปสู่การพัฒนาของคลื่นกระแทกเพิ่มเติมที่ปรากฏบนพื้นผิวของตัวยกอื่นๆ คล้ายกับที่พบในกระแสทรานโซนิก ในระบบการไหลที่ทรงพลัง ความต้านทานคลื่นมักจะแบ่งออกเป็นสององค์ประกอบ:
- ลิฟต์ซุปเปอร์โซนิกตามค่า
- ปริมาณ ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับแนวคิดด้วย
Sears และ Haack ค้นพบวิธีแก้ปัญหาแบบปิดสำหรับการต้านทานคลื่นขั้นต่ำของตัวของการปฏิวัติที่มีความยาวคงที่ และเป็นที่รู้จักในชื่อ "Seers-Haack Distribution" ในทำนองเดียวกัน สำหรับปริมาตรคงที่ รูปแบบของความต้านทานคลื่นต่ำสุดคือ "Von Karman Ogive"
โดยหลักการแล้วเครื่องบินปีกสองชั้นของ Busemann จะไม่อยู่ภายใต้การดำเนินการดังกล่าวเลยเมื่อทำงานด้วยความเร็วที่ออกแบบ แต่ก็ไม่สามารถสร้างลิฟต์ขึ้นได้
สินค้า
อุโมงค์ลมเป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวิจัยเพื่อศึกษาผลกระทบของอากาศที่เคลื่อนผ่านวัตถุที่เป็นของแข็ง การออกแบบนี้ประกอบด้วยทางเดินแบบท่อโดยวางวัตถุที่ทดสอบไว้ตรงกลาง อากาศเคลื่อนผ่านวัตถุด้วยระบบพัดลมทรงพลังหรือวิธีการอื่น วัตถุทดสอบซึ่งมักเรียกว่าแบบจำลองท่อนั้นติดตั้งเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมเพื่อวัดแรงลม การกระจายแรงดัน หรืออื่นๆลักษณะอากาศพลศาสตร์ นอกจากนี้ยังจำเป็นในการสังเกตและแก้ไขปัญหาในระบบให้ทันเวลา
เครื่องบินประเภทไหน
ดูประวัติกันก่อนนะครับ อุโมงค์ลมที่เก่าแก่ที่สุดถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 ในช่วงแรกของการวิจัยการบิน ในตอนนั้นเองที่หลายคนพยายามพัฒนาเครื่องบินที่หนักกว่าอากาศให้ประสบความสำเร็จ อุโมงค์ลมถูกคิดค้นขึ้นเพื่อเป็นการย้อนกลับกระบวนทัศน์แบบเดิม แทนที่จะยืนนิ่งและเคลื่อนวัตถุผ่านเข้าไป จะได้ผลเช่นเดียวกันหากวัตถุหยุดนิ่งและอากาศเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกว่า ด้วยวิธีนี้ ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งสามารถศึกษาผลิตภัณฑ์บินจริงและวัดแอโรไดนามิกที่ใช้งานได้จริง
การพัฒนาท่อควบคู่ไปกับการพัฒนาเครื่องบิน รายการแอโรไดนามิกขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง การทดสอบในท่อดังกล่าวถือเป็นกลยุทธ์ที่สำคัญในระหว่างการพัฒนาเครื่องบินและขีปนาวุธเหนือเสียงในช่วงสงครามเย็น วันนี้เครื่องบินเป็นอะไรก็ได้ และพัฒนาการที่สำคัญที่สุดเกือบทั้งหมดได้ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันแล้ว
การวิจัยอุโมงค์ลมในเวลาต่อมากลายเป็นเรื่องสำคัญ ต้องมีการศึกษาผลกระทบของลมต่อโครงสร้างหรือวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นเมื่ออาคารสูงพอที่จะทำให้พื้นผิวขนาดใหญ่รับลมได้ และแรงที่เกิดขึ้นจะต้องต้านทานด้วยองค์ประกอบภายในของอาคาร จำเป็นต้องมีคำจำกัดความของชุดดังกล่าวก่อนที่รหัสอาคารจะทำได้กำหนดความแข็งแรงของโครงสร้างที่ต้องการ และการทดสอบดังกล่าวยังคงใช้สำหรับอาคารขนาดใหญ่หรือผิดปกติมาจนถึงทุกวันนี้
ต่อมา ก็มีการตรวจสอบการลากรถตามหลักอากาศพลศาสตร์ แต่นี่ไม่ใช่การกำหนดกำลังเช่นนี้ แต่เพื่อกำหนดวิธีการลดกำลังที่ต้องใช้ในการเคลื่อนรถไปตามท้องถนนด้วยความเร็วที่กำหนด ในการศึกษาเหล่านี้ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างถนนและยานพาหนะมีบทบาทสำคัญ เป็นผู้ที่ต้องนำมาพิจารณาในการตีความผลการทดสอบ
ในสถานการณ์จริง ถนนเคลื่อนที่สัมพันธ์กับรถ แต่อากาศยังคงสัมพันธ์กับถนน แต่ในอุโมงค์ลม อากาศจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับถนน ในขณะที่ส่วนหลังนั้นอยู่กับที่เมื่อเทียบกับตัวรถ อุโมงค์ลมของรถทดสอบบางแห่งมีสายพานเคลื่อนที่อยู่ใต้รถทดสอบ เพื่อจะได้ใกล้ชิดกับสภาพจริงมากขึ้น อุปกรณ์ที่คล้ายกันนี้ใช้ในการกำหนดค่าการขึ้นและลงของอุโมงค์ลม
อุปกรณ์
ตัวอย่างอุปกรณ์กีฬาก็มีให้เห็นกันทั่วไปมานานหลายปีแล้ว พวกเขารวมถึงไม้กอล์ฟและลูก, บ็อบสเลดและนักปั่นจักรยานโอลิมปิกและหมวกกันน็อครถแข่ง แอโรไดนามิกของรุ่นหลังมีความสำคัญอย่างยิ่งในรถยนต์ที่มีห้องโดยสารเปิด (Indycar, Formula One) แรงยกที่มากเกินไปบนหมวกกันน็อคอาจทำให้เกิดความเครียดได้ที่คอของคนขับและการแยกการไหลที่ด้านหลังเป็นตราประทับปั่นป่วนและทำให้การมองเห็นบกพร่องด้วยความเร็วสูง
ความก้าวหน้าในการจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) บนคอมพิวเตอร์ดิจิทัลความเร็วสูงช่วยลดความจำเป็นในการทดสอบอุโมงค์ลม อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ CFD ยังคงไม่น่าเชื่อถืออย่างสมบูรณ์ เครื่องมือนี้ใช้เพื่อตรวจสอบการคาดการณ์ CFD
