Πώς δημιουργείται η δύναμη ανύψωσης και αντίστασης στα αγωνιστικά αυτοκίνητα

Ορισμός και μαθηματική εξήγηση της δύναμης έλξης και της δύναμης ανύψωσης

Δύναμη έλξης και δύναμη ανύψωσης.

Σε αυτό το μάθημα (για το προηγούμενο σχετικά με τους αεροδυναμικούς συντελεστές ελέγξτε εδώ) η έννοια της αεροδυναμικής ανελκυστήρας και δύναμη έλξης θα εισαχθεί. Δεδομένου ότι πρόκειται για βασικές έννοιες, ο αναγνώστης που είναι ήδη πρακτικός με αυτές τις έννοιες μπορεί να παραλείψει αυτό το μάθημα. Ας μιλήσουμε για δύο από τα πιο σημαντικά αποτελέσματα μιας ανάλυσης ρευστοδυναμικής!

Πώς δημιουργείται η δύναμη αντίστασης και ανύψωσης: η εξήγηση της πίεσης.

Γενικά, η αλληλεπίδραση του ρευστού (π.χ. αέρα) με το σώμα (π.χ. αεροτομή) παράγει μια συνισταμένη δύναμη σε αυτό. Για την αρχή δράσης-αντίδρασης, η ίδια δύναμη με αντίθετο πρόσημο ασκείται στο ρευστό που κινείται. Η συνιστώσα αυτής της προκύπτουσας δύναμης που είναι ευθυγραμμισμένη με τη ροή ονομάζεται ΔΥΝΑΜΗ ΣΑΡΩΣΗΣ, ενώ η κάθετη στη διεύθυνση ροής αναφέρεται ως ΔΥΝΑΜΗ ΑΝΥΨΩΣΗΣ. Φυσικά η συνολική συνισταμένη που μπορεί να προβάλλεται σύμφωνα με το προτιμώμενο σύστημα αναφοράς, αποτελείται από το άθροισμα των δυνάμεις πίεσης και διατμητικές τάσεις που δρουν στην επιφάνεια του σώματος. Όπως βλέπουμε από την εικόνα, το ολοκλήρωμα αυτών των δράσεων μας δίνει τις δυνάμεις (και τη ροπή) που ασκούνται στο συγκεκριμένο σώμα.

Πώς δημιουργείται η δύναμη αντίστασης και ανύψωσης: ο δεύτερος νόμος της δυναμικής.

Δεν είμαστε εδώ για να αφιερώσουμε πολύ χρόνο σε τύπους, αλλά μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι στην αριστερή πλευρά έχουμε τις δυνάμεις αδράνειας, ενώ στην αριστερή πλευρά έχουμε τις δυνάμεις πίεσης και τις ιξώδεις δυνάμεις. Η δεύτερη εξίσωση που αναφέρεται είναι η μεταγραφή της δεύτερος νόμος της δυναμικής για τα ρευστά. Η εξίσωση έχει απλοποιηθεί (θα πρέπει να εμφανιστεί επίσης ένας όρος με την απόκλιση της ταχύτητας) υποθέτοντας ότι ασυμπίεστο ρευστό. Στην πραγματικότητα, η πρώτη εξίσωση δηλώνει τη συνθήκη ασυμπίεσης του ρευστού, η οποία προκύπτει γράφοντας την εξίσωση ισοζυγίου μάζας. Η πυκνότητα συμβολίζεται με rho, το v προσδιορίζει την ταχύτητα, το p την πίεση, ενώ το mu είναι το δυναμικό ιξώδες του ρευστού.

Πώς δημιουργείται η δύναμη αντίστασης και ανύψωσης: ισορροπία ορμής.

Μια απλή άποψη της δύναμης που ανταλλάσσεται μεταξύ του σώματος και του υγρού γίνεται σαφής στην παρακάτω εικόνα. Η ορμή του ρευστού (ένα διανυσματικό μέγεθος) έχει αλλάξει αν συγκρίνουμε την ορμή εισόδου και την ορμή εξόδου. Η η μεταβολή της ορμής ισούται με τη δύναμη που ασκείται στο ρευστό. Για τους αναγνώστες μας, δίνουμε επίσης μια ενεργειακή εξήγηση της οπισθέλκουσας. Το αντικείμενό μας, που κινείται μέσα στο ρευστό, διαταράσσει το πεδίο. Ερευνούμε την ενέργεια στο επίπεδο κατά την κίνηση -x: η τιμή της δεν είναι μηδέν, αφού η στροβιλότητα του ρευστού εισάγει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας στο πεδίο του ρευστού. Η ενέργεια που εισάγεται στο σύστημα ισούται με το έργο που επιτελείται από εξωτερικές δυνάμεις, σε αυτή την περίπτωση το αντικείμενο κινείται κυρίως στην κατεύθυνση x, οπότε το μεγάλο μέρος του έργου καθορίζεται από την αντίσταση επί την απόσταση που διανύει x. Έτσι έχουμε τη σημαντική υπόδειξη ότι η η δύναμη αντίστασης συνδέεται στενά με τη στροβιλότητα που εισάγεται στο πεδίο. Όσο πιο συμπυκνωμένο είναι το στροβιλισμός, τόσο περισσότερο αυξάνεται η αντίσταση έχουμε.

Οι συνιστώσες της δύναμης αντίστασης.

Οι δύο βασικοί όροι από τους οποίους αποτελείται το drag είναι οι εξής: ιξώδης αντίσταση (Df) και αντίσταση πίεσης (Dp). Ο ιξώδης όρος είναι κυρίαρχος για τα αεροδυναμικά σχήματα, ενώ οι όροι πίεσης έχουν μεγάλο αντίκτυπο στη συνολική αντίσταση σε αβαθή σώματα. Είναι σημαντικό να επισημανθεί ότι ένα το βελτιωμένο σώμα μπορεί να συμπεριφερθεί ως σώμα μπλόφας σε υψηλή γωνία προσβολής (όταν το οριακό στρώμα αποκολλάται).

Η προέλευση της δύναμης ανύψωσης (downforce).

Μιλώντας για τον ανελκυστήρα, πρέπει να μιλήσουμε για την προέλευση. Ειδικότερα, εδώ παρακάτω, η ερμηνεία της στροβιλότητας αναφέρεται. Η στροβιλότητα είναι απαραίτητη για την ανύψωση. Όπως προκύπτει από το Θεώρημα Kutta-Joukowsky, χωρίς στροβιλισμό δεν υπάρχει ανύψωση. Η στροβιλότητα παράγεται από τη διατμητική τριβή στο τοίχωμα. Όταν ένα σώμα τοποθετείται μέσα σε μια ροή, η στροβιλότητα παράγεται παρορμητικά στο τοίχωμα και απελευθερώνεται στην ουρά. Περιμένετε! Λέτε ότι το πεδίο στροβιλότητας είναι μη περιστροφικό (σας το είπαν στη σχολή), σωστά!!! Είναι μηδενικό, αλλά σε ολόκληρο το πεδίο. Στην πραγματικότητα, κοντά στο σώμα (αεροτομή) παράγεται και αντίθετη δίνη και είναι η αιτία της άνωσης. Ο όρος tau στη γνωστή έκφραση Kutta (2D σώματα) ταυτίζει τη στροβιλότητα.

Η στροβιλότητα είναι το κλειδί για τη δημιουργία ανυψωτικής δύναμης.

Έτσι, σε αυτό το μάθημα μάθαμε τη φυσική των δυνάμεων αντίστασης και ανύψωσης. Ehi, αναρωτιέστε ακόμα γιατί η στροβιλότητα δεν μπορεί να είναι μηδενική γύρω από την αεροτομή (εντός του οριακού στρώματος); Σκεφτείτε λίγο την ορισμός της στροβιλότητας:

Η στροβιλότητα παράγεται στο τοίχωμα λόγω της κατάστασης μη ολίσθησης. Θυμηθείτε ότι μια διαφορετική ταχύτητα μεταξύ της κάτω και της άνω πλευράς καθορίζει μια μη μηδενική στροβιλότητα! Στο επόμενο μάθημα, θα εισαγάγουμε την έννοια της laminar και τυρβώδης ροές και η επίδρασή τους στους αεροδυναμικούς συντελεστές.