Аеродинаміка

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Ударна хвиля в повітрі за навколозвукового руху.

Аеродина́міка, розділ механіки суцільних середовищ, який вивчає сили, що виникають у повітрі або газі при русі. Наприклад, потоку повітря навколо об'єктів (наземного транспорту, куль, ракет, літаків, птахів, спортивних м'ячів та інших предметів), що рухаються на великій швидкості в атмосфері.

Аеродинаміка — розділ аеромеханіки про рух газоподібних середовищ (головним чином повітря) та взаємодію між ними і твердими тілами при їхньому відносному русі.

Розділи аеродинаміки[ред.ред. код]

Теоретична аеродинаміка[ред.ред. код]

А. поділяється на теоретичну, експериментальну та прикладну.

Теорет. А. використовує математ. методи дослідження, спираючись на деякі дослідні положення, вводить поняття про ідеальну та в'язку рідину, прилучений вихор тощо. Теорет. основою А. ідеальної рідини є диференційні рівняння, які вперше були подані рос. акад. Л. Ейлером. На основі поняття ідеальної нестисливої рідини видатний вітчизн. вчений М. Є. Жуковський встановив важливу закономірність про підйомну силу крила літака:

 Y = \rho v \Gamma (теорема Жуковського),

де Y — підйомна сила,  \rho  — густина повітря, v — швидкість руху незбуреного потоку, Г — циркуляція швидкості, яку обчислюють за формулою  \Gamma = \int v dA (dA — елемент контура). Частина А., що трактує про рух стисливої рідини (газу), наз. газовою динамікою. Явище стисливості характеризують числом Маха

М = v/a ,

де v — швидкість руху газу (або тіла в газі), a — швидкість звуку в газі.

Число M, при якому в деяких точках потоку (на поверхні тіла) швидкість набуває швидкості звуку, наз. критичним (Мкр). При малих значеннях М газ (повітря) вважають нестисливим. При M > Мкр виникають стрибки ущільнень, в яких змінюються стрибком швидкість, тиск, густина, температура. При наявності таких стрибків аеродинамічний опір значно зростає. В'язкість при значних швидкостях практично проявляється в тонкому шарі, що прилягає до поверхні тіла, яке обтікається, — в пограничному шарі, за допомогою якого визначають вплив в'язкості на лобовий опір (див. Аеродинамічний опір).

Проблеми проектування міжконтинентальних ракет, штучних супутників Землі та космічних кораблів пов'язані з А. надвеликих швидкостей та А. дуже розріджених газів — космічною аеродинамікою.

Експериментальна аеродинаміка[ред.ред. код]

Експериментальна А. розглядає саме явище, досліджує його в аеродинаміч. лабораторіях або в натурі, узагальнює наслідки досліджень, встановлює певні закономірності. В основу експеримент. А. покладена теорія динамічної подібності, яка вчить, що для правильного перенесення результатів досліджень з моделі на натуру треба додержуватись рівності для них т. з. критеріїв, або чисел подібності.

Прикладна аеродинаміка[ред.ред. код]

Прикладна А. пов'язана з тех. застосуваннями теорет. та експеримент. А. до теорії літака, повітряних гвинтів, газових турбін компресорів, реактивних двигунів тощо. Якість цих апаратів значною мірою залежить від стану аеродинаміч. розрахунку. А. широко використовує сучасна теплотехніка для інтенсифікації процесів горіння в топках парових котлів, камерах горіння газових турбін, а також для вентиляції приміщень, охолодження машин та механізмів тощо.

Останнім часом А. використовують в хім. промисловості для інтенсифікації процесів турбулентного змішування газів та рідни в апаратах, де відбуваються хімічні реакції (хімічна аеродинаміка). А. використовується також при розробці і дослідженні ряду процесів у збагаченні корисних копалин (наприклад, всі пневмопроцеси, струминне подрібнення матеріалів), при розрахунку систем провітрювання шахт, рудників тощо.

Повітря. Характеристики повітря[ред.ред. код]

Повітря - суміш газів, складається з молекул ряду хім. елементів, серед яких – азот (78%), кисень (21%) і решта: вуглекислий газ, водень, аргон та ін. Число молекул в одиниці об'єму велике: при температурі 15°С в 1м3 міститься 2,7*1025 молекул. Повітря можна охарактеризувати набором важливих фізичних параметрів, таких як тиск, температура, густина, швидкість звуку в повітрі і т.д. Густина – маса повітря, що знаходиться в одиниці обєму. Температура – міра середньої кінетичної енергії молекул. Швидкість звуку в повітрі залежить лише від температури. Знаючи абсолютну температуру (в Кельвінах) повітря можна вирахувати швидкість звуку . Число Маха – відношення швидкості літака до швидкості звуку. Тиск являє собою силу, що діє на одиницю площі. Молекули повітря знаходяться в неперервному русі, вони зіштовхуються з поверхнями, що його обмежують і відбиваються від них. Сума імпульсів всіх молекул, що падають на дану поверхню за одиницю часу рівна тиску. Зв'язок між тиском p, густиною r і абсолютною температурою T задається формулою:

 p = rRT ,

де R – газова стала, що дорівнює 287,14 м²/с²•К, для повітря.

З цієї формули слідує закон Бойля, згідно з яким при постійній температурі p/r = const, тобто зміна густини прямо пропорційна зміні тиску. Зміна тиску і густини повітря узгоджуються з цими законами. Тиск і густина зменшуються, порівняно з їх значеннями на рівні моря, в 2 рази на висоті 6 км, в 5 разів на висоті 12 км і в 100 разів на висоті 30 км.

В нижніх шарах атмосфери температура повітря також зменшується при збільшенні висоти. Стандартна температура на рівні моря становить 288 К. Вона зменшується до 256 К на висоті 5 км і до 217 К на висоті 12 км. Приклад: при збільшенні висоти знижується температура кипіння води, на висоті 4000 метрів температура кипіння води близько 85° С, що свідчить про залежність тиску повітря від висоти

Повітряні течії. Обтікання тіл. Аеродинамічна труба[ред.ред. код]

Повітряні течії поділяються на ламінарні та турбулентні. Ламінарні течії – повітряні течії, в яких всі частинки (молекули повітря) рухаються по паралельних траєкторіях. Турбулентні – течії, в яких існують завихрення. Для того, щоб чисельно охарактеризувати ламінарність чи турбулентність течії вводять так зване число Рейнольдс, де l – так званий масштаб течії. Якщо число Рейнольдса приймає значення менше 1000, то потік ламінарний, більше 1000 – турбулентний. Дія повітря на об’єкт залежить від форми тіла і його орієнтацію відносно набігаючого потоку. Розглянемо обтікання тіл різної форми.

А) Симетричне обтікання




Б) Несиметричне обтікання, до тіл з несиметричним профілем обтікання відноситься крило літака




Аеродинамічна труба – прилад, який використовують для створення повітряних потоків, та спостереження дії потоків на різні тіла.













Схема найпростішої аеродинамічної труби:


1. повітряний потік 2. піддослідний об’єкт 3. корпус труби 4. гвинт








Закон Бернуллі[ред.ред. код]

Докладніше: Закон Бернуллі

Дана формула відома, як закон Бернулі. Згідно з ним при збільшенні швидкості повітря зменшується його тиск. Таким чином потоки повітря, які рухаються з різними швидкостями чинять різний тиск. На рисунку показано профіль крила літака. Хорда крила – відрізок, що сполучає задню та передню кромки крила.







Верхня поверхня крила більш вигнута, ніж нижня і повітряний потік, що проходить поверх крила вимушений прискорюватись, щоб не відстати від того, що проходить під крилом. В результаті повітря над крилом повинно мати більшу швидкість ніж повітря під крилом і як наслідок (з Закону Бернулі ) тиск під крилом вищий, ніж над крилом. Різниця цих тисків створює підіймальну силу .

Коефіцієнт підіймальної сили прямо пропорційний до кута атаки.









Залежність коефіцієнта підіймальної сили від застосування різних засобів механізації крила. Знизу вгору: крило без механізації, крило з передкрилком, крило з закрилком, крило з двохщільовим закрилком, крило з передкрилком і двохщільовим закрилком,крило з передкрилком , двохщільовим закрилком і відсмоктувачем повітря з області над крилом.



Аеродинамічний опір[ред.ред. код]

Аеродинамічний опір створюється повітрям і перешкоджає руху тіла в повітрі. В залежності від природи аеродинамічний опір поділяється на лобовий опір, опір тертя (в’язкості), індуктивний опір.

Лобовий опір створюється за рахунок зіткнення молекул повітря з лобовою поверхнею тіла, що рухається.

Опір тертя (в’язкості) виникає в зв’язку з тертям повітря об поверхні ЛА.

Індуктивний опір створюється за рахунок перетікання повітря з області під крилом (з високим тиском) в область над крилом (з низьким тиском) через закінцівки крила, що створює завихрення, які чинять опір польоту.










Аеродинамічний опір характеризується коефіцієнтом аеродинамічного опору

Сума сили опору та підіймальної сили, що діє на тіло – повна аеродинамічна сила.






Поляра крила[ред.ред. код]

Докладніше: Поляра крила

Поляра крила – це графік, з якого видно, який необхідно прийняти літаку кут атаки, для того, щоб отримати певні коефіцієнти підіймальної сили та сили опору.








Аеродинамічна якість крила (на графіку – величина К)– відношення Су/Сх, при якому встановлюється найвигідніший кут атаки. Критичний кут атаки – кут атаки, при якому відбувається зрив потоку з крила При виході крила за критичний кут атаки відбувається зрив потоку з крила. Відбувається він завжди не зовсім одночасно на правій і лівій консолях. На зірваній консолі різко падає Y і зростає Х. В результаті літак падає вниз і закручується навколо зірваної консолі. На параплані штопор неможливий. При виході на закритичні кути атаки пара план потрапляє в режим заднього звалювання. Заднє звалювання – це вже не політ, а падіння. Купол параплана падає за спину пілота і складається


Джерела[ред.ред. код]


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.