Opór przepływu jest szeroko zakrojonym problemem. Zużycie paliwa przez samochód jadący z dużą prędkością wynika głównie z oporu powietrza, a nie z oporu tarcia o podłoże. Powodem, dla którego smog może być „zawieszony” w powietrzu, są również opory przepływu. Wszystko to ilustruje znaczenie oporu powietrza.
01
Opór różnicy ciśnień i opór tarcia
Z punktu widzenia siły opór obiektu jest bezpośrednim działaniem płynu na jego powierzchnię. To, co jest prostopadłe do powierzchni przedmiotu, to ciśnienie płynu, a generowany przez niego opór nazywany jest różnicą ciśnień; to, co jest równoległe do powierzchni przedmiotu, to lepka siła ścinająca płynu, a generowany przez nią opór nazywany jest oporem tarcia. Oprócz tych dwóch sił nie ma innej siły. Dlatego całkowity opór obiektu jest wypadkową siły oporu różnicy ciśnień i oporu tarcia. Opór różnicy ciśnień jest ściśle związany z kształtem przedmiotu, a opór tarcia jest głównie związany z polem powierzchni przedmiotu.
W niektórych miejscach mówi się, że oprócz oporu różnicy ciśnień i oporu tarcia istnieje opór indukowany, opór fali uderzeniowej itp., co jest nieporozumieniem. W rzeczywistości zarówno opór indukowany, jak i opór fali uderzeniowej można przypisać oporowi różnicy ciśnień i oporowi tarcia (głównie oporowi różnicy ciśnień).
02
opór kształtu opór tylny
Od czasów starożytnych wiadomo było, że obiekty poruszające się w płynie napotykają opór, a opór ten jest ściśle związany z kształtem obiektu. Jednak pierwotna teoria mechaniki płynów doszła do przeciwnego wniosku. W oparciu o prawa ruchu płynu Eulera i Bernoulliego, jeśli pominiemy lepkość płynu, płyn nie będzie stawiał oporu poruszającym się w nim obiektom o dowolnym kształcie.
Wydaje się, że opór jest całkowicie spowodowany lepkością, ale lepkość powietrza jest bardzo mała, a wytwarzany przez nią opór tarcia jest znacznie mniejszy niż faktycznie zmierzony opór aerodynamiczny. Ta sprzeczność jest znana w historii jako „paradoks D'Alemberta”, ponieważ została zaproponowana przez francuskiego matematyka D'Alemberta.
Dopiero gdy Prandtl przedstawił teorię warstwy granicznej, ludzie naprawdę zdali sobie sprawę z istoty oporu przepływu. Opór różnicy ciśnień jest głównym składnikiem oporu aerodynamicznego, podczas gdy w przypadku obiektów ogólnych opór różnicy ciśnień wynika głównie z separacji warstwy granicznej.
Wcześni ludzie (może teraz wielu tak myśli) kierując się jakimś „zdrowym rozsądkiem”, wierzyli, że kształt przedniej części przedmiotu określa wielkość oporu, a opór będzie mały, jeśli przednia część będzie ostrzejsza . W przypadku teorii warstwy granicznej ważniejsze jest odkrycie kształtu tylnej części obiektu. Ponieważ kształt tylnej części przedmiotu określa, gdzie oddziela się warstwa graniczna, a tym samym rozkład nacisku na powierzchnię przedmiotu.
Ryby i ptaki pospolite to stosunkowo doskonale opływowe ciała, z okrągłymi głowami i spiczastymi ogonami.
03
Odporność kształtu Odporność przednia
Chociaż kształt tylnej części obiektu ma decydujące znaczenie dla wielkości oporu, ważny jest również kształt przodu. Na przykład, jeśli przód obiektu jest kwadratowy, płyn oddzieli się wcześnie w ostrych rogach, a starannie zaprojektowany kształt tyłu straci swoje znaczenie. W przypadku samochodów ciężarowych poruszających się obecnie po autostradzie, osiągnięta optymalizacja kształtu koncentruje się głównie na przedniej części, a tylna część jest ograniczona kształtem kontenera, więc wykonano mniej pracy. W przypadku obiektów poruszających się z prędkością transoniczną fala uderzeniowa będzie generować dodatkowy opór, dlatego przednia część ma bardzo spiczasty kształt, dzięki czemu kąt stożka fali uderzeniowej jest mniejszy, aby zmniejszyć opór.
04
Odporność na falę uderzeniową
Gdy prędkość przepływu dopływającego zbliża się lub przekracza prędkość dźwięku, generowane będą fale uderzeniowe, które zapewnią dodatkowy opór fali uderzeniowej. Zasadniczo odporność na falę uderzeniową jest również rodzajem odporności na różnicę ciśnień, która jest spowodowana niewystarczającym powrotem ciśnienia w tylnej połowie obiektu z powodu istnienia fal uderzeniowych. Pomijając stratę lepkości, gdy nie ma fali uderzeniowej, opóźnienie przepływu powietrza w drugiej połowie obiektu odpowiada wzrostowi ciśnienia Δp1; gdy występuje fala uderzeniowa, przepływ powietrza częściowo traci część energii mechanicznej przechodząc przez falę uderzeniową, a wzrost ciśnienia Δp2 odpowiadający temu samemu opóźnieniu będzie mniejszy niż Δp1. Dlatego, gdy pojawia się fala uderzeniowa, ciśnienie w tylnej połowie obiektu jest nieco niższe, co jest źródłem oporu fali uderzeniowej. Wyostrzenie przedniej krawędzi obiektu może zmniejszyć kąt stożka uderzeniowego, zmniejszając w ten sposób straty powodowane przez falę uderzeniową, a także zmniejszając odporność na falę uderzeniową. Kiedy statek porusza się po powierzchni wody, będzie generował fale powierzchniowe, a także będzie miał opór falowy, dlatego powinien być spiczasty, podczas gdy łódź podwodna poruszająca się pod wodą jest zaokrąglona.
Wykorzystanie strat energii do wyjaśnienia odporności na falę uderzeniową nie jest wystarczająco bezpośrednie. W końcu ciśnienie i siła lepkości na powierzchni przedmiotu są czynnikami, które bezpośrednio określają wielkość oporu. Następnie opór fali uderzeniowej tłumaczy się zmianą nacisku powierzchniowego obiektu.
05
Wpływ kształtu i jakości powierzchni na opór
Zmniejszanie oporu jest odwiecznym tematem mechaniki płynów. Zastosowanie linii opływowych może skutecznie zmniejszyć opór różnicy ciśnień, głównie dlatego, że nie ma separacji warstwy granicznej na powierzchni dobrze zaprojektowanego opływowego korpusu, zmniejszając w ten sposób opór różnicy ciśnień.
Oprócz kształtu na opór wpływa również chropowatość powierzchni obiektu. Ogólnie rzecz biorąc, im gładsza powierzchnia, tym mniejszy opór tarcia, ale czasami powierzchnia przedmiotu jest celowo szorstka, tak że warstwa graniczna staje się turbulentna, aby zahamować separację, znacznie zmniejszając w ten sposób opór różnicy ciśnień.
06
Podsumować
Podczas analizy oporu aerodynamicznego obiektu zwyczajem mechaniki płynów jest dzielenie go według postaci siły. Opór wywołany ciśnieniem działającym pionowo na powierzchnię przedmiotu nazywany jest oporem różnicy ciśnień, natomiast opór wywołany siłą tarcia równoległą do powierzchni przedmiotu nazywany jest oporem tarcia. Ponieważ na powierzchnię przedmiotu nie działa żadna inna siła niż te dwie siły, każdy rodzaj oporu jest albo oporem różnicy ciśnień, albo oporem tarcia, albo jednym i drugim.
Opór różnicy ciśnień wywołany separacją przepływu oraz opór różnicy ciśnień wywołany falą uderzeniową to największe czynniki wpływające na opór aerodynamiczny obiektów.
Poddźwiękowe obiekty o niskim oporze mają okrągłe głowy i spiczaste ogony, podczas gdy naddźwiękowe obiekty o niskim oporze mają spiczaste końce.
