Virtausvastus on laaja-alainen ongelma. Auton polttoaineenkulutus suurella nopeudella johtuu pääasiassa ilmanvastuksesta eikä maan kitkavastuksesta. Syy, miksi savusumu voi "suspendoitua" ilmaan, johtuu myös virtausvastuksesta. Nämä kaikki osoittavat ilmanvastuksen tärkeyden.
01
Paine-eron vastus ja kitkavastus
Voiman kannalta kohteen vastus on nesteen suora vaikutus sen pintaan. Se, mikä on kohtisuorassa kohteen pintaan nähden, on nesteen paine, ja sen synnyttämää vastusta kutsutaan paine-erovastukseksi; mikä on yhdensuuntainen kohteen pinnan kanssa, on nesteen viskoosi leikkausvoima, ja sen synnyttämää vastusta kutsutaan kitkavastukseksi. Näiden kahden voiman lisäksi ei ole muuta voimaa. Siksi esineen kokonaisvastus on paine-eron vastuksen ja kitkavastuksen resultanttivoima. Paine-eron vastus liittyy läheisesti kohteen muotoon ja kitkavastus pääasiassa kohteen pinta-alaan.
Joissakin paikoissa sanotaan, että paine-erokestävyyden ja kitkan vastustuksen lisäksi on indusoitu vastus, paineaaltokestävyys jne., mikä on väärinkäsitys. Itse asiassa sekä indusoitu resistanssi että paine-aaltovastus voidaan katsoa paine-eron vastus- ja kitkavastukseksi (pääasiassa paine-eron vastus).
02
muotovastus takavastus
Muinaisista ajoista lähtien on tiedetty, että nesteessä liikkuvat esineet kokevat vastusta, ja vastus liittyy läheisesti esineen muotoon. Mutta alkuperäinen nestemekaniikan teoria tuli päinvastaiseen johtopäätökseen. Eulerin ja Bernoullin nesteen liikkeen lakien perusteella, jos nesteen viskositeetti jätetään huomiotta, neste ei tuota vastustusta siinä liikkuville minkään muotoisille esineille.
Vaikuttaa siltä, että vastus johtuu kokonaan viskositeetista, mutta ilman viskositeetti on hyvin pieni ja sen tuottama kitkavastus on paljon pienempi kuin itse mitattu aerodynaaminen vastus. Tämä ristiriita tunnetaan historiassa "D'Alembertin paradoksina", koska sen ehdotti ranskalainen matemaatikko D'Alembert.
Vasta Prandtlin esittäessä rajakerrosteorian ihmiset todella ymmärsivät virtausvastuksen olemuksen. Paine-eron vastustuskyky on aerodynaamisen vastuksen pääkomponentti, kun taas yleisissä kohteissa paine-eron vastustuskyky johtuu pääasiassa rajakerroksen erotuksesta.
Varhaiset ihmiset (ehkä monet ajattelevat niin nyt) jonkinlaiseen "maalaiseen järkeen" perustuen uskoivat, että esineen etuosan muoto määrää vastuksen koon ja vastus on pieni, jos etuosa on terävämpi. . Rajakerroksen teoriassa on tärkeämpää löytää kohteen takaosan muoto. Koska kohteen takaosan muoto määrää rajakerroksen erottumisen ja siten paineen jakautumisen kohteen pinnalla.
Tavalliset kalat ja linnut ovat suhteellisen täydellisiä virtaviivaisia vartaloja, joilla on pyöreät päät ja terävä häntä.
03
Muotovastus Etuvastus
Vaikka kohteen takaosan muoto ratkaisee vastuksen määrän, etuosan muoto on myös tärkeä. Esimerkiksi, jos esineen etuosa on neliön muotoinen, neste erottuu aikaisin terävistä kulmista ja huolellisesti suunniteltu takaosan muoto menettää merkityksensä. Tällä hetkellä maantiellä ajettavissa kuorma-autoissa saavutettu muodon optimointi keskittyy pääosin etuosaan ja takaosaa rajoittaa kontin muoto, joten työtä on tehty vähemmän. Transonisella nopeudella liikkuville esineille iskuaalto synnyttää lisävastusta, joten etuosa on suunniteltu erittäin teräväksi niin, että iskuaallon kartiokulma on pienempi vastuksen vähentämiseksi.
04
Iskuaallon kestävyys
Kun tulevan virtauksen nopeus lähestyy tai ylittää äänen nopeuden, syntyy iskuaaltoja, jotka tuovat lisäiskuaallokestävyyttä. Pohjimmiltaan iskuaaltoresistanssi on myös eräänlainen paine-eron vastustuskyky, joka johtuu riittämättömästä paineen palautumisesta esineen takaosassa paineaaltojen olemassaolon vuoksi. Jättäen huomioimatta viskoosin häviön, kun iskuaaltoa ei ole, ilmavirran hidastuminen kohteen toisella puoliskolla vastaa paineen nousua Δp1; kun on iskuaalto, ilmavirtaus menettää osittain osan mekaanisesta energiasta kulkiessaan iskuaallon läpi ja samaa hidastuvuutta vastaava paineen nousu Δp2 on pienempi kuin Δp1. Siksi, kun esiintyy iskuaalto, paine kohteen takaosassa on hieman alhaisempi, mikä on iskuaaltovastuksen lähde. Esineen etureunan terävöittäminen voi pienentää iskun kartiokulmaa, mikä vähentää iskuaallon aiheuttamaa häviötä ja vähentää myös iskuaallon vastusta. Kun alus kulkee veden pinnalla, se synnyttää pinta-aaltoja ja sillä on myös aallonvastus, joten se tulee tehdä teräväkärkiseksi, kun taas vedenalainen sukellusvene on pyöristetty.
Energiahäviön käyttäminen iskuaaltovastuksen selittämiseen ei ole tarpeeksi suoraa. Loppujen lopuksi kohteen pinnalla oleva paine ja viskoosi voima ovat tekijöitä, jotka määräävät suoraan vastuksen suuruuden. Seuraavaksi iskuaaltoresistanssi selitetään kohteen pintapaineen muutoksella.
05
Muodon ja pinnan laadun vaikutus vastukseen
Resistanssin vähentäminen on nestemekaniikan ikuinen teema. Virtaviivaisten käyttö voi tehokkaasti vähentää paine-eron vastustuskykyä pääasiassa siksi, että hyvin suunnitellun virtaviivaisen kappaleen pinnalla ei ole rajakerroserotusta, mikä vähentää paine-erovastusta.
Muodon lisäksi kohteen pinnan karheus vaikuttaa vastukseen. Yleensä mitä tasaisempi pinta on, sitä pienempi on kitkavastus, mutta joskus kohteen pinta on tarkoituksella karkea, jolloin rajakerroksesta tulee turbulentti estääkseen erottumisen, mikä vähentää merkittävästi paine-eron vastusta.
06
Tee yhteenveto
Esineen aerodynaamista vastusta analysoitaessa nestemekaniikan tapana on jakaa se voiman muodon mukaan. Kohteen pintaan pystysuoraan vaikuttavan paineen aiheuttamaa vastusta kutsutaan paine-erovastukseksi, kun taas kohteen pinnan suuntaisen kitkavoiman aiheuttamaa vastusta kutsutaan kitkavastukseksi. Koska esineen pinnassa ei ole muuta voimaa kuin nämä kaksi voimaa, mikä tahansa vastus on joko paine-erovastusta tai kitkavastusta tai molempia.
Virtauserotuksen aiheuttama paine-erovastus ja iskuaallon aiheuttama paine-eron vastus ovat suurimmat esineiden aerodynaamiseen vastukseen vaikuttavat tekijät.
Aliäänivastuksen pienillä esineillä on pyöreät päät ja terävät hännät, kun taas yliääninopeuden matalavastuksen esineillä on terävät päät.
