Opór aerodynamiczny
Opór aerodynamiczny - składowa wektora siły aerodynamicznej równoległa do kierunku ruchu ciała względem płynu (w szczególności powietrza). Siła aerodynamiczna powstaje podczas ruchu ciała w płynie, przyłożona jest do tego ciała.
Siła aerodynamiczna jest sumą sił działających na małe elementy powierzchni ciała. Wynika z nierównomiernego rozkładu ciśnienia na powierzchni ciała, gdy porusza się ono w płynie oraz z istnienia sił tarcia stycznych do tej powierzchni, które są wynikiem lepkości. Siły lepkie dominują przy małych prędkościach (niewielkiej liczbie Reynoldsa (Re)) i są wprost proporcjonalne do prędkości ciała. Siły wywołane nierównomiernym rozkładem ciśnienia dominują przy dużych prędkościach i są proporcjonalne do kwadratu prędkości.
Opływ płynu wokół ciała powoduje zmiany rozkładu ciśnienia. W uproszczeniu – powstaje nadciśnienie na powierzchni natarcia (stronie nawietrznej) i podciśnienie na stronie przeciwnej (zawietrznej).
Dla prostych (w sensie geometrycznym) ciał poruszających się z niewielką prędkością (przepływ laminarny wokół ciała) istnieje kilka teorii opisujących opór aerodynamiczny np. prawo Stokesa dla kuli.
Ogólnie siłę oporu w dowolnym przypadku oblicza się z zależności:
gdzie:
– siła oporu; jest skierowana przeciwnie do prędkości ciała względem płynu;- CD – współczynnik siły oporu (w literaturze polskiej i nie tylko polskiej zwykle oznaczany przez Cx);
- S – powierzchnia rzutu ciała na płaszczyznę prostopadłą do kierunku ruchu względnego ciała i płynu; upraszczając powierzchnia jaka jest "wystawiona" w kierunku przepływu;
- pd – ciśnienie dynamiczne;
– prędkość ciała względem płynu- ρf – gęstość płynu.
Spis treści |
[edytuj] Współczynnik siły oporu
Jest wyznaczany empirycznie, bądź metodami CFD. Jest to bezwymiarowy współczynnik, zależny od kształtu, kątowej orientacji poruszającego się ciała, liczby Reynoldsa (Re) i liczby Macha (Ma). Dla kuli Cx wynosi około 0,45 a dla samochodów osobowych około 0,30. Rośnie znacznie przy zbliżaniu się do prędkości dźwięku w płynie, co przyczyniło się do powstania określenia bariera dźwięku.
[edytuj] Opór a turbulencje
Dla przepływów w zakresach dużych Re , w których warstwa przyścienna jest turbulentna (od Re równego około 300 do 350 000 dla gładkiej kuli) współczynnik siły oporu jest stały. W przypadku przekroczenia krytycznej liczby Reynoldsa (350 000, a mniejszej dla chropowatych ciał) punkt oderwania warstwy przyściennej przesuwa się w kierunku przepływu. Obszar cienia aerodynamicznego za opływanym ciałem jest wówczas węższy, co powoduje spadek współczynnika oporu. Zwężenie się śladu aerodynamicznego spowodowane jest mieszaniem się turbulentnym płynu, który uzyskuje wówczas większą energię kinetyczną i nie ulega tak łatwo oderwaniu. Czasami stosowane jest celowe wymuszanie przejścia laminarno-turbulentnego: umieszcza się z przodu opływanego przedmiotu tzw. turbulizatory. Stosuje się to czasem na łopatkach wirnika turbin, oraz na skrzydłach samolotów. Turbulizatory mają kształt np. pofalowanych drutów przyklejonych wzdłuż skrzydła.
[edytuj] Opór indukowany
Jeżeli poruszające się ciało wytwarza siłę nośną, powstaje dodatkowo opór związany z wytwarzaniem siły nośnej, zwany oporem indukowanym. Jest to opór powstający w wyniku zawirowań na końcach płata spowodowany wyrównywaniem się ciśnień na górnej i dolnej powierzchni płata. Dla przykładu dla skrzydła samolotu współczynnik oporu indukowanego wyraża się wzorem:
-
- gdzie λ nazywa się wydłużeniem skrzydła i określone jest zależnością:
- gdzie
- c - średnia cięciwa skrzydła,
- S - pole jego powierzchni,
- Cz - współczynnik siły nośnej.
Uzasadnia to stosowanie długich wąskich skrzydeł u szybowców i innych samolotów latających z wykorzystaniem dużych współczynników siły nośnej, a także wskazuje przyczynę, dla której współczesny wyczynowy jacht żaglowy ma smukły kil, miecz i ster - a także wysokie i wąskie żagle.