نقل قول جان اندرسون مبانی آیرودینامیک:
"جریان سه بعدی به سادگی توزیع فشار را در بال محدود تغییر می دهد به گونه ای که عدم تعادل فشار خالص در جهت V∞ وجود دارد (یعنی پسا ایجاد می شود). از این نظر، کشش القایی نوعی "فشار" است. بکشید."
بال در 15 درجه AoA که در آسمان پرواز می کند و همان وزن بال را تولید می کند...
AXIOM: سیال فقط به دو صورت می تواند به جسم نیرو وارد کند: فشار (نیروی عادی) و ویسکوزیته (نیروی مماسی).
ادغام تمام نیروهای مماس در بال، نیروی حاصل را می دهد. جزء در جهت عقب موازی با جریان آزاد، SKIN FRICTION DRAG است.
ادغام فشار استاتیک در کل بال، نیروی فشار حاصل را ایجاد می کند. جزء آن نیرو در جهت عقب موازی با جریان آزاد، PRESSURE DRAG است.
چه چیزی جز کشش القا شده است، چگونه کشش القایی (که درگ فشار است) را از کشش فشار در هنگام تولید بالابر بال تشخیص دهید؟
روش های مختلفی برای تجزیه نیروهای بالابر و درگ وجود دارد و متأسفانه با یکدیگر سازگار نیستند.
اگر میدان جریان را میدانید (مثلاً به این دلیل که شبیهسازی CFD را اجرا میکردید)، برای محاسبه لیفت و کشیدن، باید ادغام کنید:
نیروهای فشار (یعنی بار فشار موضعی سطح نرمال، بیش از سطح)
نیروهای چسبناک (تنش لزج موضعی ضربدر جهت برشی، روی سطح) تنش برشی مماس بر سطح موضعی است، اما از آنجایی که همه سطوح بر جهت پرواز مماس نیستند، این امر بر روی بالابر و درگ تأثیر میگذارد (اگرچه معمولاً برای کشیدن بسیار بیشتر است).
این به شما دو بردار نیرو می دهد، و بعد از اینکه آنها را جمع کردید، سپس می توانید آنها را به یک جزء که موازی با جهت جریان است (کشیدن) و یکی که با آن عادی است (بالا) تجزیه کنید. (فعلا نیروهای spanwise را فراموش کنیم...). با نگاه کردن به درگ، مطمئناً می توانید ببینید که کدام قسمت از نیروهای فشار و کدام از نیروهای ویسکوز می آید.
بعد، کشش القایی: این در واقع یک تعریف تا حدودی تئوری است، و اکثر مردم امروزه در مورد درگ "وابسته به بالابر" صحبت می کنند. این به این معنی است که: ایرفویل به دلیل اینکه بالابر ایجاد می کند، چقدر نیروی کشش بیشتری تولید می کند؟ با فرض یک ایرفویل بدون خار، کمترین درگ در AoA=0° است، زمانی که لیفت نیز صفر است، بنابراین تمام درگ اضافی که در AoA=15° دریافت می کنیم، وابسته به بالابر است. با فرض یک ایرفویل خاردار، کمترین پسا در واقع در حالت بالابر صفر نیست، و همچنین در AoA=0 درجه نیست، بنابراین در کمترین پسا، در واقع مقداری بالابر تولید می کند -- بنابراین ... کشش وابسته به بالابر منفی! فقط به این قطبهای درگ نگاه کنید: قطبهای ایرفویلهای به شدت خاردار را بکشید آیا این بدان معناست که ما درگ القایی منفی داریم؟ استفاده از تعریف ما در حال حاضر دشوار شده است. پس بیایید فعلا ایرفویل را خالی نگه داریم، به این معنی که کمترین درگ نیز در AoA=0 است، جایی که ما هیچ بالابری تولید نمی کنیم.
بنابراین، در این شرایط، وقتی AoA را افزایش میدهیم، چه اتفاقی میافتد؟ البته فشار روی قسمت بالایی بال کاهش می یابد و در سمت پایین افزایش می یابد. این بدان معنی است که ما نیروی فشاری دریافت می کنیم که بیشتر به سمت بالا (بالا) و همچنین تا حدودی به سمت عقب (کشیدن) اشاره می کند. اما ما در حال تسریع جریان در سمت بالا هستیم که اصطکاک را در آنجا افزایش می دهد. ما در سمت پایین کاهش میدهیم، اما این اثر کمی کمتر است. این بدان معنی است که ما مقداری کشش اصطکاک اضافی دریافت می کنیم. اما این همه ماجرا نیست! به دلیل اصطکاک اضافی در سمت بالا، لایه مرزی سریعتر از آنچه که در غیر این صورت رشد می کند، تغییر می کند، خطوط جریان را تغییر می دهد، که به نوبه خود توزیع فشار را تغییر می دهد و باعث کشش فشار اضافی می شود. این به این معنی است: اگر ما اکنون اصطکاک را خاموش کنیم، در واقع کشش فشار را نیز کاهش میدهیم!
بنابراین، واقعاً نمیتوانیم به تغییر درگ فشار اشاره کنیم و آن را درگ القایی بنامیم.
این بدان معناست که ما جریان بالقوه ساده را فرض میکنیم، و شاید بر اساس سرعت پرواز و مساحت سطح، تخمینی از کشش چسبناک اضافه میکنیم، که تحت تأثیر توزیع فشار قرار نمیگیرد. در آن صورت، ما هیچ کشش فشاری روی ایرفویل متقارن خود در AoA=0° نخواهیم داشت، و تمام کشش فشاری که در AoA=15 درجه دریافت میکنیم، صرفاً به این دلیل است که فشار روی ایرفویل به طور طبیعی به سطح فشار میآورد. سمت بالا نیز تا حدودی رو به عقب است، زیرا در جهت جریان است. اکنون، تمام کشش فشار در واقع به دلیل بالابر و کشش چسبناک استتحت تاثیر آسانسور نیست.
بنابراین، تا به حال من در مورد درگ "وابسته به بالابر" صحبت می کردم. اما درگ "القایی" چطور؟ متداول ترین تعریف برای درگ القایی، درگ ایجاد شده است زیرا بال گرداب های دنباله دار تولید می کند. بنابراین تمام انرژی جنبشی در گرداب های نوک بال (و همچنین در ورتکس پشت بال در هر جایی که بالابر در جهت عرضی تغییر می کند) باید از جایی به دست بیاید و به آن کشش القایی می گویند. حداقل در فیزیک ساده، این در واقع کاملاً کشش فشار است -- اما لزوماً تمام کشش فشار را توضیح نمی دهد. برای مثال یک بال بی نهایت را تصور کنید. بدون تغییر در توزیع بالابر، بدون گردابه های دنباله دار، اما باید مقداری کشش فشار داشته باشد! از نظر ریاضی، این را می توان با این فرض حل کرد که وقتی بال شتاب گرفت یا AoA را افزایش داد، یک گرداب موازی ایجاد کرد که آن را پشت سر گذاشت و از طریق دو گردابه خیالی نوک بال در بی نهایت تغذیه می کند. اما اگر یک نمایه دوبعدی را در یک تونل باد اندازه گیری کنید یا با روش های مدرن CFD شبیه سازی کنید، بخش وابسته به بالابر درگ بسیار بزرگتر از آن است، زیرا درگ القایی نظری در کنار تمام اثرات واقعی که در بالا اتفاق می افتد بسیار کوچک است. از آن
حال، اگر یک گام دیگر به سمت واقعیت بردارید و ایرفویل های خمیده، ویسکوزیته، جابجایی لایه مرزی را در نظر بگیرید، و اگر به اندازه کافی سریع پیش بروید، شوک های فشاری نیز (که «کشش موج» را ایجاد می کند، عامل دیگری است که بر کشش چسبناک و فشار تأثیر می گذارد. ..) -- آن وقت است که "کشش القایی" نسبتاً نظری می شود.
پس چرا هنوز کسی از آن استفاده می کند؟ دقیقاً به این دلیل که محاسبه آن در مدل های ساده فیزیک ساده است، جایی که شما بسیاری از جلوه های واقعی را نادیده می گیرید. در آن زمان است که هنوز به شما می گوید که اگر تمام آن فعل و انفعالات بد بین میدان فشار و لایه مرزی، جدایی ها، امواج ضربه ای و سایر عوارض وجود نداشته باشد، کمترین میزان کشش وابسته به بالابر برای شکل بال شما چقدر خواهد بود. این به این معنی است که: کشش القایی ساختار مفیدی برای توضیح این است که چرا بالابر همیشه کشش ایجاد می کند، چرا بال های بلند و باریک می توانند در تولید بالابر کارآمدتر باشند و چقدر کارآمدتر هستند. اما در یک جریان واقعی، واقعاً راهی برای استخراج جداگانه آن وجود ندارد.
البته روشهایی برای استخراج تقریباً اجزای مختلف درگ وجود دارد. شناخته شده ترین ابزار برای انجام این کار، ابزار FFD Onera است اینجا گسترش جریان ناپایدار است. می توانید ببینید که معادلاتریاضی اون پیچیده می شود. همچنین میتوانید ببینید که آنها مولفههای درگ زیادی را ارائه میکنند، اما نگاه دقیقتر نشان میدهد که اگرچه آنها شامل کشش القایی و بسیاری از مؤلفههای دیگر میشوند، اما همه آنها به کشش کل اضافه نمیشوند - به این دلیل است که تعداد زیادی درگ وجود دارد. روشهایی برای تجزیه کشیدن، و اکثر آنها بهخوبی با هم هماهنگ نیستند.اجازه دهید ابتدا با نگاه کردن به کشیدن به طور کلی، درگ القایی را در پرسپکتیو قرار دهیم. کشیدن فقط جزء جهت پرواز کل نیروی آیرودینامیکی است، به استثنای نیروی رانش موتور. (برای اهداف این بحث، فرض میکنیم که نیروی کشش و رانش را میتوان کاملاً از هم جدا کرد، بدون توجه به برخی مشکلات نظری جدی). جزء موازی با سطح محلی (نیروی برشی) و یک جزء عمود بر سطح (نیروی فشار). هنگامی که این دو جزء در جهت پرواز حل می شوند و در کل سطح خارجی یکپارچه می شوند، نیروهای حاصل به طور کلی به عنوان کشش "اصطکاک پوست" و پسا فشار نامیده می شوند. کشش اصطکاک پوستی کاملاً نتیجه اثرات چسبناک (ویسکوزیته و آشفتگی) در لایه های مرزی روی سطوح هواپیما است. کشش فشار نتیجه ترکیب پیچیدهتری از مکانیسمهای جریان، از جمله اثرات چسبناک، شوکها و اثرات کلی بالابر است. با توجه به داده های کافی که توزیع نیروها روی سطح را تعریف می کند، کشش را به یک اسکی حل می کند
بخش nاصطکاک و یک بخش فشار ساده است، زیرا به سادگی شامل تفکیک یک بردار به اجزا است. تقسیم کشش به درگ چسبناک، کشش شوک و کشش القایی بر اساس مکانیسم های مسئول چندان ساده نیست.
ما می خواهیم درگ القایی را به عنوان بخشی از درگ به دلیل تأثیرات جهانی بالابر تعریف کنیم. قبلاً دیدهایم که اثرات کلی بالابر به کشش فشار کمک میکند، اما کشش کل فشار نیز شامل کمکهایی از سایر مکانیسمهای جریان است. چگونه تعریف کنیم که چه مقدار از پسا فشار القا شده است؟ هیچ چیزی در مورد توزیع نیروهای اعمال شده بر سطح وجود ندارد که به ما بگوید چه مقدار از کشش توسط مکانیسم جریان ایجاد شده است. و معلوم می شود که نگاه کردن به میدان جریان نیز تعریف دقیقی به دست نمی دهد. از آنجایی که مکانیسمهای جریان مختلف با هم همپوشانی دارند و بر هم اثر میگذارند، اثرات آنها به روش خطی ساده به کشش فشار کل اضافه نمیشود، و تجزیه دقیق کشش فشار به اجزای سازنده امکانپذیر نیست. با این حال، برای اهداف عملی، می توان یک تجزیه تقریبی، بر اساس نظریه های آرمانی و تقریبی در مورد آنچه در میدان جریان می گذرد، انجام داد. به عنوان مثال، اگر جریان در همسایگی یک شوک مشخص باشد، سهم شوک در پسا را می توان بر اساس فرمول Oswatitsch تخمین زد. به همین ترتیب، اگر توزیع عرضی بالابر بر روی سطوح بالابر شناخته شود، پسا القایی را می توان با استفاده از نظریه ترفتز-صفحه، که بر اساس یک مدل ایده آل از میدان جریان مرتبط با بارگذاری دهانه داده شده است، تخمین زد. بنابراین باید در نظر داشته باشیم که این ایده که میتواند بر اساس مکانیسمهای جریان مسئول، به «مولفههای» مختلف تجزیه شود، یک ایدهآلسازی است. با این حال، این یک مورد مفید است، و در عمل، پیشبینیهای افزایش درگ بر اساس این مدلهای ایدهآل به طور منطقی دقیق هستند.
چگونه کشش القایی از سایر اجزای فشار درگ از نظر فیزیکی متمایز می شود. همه اشکال درگ به دو صورت اصلی خود را در میدان جریان نشان می دهند. اول، حفظ تکانه مستلزم این است که نیروی پسا تعادل تکانه و فشار را تغییر دهد. دوم، بقای انرژی مستلزم آن است که کار انجام شده در برابر نیروی پسا به صورت افزایش در ترکیب انرژی گرمایی و انرژی جنبشی نشان داده شود. (توجه داشته باشید که در حالی که هر دوی این روابط را می توان به درستی در هر چارچوب مرجع بیان کرد، رابطه کار/انرژی به وضوح در یک چارچوب مرجع ثابت به جرم هوا به جای هواپیما درک می شود، زیرا این چارچوبی است که کار در آن انجام شده است. مستقیماً به انرژی صرف شده توسط سیستم محرکه مربوط می شود.) با کشش چسبناک و کشش ضربه ای، اتلاف انرژی به گرما فوری است و انرژی جنبشی بسیار کمی درگیر است. کشش القایی از این نظر منحصر به فرد است که تقریباً تمام انرژی اضافه شده به جریان در ابتدا به صورت انرژی جنبشی نشان داده می شود و به تدریج در فاصله طولانی در پایین دست به گرما پراکنده می شود.
انرژی جنبشی تولید شده توسط درگ القایی با حرکت هوا در مقیاس بزرگ ناشی از نیروهای بالابر، عمدتاً روی بال، مرتبط است. به طور کلی، حرکت عمدتاً عمود بر جهت پرواز است و با جریان رو به پایین در ناحیه بین نوک بال ها و جریان رو به بالا در خارج از نوک ها مشخص می شود، . توجه داشته باشید که این سرعتهای ناشی از بالابر فقط در اطراف خود بال یا نوک بال متمرکز نمیشوند، بلکه بهطور نسبتاً پراکنده در یک منطقه وسیع از میدان جریان پخش میشوند.
در حالی که هوای بیش از یک بال جلوتر از بال اساساً دست نخورده است، الگوی جریان عمومی عملاً در فاصله حدود یک بال پشت بال به قدرت کامل می رسد و عموماً در فواصل طولانی در پایین دست ادامه می یابد. در محل خود بال، الگوی جریان تقریباً به نیمی از حداکثر قدرت خود رسیده است و بال در حال پرواز در هوایی است که از قبل به طور کلی بین نوک بال ها به سمت پایین حرکت می کند. بنابراین بال را میتوان بهعنوان پرواز در مسیری به سمت پایین که خود ساخته است در نظر گرفت. به دلیل پایین آمدن ظاهری، یا "downwash"، بردار بالابر ظاهری کل کمی به سمت عقب متمایل می شود. این جزء عقبی بالابر ظاهری است که به صورت کشش القایی احساس می شود. وقتی به موازنه نیرو/ممنتوم نگاه می کنیم، کشش القایی در میدان جریان عمدتاً به صورت کاهش فشار پایین دست بال ظاهر می شود.I hope I have helped you in understanding the question. Roham Hesami, seventh semester
aerospace engineering
رهام حسامی ترم هفتم مهندسی هوافضا