Arrasto aerodinâmico é uma força que age de forma oposta ao movimento relativo de qualquer objeto. Pode existir entre duas camadas de superfície sólida. Ao contrário de outros conjuntos resistivos, como o atrito seco, que são quase independentes da velocidade, as forças de arrasto obedecem a um determinado valor. Embora a causa final da ação seja o atrito viscoso, a turbulência é independente dele. A força de arrasto é proporcional à velocidade do fluxo laminar.
Conceito
Arrasto aerodinâmico é a força que atua em qualquer corpo sólido em movimento na direção do fluido que se aproxima. Em termos de aproximação de campo próximo, o arrasto é o resultado de forças devido à distribuição de pressão sobre a superfície do objeto, simbolizado por D. Devido ao atrito da pele, que é resultado da viscosidade, é denotado De. Alternativamente, calculada do ponto de vista do campo de fluxo, a forçaa resistência surge como resultado de três fenômenos naturais: ondas de choque, camada de vórtice e viscosidade. Tudo isso pode ser encontrado na tabela de arrasto aerodinâmico.
Visão Geral
A distribuição de pressão atuando na superfície de um corpo afeta grandes forças. Eles, por sua vez, podem ser resumidos. Os componentes a jusante deste valor constituem a força de arrasto, Drp, devido à distribuição de pressão que afeta o corpo. A natureza dessas forças combina efeitos de ondas de choque, geração de sistema de vórtices e mecanismos de esteira.
A viscosidade de um fluido tem um efeito significativo no arrasto. Na ausência deste componente, as forças de pressão que atuam para desacelerar o veículo são neutralizadas pela força que está na parte traseira e empurra o veículo para frente. Isso é chamado de repressurização, resultando em arrasto aerodinâmico zero. Ou seja, o trabalho que o corpo realiza no fluxo de ar é reversível e recuperável, pois não há efeitos de atrito para converter a energia do fluxo em calor.
A recuperação de pressão funciona mesmo em caso de movimento viscoso. Este valor, no entanto, resulta em poder. É o componente dominante do arrasto no caso de veículos com regiões de fluxo dividido onde a recuperação de carga é considerada bastante ineficiente.
A força de atrito, que é a potência tangencial na superfícieaeronave, depende da configuração da camada limite e da viscosidade. O arrasto aerodinâmico, Df, é calculado como a projeção a jusante de conjuntos de pântanos estimados a partir da superfície do corpo.
A soma da resistência ao atrito e à pressão é chamada de resistência viscosa. De uma perspectiva termodinâmica, os efeitos do atoleiro são fenômenos irreversíveis e, portanto, criam entropia. A resistência viscosa calculada Dv usa mudanças neste valor para prever com precisão a força de rebote.
Aqui também é necessário fornecer a fórmula da densidade do ar para o gás: РV=m/MRT.
Quando uma aeronave produz sustentação, há outro componente de pushback. Resistência induzida, Di. Surge da mudança na distribuição de pressão do sistema de vórtices que acompanha a produção do elevador. Uma perspectiva alternativa de sustentação é alcançada considerando a mudança no momento do fluxo de ar. A asa intercepta o ar e o força a descer. Isso resulta em uma força de arrasto igual e oposta atuando na asa, que é sustentação.
Mudando o momento do fluxo de ar para baixo leva a uma diminuição no valor reverso. Que é o resultado da força agindo para frente na asa aplicada. Uma massa igual, mas oposta atua nas costas, que é o arrasto induzido. Ele tende a ser o componente mais importante para aeronaves durante a decolagem ou pouso. Outro objeto de arrasto, o arrasto de onda (Dw) é devido a ondas de choqueem velocidades transônicas e supersônicas da mecânica de voo. Esses rolos causam mudanças na camada limite e distribuição de pressão sobre a superfície do corpo.
Histórico
A ideia de que um corpo em movimento passando pelo ar (fórmula da densidade) ou outro líquido encontra resistência é conhecida desde os tempos de Aristóteles. Um artigo de Louis Charles Breguet escrito em 1922 iniciou um esforço para reduzir o arrasto por meio da otimização. O autor continuou a dar vida às suas ideias, criando várias aeronaves recordistas nas décadas de 1920 e 1930. A teoria da camada limite de Ludwig Prandtl em 1920 forneceu um incentivo para minimizar o atrito.
Outro apelo importante para o sequenciamento foi feito por Sir Melville Jones, que introduziu conceitos teóricos para demonstrar de forma convincente a importância do sequenciamento no projeto de aeronaves. Em 1929, seu trabalho The Streamlined Airplane apresentado à Royal Aeronautical Society foi seminal. Ele propôs uma aeronave ideal que teria um arrasto mínimo, levando ao conceito de um monoplano "limpo" e trem de pouso retrátil.
Um dos aspectos do trabalho de Jones que mais chocou os designers da época foi seu enredo de potência versus velocidade para um avião real e ideal. Se você observar o ponto de dados de uma aeronave e extrapolar horizontalmente para uma curva perfeita, poderá ver a recompensa em breve para a mesma potência. Quando Jones terminou sua apresentação, um dos ouvintesnível de importância como o ciclo de Carnot na termodinâmica.
Resistência induzida por elevação
A folga induzida pela sustentação resulta da criação de uma inclinação em um corpo tridimensional, como uma asa de aeronave ou fuselagem. A frenagem induzida consiste principalmente em dois componentes:
- Arraste devido à criação de vórtices à direita.
- Tendo arrasto viscoso adicional que não existe quando a sustentação é zero.
Os vórtices de retorno no campo de fluxo presentes como resultado do levantamento do corpo são devidos à mistura turbulenta do ar acima e abaixo do objeto, que flui em várias direções diferentes como resultado da criação do levantamento.
Com outros parâmetros que permanecem iguais à sustentação criada pelo corpo, a resistência causada pela inclinação também aumenta. Isso significa que, à medida que o ângulo de ataque da asa aumenta, o coeficiente de sustentação aumenta, assim como o rebote. No início de um estol, a força aerodinâmica propensa diminui drasticamente, assim como o arrasto induzido pela sustentação. Mas este valor aumenta devido à formação de um fluxo turbulento solto após o corpo.
Arrastar espúrio
Esta é a resistência causada pelo movimento de um objeto sólido através de um líquido. O arrasto parasita tem vários componentes, incluindo o movimento devido à pressão viscosa e devido à rugosidade da superfície (atrito da pele). Além disso, a presença de vários corpos em relativa proximidade pode causar a chamadaresistência à interferência, que às vezes é descrita como um componente do termo.
Na aviação, a folga induzida tende a ser mais forte em velocidades mais baixas porque um alto ângulo de ataque é necessário para manter a sustentação. No entanto, à medida que a velocidade aumenta, ela pode ser reduzida, assim como o arrasto induzido. O arrasto parasita, no entanto, torna-se maior porque o fluido flui mais rápido em torno de objetos salientes, aumentando o atrito.
Em velocidades mais altas (transônicas), o arrasto da onda atinge um novo nível. Cada uma dessas formas de repulsão varia proporcionalmente às outras, dependendo da velocidade. Portanto, a curva de arrasto geral mostra um mínimo em alguma velocidade do ar - a aeronave estará na eficiência ideal ou próxima dela. Os pilotos usarão essa velocidade para maximizar a resistência (consumo mínimo de combustível) ou a distância de planeio em caso de falha do motor.
Curva de potência da aviação
A interação do arrasto parasita e induzido em função da velocidade do ar pode ser representada como uma linha característica. Na aviação, isso é muitas vezes referido como a curva de potência. É importante para os pilotos porque mostra que abaixo de uma certa velocidade no ar, e contra-intuitivamente, é necessário mais empuxo para mantê-la à medida que a velocidade diminui, não menos. As implicações de estar "nos bastidores" em voo são importantes e são ensinadas como parte do treinamento do piloto. Em subsônicovelocidades do ar onde a forma de U desta curva é significativa, o arrasto da onda ainda não se tornou um fator. É por isso que não é mostrado na curva.
Freando em fluxo transônico e supersônico
Arrasto de onda compressivo é o arrasto que é criado quando um corpo se move através de um fluido compressível e a velocidades próximas à velocidade do som na água. Na aerodinâmica, o arrasto das ondas tem muitos componentes dependendo do modo de condução.
Na aerodinâmica do voo transônico, o arrasto das ondas é o resultado da formação de ondas de choque no líquido, que são formadas ao criar áreas locais de fluxo supersônico. Na prática, tal movimento ocorre em corpos que se movem bem abaixo da velocidade do sinal, pois a velocidade local do ar aumenta. No entanto, o fluxo supersônico total sobre o veículo não se desenvolverá até que o valor tenha ido muito mais longe. Aeronaves que voam em velocidades transônicas geralmente experimentam condições de ondas durante o curso normal do voo. Em vôo transônico, esta repulsão é comumente referida como arrasto de compressibilidade transônica. Ele se intensifica muito à medida que sua velocidade de vôo aumenta, dominando outras formas nessas velocidades.
No voo supersônico, o arrasto das ondas é o resultado das ondas de choque presentes no fluido e presas ao corpo, formando-se nas bordas de ataque e de fuga do corpo. Em fluxos supersônicos, ou em cascos com ângulos de rotação suficientemente grandes, haveráchoque solto ou ondas curvas são formadas. Além disso, áreas locais de fluxo transônico podem ocorrer em velocidades supersônicas mais baixas. Às vezes, eles levam ao desenvolvimento de ondas de choque adicionais presentes nas superfícies de outros corpos de sustentação, semelhantes às encontradas em fluxos transônicos. Em regimes de fluxo potentes, a resistência da onda é geralmente dividida em dois componentes:
- Elevação supersônica dependendo do valor.
- Volume, que também depende do conceito.
A solução de forma fechada para a resistência de onda mínima de um corpo de revolução com um comprimento fixo foi encontrada por Sears e Haack e é conhecida como "Distribuição de Seers-Haack". Da mesma forma, para um volume fixo, a forma para a resistência mínima da onda é "Von Karman Ogive".
O biplano de Busemann, em princípio, não está sujeito a tal ação quando operando na velocidade de projeto, mas também não é capaz de gerar sustentação.
Produtos
Um túnel de vento é uma ferramenta usada em pesquisas para estudar o efeito do ar passando por objetos sólidos. Este projeto consiste em uma passagem tubular com o objeto em teste colocado no meio. O ar é movido pelo objeto por um poderoso sistema de ventilador ou outros meios. O objeto de teste, geralmente chamado de modelo de tubo, é equipado com sensores apropriados para medir forças do ar, distribuição de pressão ou outroscaracterísticas aerodinâmicas. Isso também é necessário para detectar e corrigir o problema no sistema a tempo.
Quais são os tipos de aeronaves
Vamos olhar para a história primeiro. Os primeiros túneis de vento foram inventados no final do século 19, nos primórdios da pesquisa aeronáutica. Foi então que muitos tentaram desenvolver aeronaves mais pesadas que o ar bem-sucedidas. O túnel de vento foi concebido como um meio de reverter o paradigma convencional. Em vez de ficar parado e mover um objeto através dele, o mesmo efeito seria obtido se o objeto ficasse parado e o ar se movesse a uma velocidade maior. Desta forma, um observador estacionário pode estudar o produto voador em ação e medir a aerodinâmica prática imposta a ele.
O desenvolvimento dos tubos acompanhou o desenvolvimento da aeronave. Grandes itens aerodinâmicos foram construídos durante a Segunda Guerra Mundial. O teste em tal tubo foi considerado estrategicamente importante durante o desenvolvimento de aeronaves e mísseis supersônicos durante a Guerra Fria. Hoje, as aeronaves são qualquer coisa. E quase todos os desenvolvimentos mais importantes já foram introduzidos na vida cotidiana.
Mais tarde, a pesquisa em túneis de vento tornou-se uma coisa natural. O efeito do vento em estruturas ou objetos feitos pelo homem teve que ser estudado quando os edifícios se tornaram altos o suficiente para apresentar grandes superfícies ao vento, e as forças resultantes tiveram que ser resistidas pelos elementos internos do edifício. A definição de tais conjuntos era necessária antes que os códigos de construção pudessemdeterminar a resistência necessária das estruturas. E esses testes continuam sendo usados para edifícios grandes ou incomuns até hoje.
Ainda mais tarde, verificações foram aplicadas ao arrasto aerodinâmico dos carros. Mas isso não era para determinar as forças como tais, mas para estabelecer maneiras de reduzir a potência necessária para mover o carro ao longo do leito da estrada a uma determinada velocidade. Nesses estudos, a interação entre estrada e veículo desempenha um papel significativo. É ele quem deve ser levado em consideração na interpretação dos resultados dos testes.
Em uma situação real, a estrada se move em relação ao veículo, mas o ar ainda está em relação à estrada. Mas em um túnel de vento, o ar se move em relação à estrada. Enquanto este último está parado em relação ao veículo. Alguns túneis de vento de veículos de teste incluem correias móveis sob o veículo de teste. Isso é para se aproximar do estado real. Dispositivos semelhantes são usados em configurações de decolagem e pouso em túnel de vento.
Equipamento
Amostras de equipamentos esportivos também são comuns há muitos anos. Eles incluíam tacos e bolas de golfe, trenós e ciclistas olímpicos e capacetes de carros de corrida. A aerodinâmica deste último é especialmente importante em veículos com cabine aberta (Indycar, Fórmula 1). Força de levantamento excessiva no capacete pode causar estresse significativono pescoço do motorista, e a separação do fluxo na parte traseira é uma vedação turbulenta e, como resultado, prejudica a visão em altas velocidades.
Os avanços nas simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) em computadores digitais de alta velocidade reduziram a necessidade de testes em túnel de vento. No entanto, os resultados de CFD ainda não são totalmente confiáveis, esta ferramenta é usada para verificar as previsões de CFD.
