Hvad er væskemodstand

Strømningsmodstand er et omfattende problem. Brændstofforbruget for en bil ved høj hastighed kommer hovedsageligt fra luftmodstand snarere end jordfriktionsmodstand. Grunden til, at smog kan "suspenderes" i luften, skyldes også strømningsmodstand. Disse illustrerer alle vigtigheden af luftmodstand.

Trykdifferensmodstand og friktionsmodstand

Fra et kraftsynspunkt er objektets modstand den direkte virkning af væsken på dens overflade. Det, der er vinkelret på genstandens overflade, er væskens tryk, og den modstand, der genereres af det, kaldes differenstrykmodstand; det, der er parallelt med objektets overflade, er væskens viskøse forskydningskraft, og den modstand, der genereres af den, kaldes friktionsmodstand. Udover disse to kræfter er der ingen anden kraft. Derfor er den samlede modstand af et objekt den resulterende kraft af trykforskelmodstand og friktionsmodstand. Trykforskelmodstanden er tæt forbundet med objektets form, og friktionsmodstanden er hovedsageligt relateret til objektets overfladeareal.

Nogle steder siger man, at der udover trykforskelmodstand og friktionsmodstand er induceret modstand, stødbølgemodstand osv., hvilket er en misforståelse. Faktisk kan både induceret modstand og stødbølgemodstand tilskrives trykforskelmodstand og friktionsmodstand (hovedsageligt trykforskelmodstand).

formmodstand posterior modstand

Det har været kendt siden oldtiden, at genstande, der bevæger sig i en væske, vil opleve modstand, og modstanden er tæt forbundet med genstandens form. Men den oprindelige teori om fluidmekanik kom til den modsatte konklusion. Baseret på Eulers og Bernoullis love om væskebevægelse, hvis væskens viskositet ignoreres, vil væsken ikke producere modstand mod genstande af enhver form, der bevæger sig i den.

Det ser ud til, at modstanden helt er forårsaget af viskositet, men luftens viskositet er meget lille, og den friktionsmodstand, der produceres af den, er meget mindre end den faktisk målte aerodynamiske modstand. Denne modsigelse er kendt i historien som "D'Alemberts paradoks", fordi den blev foreslået af den franske matematiker D'Alembert.

Det var ikke før Prandtl fremsatte grænselagsteorien, at folk virkelig indså essensen af strømningsmodstand. Trykforskelmodstand er hovedkomponenten i aerodynamisk modstand, mens trykforskelmodstand for generelle genstande hovedsageligt skyldes adskillelse af grænselag.

Tidlige mennesker (måske tror mange det nu) baseret på en form for "sund fornuft", mente, at formen på den forreste del af objektet bestemmer størrelsen af modstanden, og modstanden vil være lille, hvis den forreste del er skarpere . Med grænselagsteorien er det vigtigere at opdage formen på objektets bagside. Fordi formen på genstandens bagside bestemmer, hvor grænselaget adskilles og dermed trykfordelingen på genstandens overflade.

Almindelige fisk og fugle er relativt perfekte strømlinede kroppe med runde hoveder og spidse haler.

Formmodstand Frontmodstand

Selvom formen på bagsiden af objektet er afgørende for mængden af træk, er formen på forsiden også vigtig. For eksempel, hvis forsiden af objektet er firkantet, vil væsken adskilles tidligt ved de skarpe hjørner, og den omhyggeligt designede form på bagsiden vil miste sin betydning. For de lastbiler, der i øjeblikket kører på motorvejen, er den formoptimering, der er opnået, hovedsageligt koncentreret om den forreste del, og den bagerste del er begrænset af formen på containeren, så der er blevet arbejdet mindre. For objekter, der bevæger sig med transonisk hastighed, vil chokbølgen generere yderligere modstand, så den forreste del er designet til en meget spids form, så chokbølgens keglevinkel er mindre for at reducere modstanden.

Modstand mod stødbølger

Når den indkommende strømningshastighed nærmer sig eller overstiger lydens hastighed, vil der blive genereret stødbølger, som vil medføre yderligere stødbølgemodstand. I det væsentlige er stødbølgemodstand også en slags trykforskelmodstand, som er forårsaget af utilstrækkelig trykgenvinding i den bagerste halvdel af objektet på grund af eksistensen af stødbølger. Forsømmer det viskøse tab, når der ikke er nogen stødbølge, svarer decelerationen af luftstrømmen i den anden halvdel af objektet til en trykstigning Δp1; når der er en stødbølge, mister luftstrømmen delvist en del af den mekaniske energi, når den passerer gennem stødbølgen, og trykstigningen Δp2 svarende til samme deceleration vil være mindre end Δp1. Derfor, når der er en stødbølge, er trykket i den bagerste halvdel af objektet lidt lavere, hvilket er kilden til stødbølgemodstanden. At gøre objektets forkant skarp kan reducere stødkeglevinklen og derved reducere tabet forårsaget af stødbølgen og også reducere stødbølgemodstanden. Når skibet sejler på vandoverfladen, vil det generere overfladebølger og også have bølgemodstand, så det skal gøres spidst, mens ubåden, der rejser under vandet, er afrundet.

At bruge energitab til at forklare stødbølgemodstand er ikke direkte nok. Når alt kommer til alt er trykket og den viskøse kraft på overfladen af et objekt de faktorer, der direkte bestemmer modstandens størrelse. Dernæst forklares stødbølgemodstanden ved ændringen af objektets overfladetryk.

Effekt af form og overfladekvalitet på modstand
Reduktion af modstand er et evigt tema for væskemekanik. Brugen af strømlinjer kan effektivt reducere differenstrykmodstanden, hovedsageligt fordi der ikke er nogen grænselagsadskillelse på overfladen af et veldesignet strømlinet legeme, og derved reducere differenstrykmodstanden.

Ud over formen påvirker overfladeruheden af et objekt også træk. Generelt gælder det, at jo glattere overfladen er, jo mindre er friktionsmodstanden, men nogle gange er overfladen af objektet bevidst ru, så grænselaget bliver turbulent for at forhindre adskillelse, hvorved trykdifferensmodstanden reduceres betydeligt.

Sammenfatte

Når man analyserer en genstands aerodynamiske modstand, er vanen med væskemekanik at opdele den efter kraftens form. Modstanden forårsaget af trykket, der virker lodret på objektets overflade, kaldes differenstrykmodstand, mens modstanden forårsaget af friktionskraften parallelt med objektets overflade kaldes friktionsmodstand. Da der ikke er nogen anden kraft end disse to kræfter på overfladen af et objekt, er enhver form for modstand enten trykforskelmodstand eller friktionsmodstand eller begge dele.

Trykforskelmodstanden forårsaget af strømningsseparation og trykforskelmodstanden forårsaget af stødbølger er de største faktorer, der påvirker genstandes aerodynamiske modstand.

Subsoniske lavmodstandsobjekter har runde hoveder og spidse haler, mens supersoniske lavmodstandsobjekter har spidse ender.