Koeficient odporu

V dynamice tekutin je součinitel odporu vzduchu , jehož normalizovaný symbol je C x , C A nebo C D ( v angličtině, v němčině) součástí rodiny aerodynamických koeficientů . Jedná se o bezrozměrné číslo, které se používá ke kvantifikaci odporu nebo odporu předmětu v kapalině, jako je vzduch nebo voda. Vždy je spojen s určitým povrchem (v závislosti na kontextu, tzv. Hlavní pár , povrch křídla nebo obecněji referenční povrch). Současnou bezrozměrnou definici součinitele odporu navrhl Ludwig Prandtl na základě nápadu Richarda Knollera.

Mobilní objekt pohybující se v těžké tekutině prochází z této tekutiny distribucí tlaku a viskózním třením (nebo třením ) , jehož výsledek je proti jeho pohybu. Složka tohoto výslednice ve směru pohybujícího se těla se nazývá táhnout . Intenzita tažné síly je vyjádřena jako funkce rychlosti, tvaru a velikosti mobilního telefonu, tekutiny, se kterou interaguje.

Koeficient odporu jakéhokoli objektu zahrnuje alespoň součet dvou efektů: viskózní třecí odpor (nebo tření ) a tlak související s odporem (tvarový odpor). Tyto efekty jsou někdy rozděleny podle různých částí objektu (například hlavice, trup a křidélka pro raketu nebo, pokud je to možné, přední část těla a zadní část těla ) a pro každou z nich definujeme stopu ignorující ostatní . Když se někdo zajímá o úplnou strukturu, uvidí tedy objevující se pojmy spojky související s interakcemi mezi různými částmi.

Definice

Koeficient odporu je definován:

nebo:

je tažná síla, která je podle definice složkou síly ve směru vektoru rychlosti, je hustota tekutiny, je rychlost objektu vzhledem k tekutině, je referenční plocha.

Hustota a rychlost jsou měřeny v nekonečnu proti proudu (nebo v každém případě daleko od jakéhokoli místního narušení způsobeného překážkou).

Čitatel a jmenovatel mají rozměry síly. Ve jmenovateli, najdeme expresi dynamického tlaku dané který je násoben referenčním povrchem . Ten je zvolen libovolně. Často vezmeme povrch hlavního páru , projekci tělesa na rovinu kolmou na posunutí, s výjimkou křídla v letectví, pro které vztahujeme síly k povrchu křídla , projekce křídel na rovinu obsahující profily akordů, což umožňuje srovnání profilů bez ohledu na jejich tloušťku. Pro konkrétní studie však lze použít i jiné referenční plochy.

Tažná síla (nebo výsledek)

Označeno nebo , je vyjádřeno v newtonech a je závislou silou na a dalších výše zmíněných aerodynamických faktorech. Lze jej vyjádřit následujícím vzorcem:

kde je hustota kapaliny, ve které dochází k posunu (v kg / m³), přičemž referenční povrch byl zvolen během stanovení (v m 2 ), uvedený součinitel odporu vzduchu (bezrozměrný) a relativní rychlost mobilního zařízení ve srovnání s kapalinou (v m / s).

Tato rovnice je založena na předpokladu, že tažná síla jakéhokoli objektu je úměrná hustotě a druhé mocnině relativní rychlosti. Ve skutečnosti, až na několik konkrétních těles, není konstantní, ale mírně se liší v závislosti na rychlosti kapaliny, velikosti předmětu a hustotě a viskozitě kapaliny. Naštěstí lze rychlost, kinematickou viskozitu a charakteristickou délku objektu začlenit do jediného bezrozměrného parametru: Reynoldsova čísla . Pak se objeví v závislosti na této jediné Reynoldsova čísla . V případě vysokorychlostní stlačitelné kapaliny je to však také funkce Machova čísla .

Fyzikální význam součinitele odporu

Koeficient odporu odpovídá za poruchy způsobené tělem na tekutinu během jejího relativního pohybu v této tekutině.

Jednou z možných metod stanovení je pozorovat pokles množství pohybu proudu vzduchu ve dmychadle způsobený přítomností těla. Ukazuje se, že tento pokles u strmých těles způsobujících oddělení toku souvisí s úhlem, pod kterým proudy kapaliny opouštějí tělo. Graf naproti (po Hoernerovi) vykresluje hodnotu čelní strany strmých 2D těles (s odkazem na jejich povrch, jak je vidět z toku), podle polovičního úhlu, pod kterým dochází k oddělení toku, které tyto indukují tělesa nazývejte tento úhel separační úhel nebo úhel projekce toku ). Když tento poloviční úhel dosáhne °, 2D dvojstěn se stal nekonečnou paletou a Hoerner pokračuje v grafu uvažováním, že ° kreslí duté dvojstěny.

Volba referenční plochy

Ačkoli jsou nejčastěji uváděny s odkazem na čelní povrch (s výjimkou letectví, kde jsou uvedeny s odkazem na povrch křídla ), najdeme údaje s odkazem na mnoho dalších povrchů. V praxi může být těleso stanoveno s odkazem na jakýkoli povrch (dokonce i na povrch, který nepatří k tělu) za předpokladu, že je tento referenční povrch určen.

Abychom si dobře vybrali referenční povrch, je třeba si uvědomit funkci . Tento koeficient se používá k porovnání s podobnými Reynoldsovými čísly mezi těly stejných tvarů, ale různých měřítek. To znamená, že krychle vystavena běžným způsobem (to znamená, že tekutina aktuální hity jedné ze stran kolmo) je 1,05. U tohoto těla s ostrými hranami Reynoldsovo číslo nezasahuje do . Můžeme tedy porovnat všechny kostky (vystavené normálně) bez ohledu na jejich měřítko (tj. Zda byly čteny na kostky o délce 10  cm nebo 10  m ). Na druhou stranu pro ostatní tělesa, jako je koule, válec nebo 2D a 3D profilovaná tělesa, má Reynoldsovo číslo velký vliv na měřené. Proto bude vhodné porovnat tato pole s blízkými Reynoldsovými čísly. Pro kouli a válec je vliv diametrálního Reynoldsova čísla dokonce rozhodující v tzv. Krizové zóně tažení (kde velmi malá variace v Reynoldsově čísle může pro kouli způsobit dělení faktorem 5, příklad). Tento zásadní vliv Reynoldsova čísla (v tomto `` kritickém`` rozsahu ztěžuje srovnání sfér různých průměrů (srovnání lze provést pouze mezi sférami dostatečně blízkého Reynoldsova čísla).

Naštěstí, jak ukazuje graf, se ukazuje, že je víceméně konstantní v současném diametrálním rozmezí Reynoldsova čísla od 40 000 do 300 000. V tomto rozsahu, který se nazývá Newtonův rozsah , je tedy srovnání hladkých koulí různých průměrů snadný.

Podobně, a dokonce i pro válcová a profilová tělesa, může vykazovat rozsahy relativní invariance s Reynoldsovým číslem, což usnadní srovnání těles různých velikostí.

Jako referenční plochu si inženýři zvolí smysluplnější povrch pro srovnání mezi těly stejných nebo podobných tvarů:

Jako cvičení si můžeme představit auto Karla Schlöra (obrázek naproti): Karl Schlör skutečně výrazně snížil odpor svého vozidla téměř úplnou kapotáží předních kol. Tím však vyhrál v obou případech, protože výpočet se provádí ze sníženého odporu vzduchu (což je správné), ale také z čelní plochy zvětšené o 14% (což způsobuje problémy. Velikost vozidla), toto zvýšení odpovídajícím způsobem se zmenšuje přední plocha .

V praxi najdeme v odborných textech všechny druhy referenčních ploch. Příklad ponorky Albacore (obrázek opačný během testů v aerodynamickém tunelu plné velikosti v Langley v roce 1950) je pro toto téma poučný, protože referenční plocha přijatá inženýry NACA je druhou mocninou délky modelu. Tato (virtuální) referenční plocha je zvědavá, ale nemá žádný význam, protože je specifikována . Oznámil (s odkazem na ) bytí , jsme snadno čerpat táhnout ( pokud je dynamický tlak). Vydělením tohoto odporu a čelního povrchu napíšeme čelní:

Díky štíhlosti modelu jsme konečně získali velmi nízkou čelní část tohoto profilovaného těla.

Poslední poznámka: Je třeba si uvědomit, že i ve zdánlivě jednoduchém případě koeficientu odporu automobilu může být zvolená referenční plocha virtuální: na opačném obrázku je zvolenou referenční plochou promítnutá plocha na kolmou rovinu na rychlost; žádná referenční část vozu však tuto referenční plochu nečerpá. Na tom nezáleží :

Finesa

The se podílí na výpočtu aerodynamické jemnosti (jedná se o poměr obou vypočítaný na základě plochy křídla). Tato aerodynamická jemnost představuje svým způsobem výkonnost aerodyny (letadlo, kluzák, vrtulník): čím nižší je jemnost aerodyny, tím více energie bude muset její motor poskytovat k udržení vodorovného letu.

Hodnoty C x

Pokud u některých jednoduchých neprofilovaných těles (kruhová deska nebo disk směřující k toku, obrázek naproti) to nezávisí na Reynoldsově čísle toku, u většiny ostatních těles ano. Takže u všech těchto dalších těles závisí kromě jejich tvarů také na koeficientu tření , tj. tvar rychlostního profilu v mezní vrstvě („turbulentní“ profil, laminární profil ) a případně i odpor vyvolaný výtahem, pokud existuje.

Koeficient tření závisí na Reynoldsově čísle toku na těle a stupni laminarity povrchu tohoto tělesa (viz článek Mezní vrstva ).

C x koule

Koule je tvar, který byl zvláště studován v aerodynamice.

Můžeme shrnout hlavní variace koule takto:

Koeficient odporu koule
Stav Výraz
Stokes ( Stokesův tok )
HS Allen (střední odtok)
Newton (podkritický rozsah)
Superkritický rozsah

Další příklady

Podívejte se na levou stranu stolu kvůli mechanikovi tekutin Sighard F. Hoernerovi (dovnitř) , stejně jako stůl vpravo. V těchto dvou tabulkách jsou frontální, tj. že jejich referenční povrch je čelní povrch těles (tj. povrch promítnutý do roviny kolmé ke směru proudění od těla).  


Stále v těchto dvou tabulkách mají určitá tělesa, jako je koule a nekonečný válec prezentované napříč tokem, koeficient odporu, který se velmi liší podle Reynoldsova čísla . Tato variabilita je vysvětlena tzv. Drag krizí .

Automobilový průmysl


Na pravé straně uvidíte přední strany 3D těles a jejich přizpůsobení silnici.


Tabulka automobilů najdete ve francouzském článku: (en) .  

Bibliografie

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. index „d“ pro drag ( „odpor, drag“ ).
  2. „w“ index pro Widerstand ( „odpor“ ).
  3. Jak je znázorněno na obrázku, výsledky se trochu liší v závislosti na tom, zda uvažujeme hladkou nebo hrubou kouli. Speciální případy golfového míčku, tenisového míčku a fotbalového míče jsou také znázorněny v diagramu v příslušných oblastech hodnot Re.
  4. ( Bi-logaritmický ) diagram byl vytvořen pro hodnoty Reynoldsova čísla (Re) mezi 10-1 a 108 . Pro Re < 10 -1 lze použít Stokesův vzorec. Hodnoty Re> 10 8 , transonic , je v praxi obtížné dosáhnout. Pro tyto Reynoldsovy hodnoty viz tento graf .

Reference

  1. (in) Report NACA , STANDARDIZATION AND AERODYNAMICS, NACA Technical Note No. 134 ,1923( číst online )
  2. Sighard F. Hoerner, Odolnost proti pokroku v tekutinách , Gauthier-Villars ,1965
  3. Tento obecný zákon nadále platí pro velmi konkrétní tělesa, kterými jsou rovinné desky prezentované obrácené k toku (disky, čtvercové nebo obdélníkové desky, nekonečné palety), kromě toho, že tato tělesa nepředstavují žádný povrch orientovaný tak, aby umožňoval třecí napětí k vytvoření tažné síly; tato tělesa proto mají nulové tření.
  4. P. Chassaing, Fluid Mechanics , Editions Cépaduès ,2000
  5. Armando Lencastre ( překlad  z portugalštiny), General hydraulics , Paris / sl, Eyrolles,1957( dotisk  1983, 1995), 633  s. ( ISBN  2-212-01894-0 ) , „2 - Teoretické základy hydrauliky“, s. 2  83
  6. Inge L. Rhyming, Dynamika tekutin , Lisy polytechniques romandes,1985( dotisk  1991), 462  s. ( ISBN  2-88074-224-2 ) , „Kapitola 5 - Teorie potenciálu nestlačitelných toků“, s. 1.  126-179
  7. Hoerner 1992 , str.  3-18.
  8. Je extrémně vzácné, že existuje implicitní referenční plocha; nepřesnost referenčního povrchu a proto činí toto zastaralé a zcela zbytečné.
  9. Tato pláž se jmenuje Newtonova pláž, protože tento velikán tam provedl první měření sféry.
  10. Píšeme „hladké koule“, protože velikost koule do značné míry závisí na její drsnosti v tomto rozsahu, jak je vidět na grafu.
  11. U těchto těl (viz tento graf) .
  12. Jen proto, že budeme muset porovnat kapotáže revoluce (snadněji se staví) s kapotážemi se zploštělými svislými stranami (menší čelní části) a že můžeme srovnávat pouze pracovní stoly se stejnou čelní plochou (pokud nejsou založeny na stejné čelní plocha, bude nutné porovnat produkty , bytí těla i a referenční povrch připojený k tomuto ) (někdy nazývají tento produkt , který má rozměr plochy, drag povrchu ).
  13. Kvantifikaci třecího odporu najdete v článku Mezní vrstva .
  14. Tento poměr je poměr koeficientu Lift k koeficientu odporu , za předpokladu, že tyto dva bezrozměrné koeficienty používají stejnou referenční plochu (většinu času plocha křídla, pro letadla)
  15. Samozřejmě by existovalo několik standardů v závislosti na počtu a způsobu usazení cestujících, stejně jako na komfortu, který jim poskytneme, a na množství naloženého zavazadla.
  16. (in) , Data z testů modelu v měřítku 1/5 navrhované vysokorychlostní ponorky v Langley Full-Scale Tunnel, Cocke, Lipson, Scallion , NACA Technical Memorandum, [ číst online ] [PDF] .
  17. Tato čelní strana je extrémně slabá; to je způsobeno skutečností, že byly provedeny testy v aerodynamickém tunelu na Reynoldsově čísle blízkém 22,3 milionu (tohoto velmi vysokého Reynoldsova čísla bylo dosaženo díky velmi velké velikosti modelu, jednomu z největších nikdy testovaných modelů) . Ve skutečnosti je profilované těleso, které je převážně jedním z tření, postupně klesá, jak se zvyšuje Reynoldsovo číslo.
  18. (in) JJ Hernandez-Gomez , V. Marquina a RW Gomez , „  O výkonu Usaina Bolta ve sprintu na 100 m  “ , European Journal of Physics , let IOP .  34, n o  5,25. července 2013, str.  1227 ( DOI  10.1088 / 0143-0807 / 34/5/1227 , číst online , přístup 23. dubna 2016 )
  19. Je to jeden z nekonečných válců při první rychlosti, který, alespoň mnemotechnicky, znamená, že trup, hlava a končetiny běžce jsou válcovými prvky, které netrpí problémy končetin.
  20. (in) Aerodynamics Cd World Record - Autozine
  21. Hoerner 1992 , str.  3-17

Podívejte se také

Bibliografie

Související články

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">