La traînée aérodynamique est une force agissant à l'opposé du mouvement relatif de tout objet. Il peut exister entre deux couches de surface solide. Contrairement à d'autres ensembles résistifs, comme le frottement sec, qui sont quasiment indépendants de la vitesse, les forces de traînée obéissent à une valeur donnée. Bien que la cause ultime de l'action soit le frottement visqueux, la turbulence en est indépendante. La force de traînée est proportionnelle à la vitesse du flux laminaire.
Concept
La traînée aérodynamique est la force qui agit sur tout corps solide en mouvement dans la direction du fluide venant en sens inverse. En termes d'approximation en champ proche, la traînée est le résultat des forces dues à la répartition de la pression sur la surface de l'objet, symbolisée par D. En raison du frottement cutané, qui est le résultat de la viscosité, est noté De. Alternativement, calculée du point de vue du champ d'écoulement, la forcela résistance résulte de trois phénomènes naturels: les ondes de choc, la couche tourbillonnaire et la viscosité. Tout cela se trouve dans le tableau de la traînée aérodynamique.
Vue d'ensemble
La répartition de la pression agissant sur la surface d'un corps affecte des forces importantes. Ils peuvent à leur tour être résumés. Les composantes en aval de cette valeur constituent la puissance de traînée, Drp, due à la répartition de la pression qui affecte le corps. La nature de ces forces combine les effets d'ondes de choc, la génération de systèmes de vortex et les mécanismes de sillage.
La viscosité d'un fluide a un effet significatif sur la traînée. En l'absence de cette composante, les forces de pression agissant pour ralentir le véhicule sont neutralisées par la puissance qui se trouve dans la partie arrière et pousse le véhicule vers l'avant. C'est ce qu'on appelle la repressurisation, ce qui entraîne une traînée aérodynamique nulle. Autrement dit, le travail effectué par le corps sur le flux d'air est réversible et récupérable car il n'y a pas d'effets de friction pour convertir l'énergie du flux en chaleur.
La récupération de pression fonctionne même en cas de mouvement visqueux. Cette valeur, cependant, se traduit par la puissance. C'est la composante dominante de la traînée dans le cas des véhicules avec des régions à flux divisé où la récupération de la tête est considérée comme plutôt inefficace.
La force de frottement, qui est la puissance tangentielle sur la surfaceavion, dépend de la configuration de la couche limite et de la viscosité. La traînée aérodynamique, Df, est calculée comme la projection en aval des ensembles de tourbières estimées à partir de la surface du corps.
La somme du frottement et de la résistance à la pression est appelée résistance visqueuse. D'un point de vue thermodynamique, les effets de bourbier sont des phénomènes irréversibles et créent donc de l'entropie. La résistance visqueuse calculée Dv utilise les changements de cette valeur pour prédire avec précision la force de rebond.
Ici, il est également nécessaire de donner la formule de la densité de l'air pour le gaz: РV=m/MRT.
Lorsqu'un avion produit de la portance, il y a une autre composante de refoulement. Résistance induite, Di. Il découle de la modification de la répartition de la pression du système vortex qui accompagne la production de l'ascenseur. Une perspective de portance alternative est obtenue en tenant compte du changement d'élan du flux d'air. L'aile intercepte l'air et l'oblige à descendre. Il en résulte une force de traînée égale et opposée agissant sur l'aile, qui est la portance.
La modification de l'élan du flux d'air vers le bas entraîne une diminution de la valeur inverse. Que c'est le résultat de la force agissant vers l'avant sur l'aile appliquée. Une masse égale mais opposée agit sur le dos, c'est la traînée induite. Il a tendance à être le composant le plus important pour les avions lors du décollage ou de l'atterrissage. Un autre objet de traînée, la traînée des vagues (Dw) est due aux ondes de chocaux vitesses transsoniques et supersoniques de la mécanique du vol. Ces rouleaux provoquent des changements dans la couche limite et la répartition de la pression sur la surface du corps.
Histoire
L'idée qu'un corps en mouvement traversant de l'air (formule de densité) ou un autre liquide rencontre une résistance est connue depuis l'époque d'Aristote. Un article de Louis Charles Breguet écrit en 1922 a lancé un effort pour réduire la traînée grâce à l'optimisation. L'auteur a continué à donner vie à ses idées, créant plusieurs avions battant des records dans les années 1920 et 1930. La théorie de la couche limite de Ludwig Prandtl en 1920 a incité à minimiser la friction.
Un autre appel important au séquençage a été lancé par Sir Melville Jones, qui a introduit des concepts théoriques pour démontrer de manière convaincante l'importance du séquençage dans la conception des avions. En 1929, son ouvrage The Streamlined Airplane présenté à la Royal Aeronautical Society fait école. Il a proposé un avion idéal qui aurait une traînée minimale, ce qui a conduit au concept d'un monoplan "propre" et d'un train d'atterrissage rétractable.
L'un des aspects du travail de Jones qui a le plus choqué les concepteurs de l'époque était son tracé de la puissance en chevaux par rapport à la vitesse pour un avion réel et idéal. Si vous regardez le point de données d'un avion et que vous l'extrapolez horizontalement en une courbe parfaite, vous pouvez bientôt voir le gain pour la même puissance. Lorsque Jones eut terminé sa présentation, l'un des auditeursniveau d'importance que le cycle de Carnot en thermodynamique.
Résistance induite par le lifting
Le jeu induit par la portance résulte de la création d'une pente sur un corps tridimensionnel tel qu'une aile ou un fuselage d'avion. Le freinage induit se compose principalement de deux éléments:
- Traînée due à la création de tourbillons traînants.
- Avoir une traînée visqueuse supplémentaire qui n'existe pas lorsque la portance est nulle.
Les tourbillons arrière dans le champ d'écoulement présents à la suite du soulèvement du corps sont dus au mélange turbulent de l'air au-dessus et au-dessous de l'objet, qui s'écoule dans plusieurs directions différentes à la suite de la création de la portance.
Avec d'autres paramètres qui restent les mêmes que la portance créée par le corps, la résistance causée par la pente augmente également. Cela signifie que lorsque l'angle d'attaque de l'aile augmente, le coefficient de portance augmente, tout comme le rebond. Au début d'un décrochage, la force aérodynamique couchée diminue considérablement, tout comme la traînée induite par la portance. Mais cette valeur augmente en raison de la formation d'un flux libre turbulent après le corps.
Traînée intempestive
C'est la résistance causée par le mouvement d'un objet solide à travers un liquide. La traînée parasite a plusieurs composantes, y compris le mouvement dû à la pression visqueuse et à la rugosité de la surface (frottement cutané). De plus, la présence de plusieurs corps à proximité relative peut provoquer ce que l'on appellerésistance aux interférences, qui est parfois décrite comme une composante du terme.
Dans l'aviation, le jeu induit a tendance à être plus fort à basse vitesse car un angle d'attaque élevé est nécessaire pour maintenir la portance. Cependant, à mesure que la vitesse augmente, elle peut être réduite, ainsi que la traînée induite. La traînée parasite, cependant, devient plus importante car le fluide s'écoule plus rapidement autour des objets en saillie, ce qui augmente la friction.
À des vitesses plus élevées (transsoniques), la traînée des vagues atteint un nouveau niveau. Chacune de ces formes de répulsion varie proportionnellement aux autres en fonction de la vitesse. Ainsi, la courbe de traînée globale montre un minimum à une certaine vitesse - l'avion sera à ou près d'une efficacité optimale. Les pilotes utiliseront cette vitesse pour maximiser l'endurance (consommation minimale de carburant) ou la distance de plané en cas de panne moteur.
Courbe de puissance de l'aviation
L'interaction de la traînée parasite et induite en fonction de la vitesse peut être représentée par une ligne caractéristique. En aviation, on parle souvent de courbe de puissance. Il est important pour les pilotes car il montre qu'en dessous d'une certaine vitesse anémométrique, et contre toute attente, plus de poussée est nécessaire pour la maintenir à mesure que la vitesse anémométrique diminue, pas moins. Les implications d'être "dans les coulisses" en vol sont importantes et sont enseignées dans le cadre de la formation des pilotes. Sur subsoniqueà des vitesses où la forme en U de cette courbe est significative, la traînée des vagues n'est pas encore devenue un facteur. C'est pourquoi il n'est pas indiqué sur la courbe.
Freinage en flux transsonique et supersonique
La traînée d'onde compressive est la traînée créée lorsqu'un corps se déplace dans un fluide compressible et à des vitesses proches de la vitesse du son dans l'eau. En aérodynamique, la traînée des vagues a de nombreux composants en fonction du mode de conduite.
En aérodynamique de vol transsonique, la traînée des vagues est le résultat de la formation d'ondes de choc dans le liquide, qui se forment lors de la création de zones locales d'écoulement supersonique. En pratique, un tel mouvement se produit sur des corps se déplaçant bien en dessous de la vitesse du signal, puisque la vitesse locale de l'air augmente. Cependant, le flux supersonique complet au-dessus du véhicule ne se développera pas tant que la valeur n'aura pas été beaucoup plus loin. Les aéronefs volant à des vitesses transsoniques subissent souvent des conditions de vagues pendant le cours normal du vol. En vol transsonique, cette répulsion est communément appelée traînée de compressibilité transsonique. Il s'intensifie considérablement à mesure que sa vitesse de vol augmente, dominant les autres formes à ces vitesses.
En vol supersonique, la traînée des vagues est le résultat d'ondes de choc présentes dans le fluide et attachées au corps, se formant sur les bords d'attaque et de fuite du corps. Dans les écoulements supersoniques, ou dans les coques avec des angles de rotation suffisamment grands, il y aura plutôtdes chocs lâches ou des ondes courbes se forment. De plus, des zones locales d'écoulement transsonique peuvent se produire à des vitesses supersoniques inférieures. Parfois, ils conduisent au développement d'ondes de choc supplémentaires présentes sur les surfaces d'autres corps d'ascenseur, similaires à celles trouvées dans les écoulements transsoniques. Dans les régimes d'écoulement puissants, la résistance des vagues est généralement divisée en deux composantes:
- Ascension supersonique en fonction de la valeur.
- Volume, qui dépend aussi du concept.
La solution de forme fermée pour la résistance minimale aux ondes d'un corps de révolution de longueur fixe a été trouvée par Sears et Haack et est connue sous le nom de "Distribution de Seers-Haack". De même, pour un volume fixe, la forme de la résistance minimale aux vagues est "Von Karman Ogive".
Le biplan de Busemann, en principe, n'est pas du tout soumis à une telle action lorsqu'il fonctionne à la vitesse de conception, mais n'est pas non plus capable de générer de la portance.
Produits
Une soufflerie est un outil utilisé dans la recherche pour étudier l'effet de l'air passant devant des objets solides. Cette conception consiste en un passage tubulaire avec l'objet à tester placé au milieu. L'air est déplacé devant l'objet par un puissant système de ventilation ou par d'autres moyens. L'objet de test, souvent appelé modèle de tuyau, est équipé de capteurs appropriés pour mesurer les forces aériennes, la répartition de la pression ou d'autrescaractéristiques aérodynamiques. Cela est également nécessaire pour détecter et corriger le problème dans le système à temps.
Quels sont les types d'avions
Regardons d'abord l'histoire. Les premières souffleries ont été inventées à la fin du XIXe siècle, au tout début de la recherche aéronautique. C'est alors que beaucoup ont essayé de développer des avions plus lourds que l'air. La soufflerie a été conçue comme un moyen de renverser le paradigme conventionnel. Au lieu de rester immobile et de déplacer un objet à travers lui, le même effet serait obtenu si l'objet restait immobile et que l'air se déplaçait à une vitesse plus élevée. De cette façon, un observateur stationnaire peut étudier le produit volant en action et mesurer l'aérodynamisme pratique qui lui est imposé.
Le développement des tuyaux a accompagné le développement de l'avion. De grands éléments aérodynamiques ont été construits pendant la Seconde Guerre mondiale. Les essais dans un tel tube étaient considérés comme stratégiquement importants lors du développement des avions supersoniques et des missiles pendant la guerre froide. Aujourd'hui, les avions sont n'importe quoi. Et presque tous les développements les plus importants ont déjà été introduits dans la vie quotidienne.
Plus tard, la recherche en soufflerie est devenue une évidence. L'effet du vent sur les structures ou les objets artificiels devait être étudié lorsque les bâtiments devenaient suffisamment hauts pour présenter de grandes surfaces au vent, et les forces résultantes devaient être résistées par les éléments internes du bâtiment. La définition de tels ensembles était nécessaire avant que les codes du bâtiment puissentdéterminer la résistance requise des structures. Et de tels tests continuent d'être utilisés pour les bâtiments de grande taille ou inhabituels à ce jour.
Même plus tard, des contrôles ont été appliqués à la traînée aérodynamique des voitures. Mais il ne s'agissait pas de déterminer les forces en tant que telles, mais d'établir des moyens de réduire la puissance nécessaire pour déplacer la voiture le long des plates-formes à une vitesse donnée. Dans ces études, l'interaction entre la route et le véhicule joue un rôle important. C'est lui qui doit être pris en compte lors de l'interprétation des résultats des tests.
Dans une situation réelle, la chaussée se déplace par rapport au véhicule, mais l'air est toujours relatif à la route. Mais dans une soufflerie, l'air se déplace par rapport à la route. Alors que ce dernier est immobile par rapport au véhicule. Certaines souffleries de véhicules d'essai comprennent des courroies mobiles sous le véhicule d'essai. C'est pour se rapprocher de l'état réel. Des dispositifs similaires sont utilisés dans les configurations de décollage et d'atterrissage en soufflerie.
Équipement
Les échantillons d'équipements sportifs sont également courants depuis de nombreuses années. Ils comprenaient des clubs et des balles de golf, des bobsleighs et des cyclistes olympiques et des casques de voiture de course. L'aérodynamisme de ce dernier est particulièrement important dans les véhicules à cabine ouverte (Indycar, Formula One). Une force de levage excessive sur le casque peut causer un stress importantsur le cou du conducteur, et la séparation du flux à l'arrière est un joint turbulent et, par conséquent, une vision altérée à grande vitesse.
Les progrès des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD) sur des ordinateurs numériques à grande vitesse ont réduit le besoin d'essais en soufflerie. Cependant, les résultats CFD ne sont toujours pas complètement fiables, cet outil est utilisé pour vérifier les prédictions CFD.
