Aerodinámica

Da Wikipedia, a enciclopedia libre.
Ir á navegación Ir á busca

A aerodinámica é a rama da dinámica de fluídos que estuda a dinámica dos gases , en particular do aire , e a súa interacción cos corpos sólidos. Resolver un problema aerodinámico xeralmente implica resolver ecuacións para calcular diferentes propiedades do aire, como a velocidade , a presión , a densidade e a temperatura , en función do espazo e do tempo .

Clasificación e campos de aplicación

Xeralmente, os problemas aerodinámicos clasifícanse segundo o ambiente no que se define o fluxo.

Os estudos de aerodinámica externa flúen ao redor de corpos sólidos. Os campos de aplicación típicos inclúen, por exemplo, a determinación da elevación e arrastre dun perfil aerodinámico no dominio aeronáutico e de xeito similar no automobilístico.

Outros campos de aplicación pódense atopar de xeito máis xeral no deseño de calquera tipo de vehículo , así como en aplicacións navais . A enxeñería civil tamén se ocupa da aerodinámica e, en particular, da aeroelasticidade para a determinación de cargas eólicas en pontes ou grandes estruturas.

A aerodinámica interna, por outra banda, estuda os fluxos dentro dos corpos sólidos, como, por exemplo, os fluxos nun motor ou nas canles de acondicionamento.

Outras clasificacións

Os problemas de aerodinámica clasifícanse en base ás mesmas características que se poden ver de xeito máis xeral na dinámica de fluídos e ás que se fai referencia para unha discusión detallada

A clasificación baseada nas velocidades de fluxo é moi importante para aplicacións aerodinámicas típicas. En particular, dise un problema aerodinámico:

Forzas aerodinámicas

Forzas que actúan nun avión

Un dos logros máis importantes da aerodinámica é a determinación das forzas aerodinámicas que actúan sobre un corpo. O seu cálculo preciso é de fundamental importancia no deseño dun avión , un veleiro ou un coche de carreiras ( Fórmula 1 , por exemplo).

En particular, tres forzas actúan sobre unha aeronave en condicións de voo horizontal recto uniforme:

  • o peso do avión "W" (do inglés Weight), debido á forza de gravidade;
  • o empuxe dos motores "T" (do inglés Thrust);
  • a forza aerodinámica resultante "R".

Por convención, para simplificar os cálculos, a forza aerodinámica resultante descomponse nunha compoñente perpendicular á velocidade da aeronave ( velocidade asintótica ) e nunha compoñente paralela á velocidade da aeronave; respectivamente:

(Nota: a notación en inglés é de uso común na aeronáutica)

Para ter un voo recto e uniforme estas forzas deben estar en equilibrio, é dicir, debe haber:

  • L = O
  • D = T

Ascensor

Forzas que actúan sobre un perfil aéreo

A elevación defínese como a forza aerodinámica que actúa nunha dirección perpendicular á dirección do vento que golpea o perfil e permite ao avión despegar. É positivo se está orientado cara arriba.

A elevación xérase pola diferenza de presión entre a parte inferior e superior dunha aeronave. Toda a aeronave pode contribuír ao desenvolvemento da elevación, pero a principal contribución débese á á. [1] A forma particular do perfil aéreo permite diferenciar a velocidade do fluído entre o extrado ou a parte traseira (parte superior da á) e o intrado ou a barriga (parte inferior da á). Coñecendo o coeficiente de elevación dun perfil (ou dun corpo) é posible rastrexar o ascensor:

onde ρ indica a densidade do aire, con V a velocidade de voo; S a superficie de referencia (no caso dos avións esta é a superficie das ás ). é un coeficiente adimensional chamado coeficiente de elevación . Varía segundo a forma xeométrica da á, o ángulo de ataque, o número de Reynolds e o número de Mach . En particular, para ángulos de ataque inferiores ao ángulo de parada é posible expresar o coeficiente de elevación como:

onde α indica a incidencia do perfil (ángulo formado pola corda do perfil coa dirección do vento imperturbable que o bate). Máis alá do ángulo de parada, esta relación lineal xa non é válida e nótase unha forte diminución do coeficiente de elevación.

Resistencia

Tendencia típica dos coeficientes C L e C D dunha á finita

O arrastre defínese como a forza aerodinámica que actúa nunha dirección paralela (e con dirección oposta) á dirección do movemento. Básicamente consta de catro termos:

  • resistencia á fricción
  • formar resistencia
  • resistencia inducida (ou resistencia ao vórtice)
  • resistencia á onda

A resistencia á fricción débese á viscosidade do fluído (ver entrada da capa límite ). Nun avión representa aproximadamente o 60% da resistencia total

A resistencia á forma débese á forma particular do corpo e débese ao desprendemento da capa límite. Os corpos divídense en aerodinámicos, onde o desprendemento ocorre como máximo en áreas limitadas e o velorio é mínimo, e corpos en cuclillas, onde a capa límite non permanece unida ao corpo e o velorio é moi grande. En consecuencia, a resistencia tamén é maior nos corpos en cuclillas.

O arrastre inducido débese á presenza de elevación . Na superficie superior do perfil aéreo a presión é menor que na superficie inferior. As ecuacións de Navier-Stokes establecen que nestas condicións o fluxo de aire tenderá a pasar do intrado ao extrado cando isto sexa posible. Nun á de lonxitude finita isto ocorre nas puntas das ás.

A resistencia ás ondas só está presente cando se voa a velocidades próximas ou superiores ás do son. Nestas condicións, xéranse ondas de choque que aumentan a resistencia. O efecto desta resistencia tamén comeza a manifestarse por Ma > 0,85, é dicir, cando se voa a velocidades subsónicas e o fluxo acelera localmente a velocidades supersónicas, volvendo despois subsónicas a través dunha onda de choque. [2]

Coñecendo o coeficiente de resistencia, a resistencia pódese obter como:

onde ρ é a densidade do aire, V é a velocidade de voo, S é a superficie de referencia (no caso dos avións é unha superficie de ás , no caso dos coches úsase a superficie frontal do vehículo).

C D (tamén coñecido como C X no campo da automoción) é un coeficiente adimensional chamado coeficiente de arrastre . Varía segundo a forma xeométrica da á, o ángulo de ataque, o número de Reynolds e o número de Mach . [3]

Os avances realizados en dinámica de fluídos computacional , xunto co rendemento cada vez máis alto dos ordenadores electrónicos , permítennos facer unha estimación moi precisa dos distintos coeficientes aerodinámicos ( , e outros). Non obstante, dado o considerable custo computacional ( teoría da complexidade computacional) deste tipo de simulacións, a complexidade matemática dos problemas aerodinámicos e o coñecemento incompleto dos fenómenos físicos que os rexen, estes coeficientes aínda adoitan determinarse empíricamente mediante a medición (dentro do túnel do vento). ou mediante probas de voo) as forzas que actúan sobre avións ou a pequena escala ou modelos a escala natural.

Nota

  1. "Aerodinámica, aeronáutica e mecánica de voo" de Barnes W. McCormick, Ed. John Wiley & sons, inc., 1995.
  2. Carlo Casarola, Mecánica de voo . Ed. Plus, 2004.
  3. John D. Anderson, Fundamentals of Aerodynamics, 5a edición , McGraw-Hill Education, 2011

Elementos relacionados

Outros proxectos

Ligazóns externas

Control da autoridade Thesaurus BNCF 19849 · LCCN (EN) sh85001295 · GND (DE) 4000589-6 · BNF (FR) cb11930830m (data) · NDL (EN, JA) 00.566.027