Strømningsmotstand er et omfattende problem. Drivstofforbruket til en bil ved høy hastighet kommer hovedsakelig fra luftmotstand i stedet for bakkefriksjonsmotstand. Grunnen til at smog kan "suspenderes" i luften skyldes også strømningsmotstand. Disse illustrerer alle viktigheten av luftmotstand.
01
Trykkdifferansemotstand og friksjonsmotstand
Fra et kraftsynspunkt er motstanden til objektet den direkte virkningen av væsken på overflaten. Det som er vinkelrett på overflaten av objektet er væsketrykket, og motstanden som genereres av det kalles differensialtrykkmotstand; det som er parallelt med overflaten til objektet er den viskøse skjærkraften til væsken, og motstanden som genereres av den kalles friksjonsmotstand. Bortsett fra disse to kreftene er det ingen annen kraft. Derfor er den totale motstanden til et objekt den resulterende kraften av trykkforskjellsmotstand og friksjonsmotstand. Trykkforskjellsmotstanden er nært knyttet til formen på gjenstanden, og friksjonsmotstanden er hovedsakelig relatert til gjenstandens overflate.
Noen steder sier det at i tillegg til trykkforskjellsmotstand og friksjonsmotstand, er det indusert motstand, sjokkbølgemotstand osv., noe som er en misforståelse. Faktisk kan både indusert motstand og sjokkbølgemotstand tilskrives trykkforskjellsmotstand og friksjonsmotstand (hovedsakelig trykkforskjellsmotstand).
02
formmotstand bakre motstand
Det har vært kjent siden oldtiden at gjenstander som beveger seg i en væske vil oppleve motstand, og motstanden er nært knyttet til formen på gjenstanden. Men den opprinnelige teorien om fluidmekanikk kom til motsatt konklusjon. Basert på lovene for væskebevegelse til Euler og Bernoulli, hvis viskositeten til væsken ignoreres, vil væsken ikke produsere motstand mot gjenstander av noen form som beveger seg i den.
Det ser ut til at motstanden er helt forårsaket av viskositet, men viskositeten til luft er veldig liten, og friksjonsmotstanden som produseres av den er mye mindre enn den faktisk målte aerodynamiske motstanden. Denne motsetningen er kjent i historien som "D'Alemberts paradoks" fordi den ble foreslått av den franske matematikeren D'Alembert.
Det var ikke før Prandtl la frem grenselagsteorien at folk virkelig innså essensen av strømningsmotstand. Trykkforskjellsmotstand er hovedkomponenten i aerodynamisk motstand, mens for generelle objekter skyldes trykkforskjellsmotstand hovedsakelig grenselagseparasjon.
Tidlige mennesker (kanskje mange tror det nå) basert på en slags "sunn fornuft", mente at formen på den fremre delen av objektet bestemmer størrelsen på motstanden, og motstanden vil være liten hvis den fremre delen er skarpere . Med grenselagsteorien er det viktigere å oppdage formen på baksiden av objektet. Fordi formen på baksiden av objektet bestemmer hvor grenselaget skiller seg og dermed trykkfordelingen på overflaten av objektet.
Vanlige fisker og fugler er relativt perfekte strømlinjeformede kropper, med runde hoder og spisse haler.
03
Formmotstand Frontmotstand
Selv om formen på baksiden av objektet er avgjørende for mengden drag, er også formen på fronten viktig. For eksempel, hvis fronten av objektet er firkantet, vil væsken skille seg tidlig ved de skarpe hjørnene, og den nøye utformede formen på baksiden vil miste sin betydning. For lastebilene som for tiden kjører på motorveien, er formoptimaliseringen som er oppnådd hovedsakelig konsentrert om den fremre delen, og den bakre delen er begrenset av formen på containeren, slik at mindre arbeid har blitt gjort. For objekter som beveger seg med transonisk hastighet, vil sjokkbølgen generere ekstra motstand, så frontdelen er utformet i en veldig spiss form, slik at kjeglevinkelen til sjokkbølgen er mindre for å redusere motstanden.
04
Motstand mot sjokkbølger
Når den innkommende strømningshastigheten nærmer seg eller overskrider lydhastigheten, vil det genereres sjokkbølger, som vil gi ytterligere sjokkbølgemotstand. I hovedsak er sjokkbølgemotstand også en slags trykkforskjellsmotstand, som er forårsaket av utilstrekkelig trykkgjenvinning i den bakre halvdelen av objektet på grunn av eksistensen av sjokkbølger. Ved å neglisjere det viskøse tapet, når det ikke er noen sjokkbølge, tilsvarer retardasjonen av luftstrømmen i andre halvdel av objektet en trykkøkning Δp1; når det er en sjokkbølge, mister luftstrømmen delvis en del av den mekaniske energien når den passerer gjennom sjokkbølgen, og trykkstigningen Δp2 tilsvarende samme retardasjon vil være mindre enn Δp1. Derfor, når det er en sjokkbølge, er trykket i den bakre halvdelen av objektet litt lavere, som er kilden til sjokkbølgemotstanden. Å gjøre forkanten av objektet skarp kan redusere støtkjeglevinkelen, og dermed redusere tapet forårsaket av støtbølgen, og også redusere støtbølgemotstanden. Når skipet reiser på vannoverflaten, vil det generere overflatebølger og også ha bølgemotstand, så det bør gjøres spiss, mens ubåten som reiser under vann er avrundet.
Å bruke energitap for å forklare sjokkbølgemotstand er ikke direkte nok. Tross alt er trykket og den viskøse kraften på overflaten av et objekt faktorene som direkte bestemmer størrelsen på motstanden. Deretter forklares sjokkbølgemotstanden av endringen i overflatetrykket til objektet.
05
Effekt av form og overflatekvalitet på luftmotstand
Å redusere motstand er et evig tema for fluidmekanikk. Bruken av strømlinjer kan effektivt redusere differensialtrykkmotstanden, hovedsakelig fordi det ikke er noen grenselagseparasjon på overflaten av et godt designet strømlinjeformet legeme, og dermed redusere differensialtrykkmotstanden.
I tillegg til form, påvirker overflateruheten til et objekt også drag. Generelt er det slik at jo glattere overflaten er, jo mindre er friksjonsmotstanden, men noen ganger er overflaten til gjenstanden med vilje grov, slik at grenselaget blir turbulent for å hindre separasjon, og derved redusere trykkdifferensialmotstanden betydelig.
06
Oppsummer
Når man analyserer den aerodynamiske motstanden til et objekt, er vanen med væskemekanikk å dele den i henhold til kraftens form. Motstanden forårsaket av trykket som virker vertikalt på overflaten av objektet kalles differensialtrykkmotstand, mens motstanden forårsaket av friksjonskraften parallelt med objektets overflate kalles friksjonsmotstand. Siden det ikke er noen annen kraft enn disse to kreftene på overflaten av et objekt, er enhver form for motstand enten trykkforskjellsmotstand eller friksjonsmotstand, eller begge deler.
Trykkforskjellsmotstanden forårsaket av strømningsseparasjon og trykkforskjellsmotstanden forårsaket av sjokkbølger er de største faktorene som påvirker den aerodynamiske motstanden til objekter.
Subsoniske lavmotstandsobjekter har runde hoder og spisse haler, mens supersoniske lavmotstandsobjekter har spisse ender.
