W mechanice płynów The przeciąganie lub przeciąganie jest siłą, która jest przeciwna do ruchu ciała w postaci cieczy lub gazu, a także działa jako tarcie. Z matematycznego punktu widzenia, jest to element o sił wywieranych na korpus w kierunku przeciwnym do prędkości względnej ciała w stosunku do cieczy.
W aerodynamice jest to, obok siły nośnej , jedna z dwóch podstawowych wielkości. Związek między siłą nośną a oporem nazywa się finezją .
W transporcie lądowym opór aerodynamiczny zawsze towarzyszy opór roboczy (w przypadku transportu drogowego jest to np. Opór toczenia opon na jezdni).
Na całkowity opór aerodynamiczny składają się różne typy zjawisk, wyróżniamy opór kształtowy (lub ciśnienie) , opór tarcia (lub tarcie) (najważniejsze dla ciał profilowanych) oraz w reżimach transsonicznych i naddźwiękowych opór falowy, ale także opór indukowany . W przypadku przyspieszonego ruchu należy również uwzględnić dodaną masę .
Z analizy wymiarowej wynika, że opór przeszkody można zapisać w przypadku przepływu turbulentnego w postaci:
z:
, Gęstość płynu, prędkość z dala od przeszkody, , powierzchnia odniesienia ( główny moment obrotowy kształtu, powierzchnia rzutu skrzydła, zanurzona powierzchnia kadłuba), , współczynnik oporu powietrza .Współczynnik 1/2 został ustanowiony w marcu 1923 r. Po wspólnej refleksji wszystkich aerodynamików tamtych czasów, na wniosek Richarda Knollera, tak aby definicja została ujednolicona na całym świecie. Zaletą tego współczynnika 1/2 jest to, że indeksuje go na podstawie dynamicznego ciśnienia przepływu.
Ta formuła nie mówi, że opór jest proporcjonalny do kwadratu prędkości (ponieważ może być zmienny wraz z prędkością. Pozwala jedynie na racjonalne uporządkowanie wyników badań poprzez przedstawienie współczynnika oporu, bezwymiarowej liczby , jako funkcji innych bezwymiarowych liczb. Wśród nich niektóre nie zależą od prędkości, takie jak stosunki długości, które opisują geometrię przeszkody lub częstotliwość występowania skrzydła. W pewnych zakresach liczby Reynoldsa przepływu (liczba charakteryzująca wpływ lepkości ) może być prawie stały. W innych zakresach już tak nie jest (patrz poniżej, na przykład krzywa kuli w dowolnym możliwym zakresie Reynoldsa). Ponadto przy bardzo niskich wartościach Reynoldsa nie możemy dłużej uważać, że siła oporu jest proporcjonalna do kwadratu prędkości. Podobnie, przy dużych prędkościach, wpływ liczby Macha, który charakteryzuje efekt Compr istotność jest również odczuwana w przeważający sposób.
C x jest powszechnie używany w samochodach do porównywania modeli. Powierzchnia czołowa tych modeli jest często traktowana jako powierzchnia odniesienia.
Gdy geometria ciała nie jest regularna (a powierzchnia odniesienia jest różna, jak u rowerzysty czy biegacza), trudniej mówić o C x . Równoważne obszar przeciągania (lub równoważne obszar przeciągania ) SC x jest następnie wykorzystywany to SC x jako iloraz siły oporu przez ciśnienia dynamicznego przepływu. Jednak szacuje się, że C x biegacza Usaina Bolta jest rzędu 1,2. Hoerner podaje, że powierzchnia oporu dla wyczynowego narciarza wynosi od 0,48 do 0,60 m².
We wszystkich przypadkach występuje tarcie oporu lub tarcie, które wynika z mokrego korpusu powierzchni napędowej przez płyn; ten opór tarcia powoduje rozproszenie energii mechanicznej przepływu, która zamienia się w ciepło. Jest to niezbędne dla cienkiego ciała, takiego jak płaska płyta (przy zerowej częstości w porównaniu do płynu).
W dalszej części rozważymy przypadek przepływu względem stałej przeszkody (jak w tunelu aerodynamicznym).
Lokalna prędkość przepływu waha się od zera na ścianie przeszkody do jej wartości daleko od niej. W związku z tym obserwuje się zmiany prędkości, które mają tendencję do osłabiania lepkości płynu zgodnie ze zjawiskiem analogicznym do tarcia w stanie stałym, powodującego ogrzewanie płynu.
Przy bardzo małych prędkościach, odpowiadających bardzo małej liczbie Reynoldsa, dominuje lepkość. Współczynnik oporu (jak zdefiniowano wcześniej) wydaje się wtedy być odwrotnie proporcjonalny do liczby Reynoldsa. Siła oporu jest zatem proporcjonalna do prędkości, a nie do jej kwadratu, a także proporcjonalna do długości charakterystycznej, a nie do powierzchni. Ten reżim przepływu nazywa się reżimem Stokesa.
Im bardziej wzrasta liczba Reynoldsa, tym trudniej jest spowolnić ogólny przepływ lepkości. Strefa zmian prędkości narzucona przez stan antypoślizgowości na ścianie zwęża się i tworzy tak zwaną warstwę graniczną , która koncentruje większość efektów lepkości. Jeśli w tej warstwie granicznej równanie Bernoulliego jest już nieaktualne, poza tą warstwą graniczną staje się znowu ważne. W celu ilościowego określenia współczynnika tarcia zobacz artykuł szczegółowy Warstwa graniczna .
Kiedy płyn styka się z profilem, przepływ jest początkowo laminarny : warstwa graniczna jest laminarna; ta warstwa graniczna, jak również smugi płynu nad nią, podążają za kształtem przeszkody. Z tak zwanej strefy przejściowej przepływ pozostaje przyczepiony, ale warstwa graniczna staje się turbulentna , a zawarte w niej cząstki mają błędne trajektorie. Turbulentna warstwa graniczna jest grubsza i rozprasza więcej energii niż laminarna warstwa graniczna (lokalny opór tarcia profilu staje się silniejszy). Aby zmniejszyć opór tarcia, wydaje się zatem pożądane przesunięcie przejścia laminarnego / turbulentnego tak daleko, jak to możliwe (co daje „laminarny” profil szybowców). Jednak w niektórych przypadkach korzystne jest utrzymywanie warstwy granicznej w stanie turbulentnym, aby opóźnić separację (odrywanie), co skutkuje dużym oporem dennym.
Opór cierny to większość oporu na cienkiej przeszkodzie. Gdy tylko przeszkoda osiągnie określoną grubość, na wyprofilowany korpus (w przepływie dołączonym) nakłada się umiarkowany opór kształtu (lub ciśnienie), który staje się dominujący na korpusie nieprofilowanym (w przepływie oderwanym).
W przypadku idealnego płynu (bez lepkości), płyn jest przyspieszany w górę i zwalniany z tyłu. Zgodnie z twierdzeniem Bernoulliego , ciśnienie na powierzchni ciała spada tuż za punktem zatrzymania (gdzie jest maksymalne), osiąga minimum w pobliżu głównego momentu obrotowego ciała, a następnie stopniowo rośnie ponownie, aby znaleźć (teoretycznie) tę samą wartość jako upstream. W ten sposób pojawia się paradoks D'Alemberta: bez lepkości całkowanie sił nacisku na ciało skutkowałoby zerowym oporem. W rzeczywistości płyny są lepkie (z tą zaletą, że lepkość utrzymuje ich spójność). Gdy w płynie siły wynikające z tej lepkości stają się małe (w stosunku do sił bezwładności), tj. przy stosunkowo wysokich liczbach Reynoldsa (w przypadku obecnych pojazdów) często występuje rozdzielenie przepływu lub dokładniej oddzielenie warstwy granicznej . To oderwanie powoduje powstanie wiru (lub podstawy ) w dole strumienia w wyraźnej depresji, która tworzy silny opór (zwany podstawą ).
Przy symetrycznym, nieprofilowanym korpusie, takim jak cylinder, oderwanie to wytwarza dwa symetryczne wiry (zdjęcie powyżej). Niewielki wzrost prędkości sprzyja jednemu z dwóch, a gdy jego średnica osiągnie wartość rzędu średnicy cylindra, zrywa się i zostaje zastąpiony przez wir znajdujący się po drugiej stronie, w wyniku czego powstaje aleja wirów Karmana . Większy wzrost liczby Reynoldsa zmienia zorganizowany przebudzenie wirowe w zdezorganizowany ślad. W obu przypadkach prędkości cząstek płynu są zwiększane za ciałem, co powoduje spadek ciśnienia, a tym samym wzrost oporu.
Ten opór (znany jako kształt lub ciśnienie ) odpowiada zatem w mniejszym stopniu nadciśnieniom przed prądem niż obniżeniu w dół (depresja związana z separacją) (obserwuje się na przykład przewagę oporu podstawowego, a zatem niewielkie znaczenie oporu przedniego korpusu. , w większości obecnych sedanów) (patrz Aerodynamika motoryzacyjna ).
Do badania oporu formy (lub ciśnienia) wykorzystujemy współczynniki ciśnienia na powierzchni ciała, które można zintegrować na całej powierzchni, aby poznać ciśnienie.
Na powierzchni wyprofilowanego korpusu tworzy się cienka warstwa, na którą działają siły wynikające z lepkości płynu. Ta cienka warstwa nazywana jest warstwą graniczną . Ta warstwa graniczna stopniowo pogrubia się od góry do dołu ciała i jest otoczona strefą zdrowego przepływu, w której lepkość płynu jest nieistotna (i gdzie równanie Bernoulliego jest zatem ważne). Opływowy korpus ma niski opór. Jeśli maksymalnie popchniemy nasze profilowanie, otrzymamy ciała z mniejszym oporem (przypadek największej bryły - na niebiesko - na zdjęciu obok).
Skrzydło samolotu jest jednocześnie opływowe i cienkie, a ta ostatnia cecha zbliża je do płyty. Opór kształtu skrzydła jest pomijalny przy niezbyt dużej częstotliwości (o ile przepływ pozostaje połączony); to rzeczywiście przeważa opór tarcia (proporcjonalny do powierzchni ścian). Jednak zdarza się, że na górnej powierzchni tworzy się wir, który powoduje miejscowe oddzielenie ze znacznym wzrostem oporu i spadkiem siły nośnej. To oderwanie postępuje w górę rzeki (przednia krawędź ciała), gdy kąt natarcia wzrasta i może prowadzić do przeciągnięcia .
Idealnie wyprofilowane nadwozie 3D (na przykład sterowiec) ma również znikomy opór kształtu: jego opór aerodynamiczny pochodzi prawie w całości z oporu ciernego (patrz artykuł Least Drag Body ).
Skrzydło o skończonej rozpiętości tworzy opór wywołany siłą nośną przez wiry na końcach skrzydła. Są one związane z wyrównywaniem ciśnień pochodzących z intrad i extrad.
W przypadku fal uderzeniowych prędkość przepływu gwałtownie spada, tak że jego składowa normalna dla wstrząsu zmienia się z naddźwiękowego na poddźwiękowy, co skutkuje nowym typem oporu odpowiadającego dodatkowemu zużyciu energii.
W fazie transonicznej fala uderzeniowa zlokalizowana na górnej powierzchni jest źródłem zjawiska podobnego do oderwania, które oprócz wzrostu oporu powoduje niestabilność.
W fazie naddźwiękowej zjawisko to zanika, ale w przypadku klasycznego profilu skrzydła z zaokrągloną krawędzią natarcia zostaje zastąpione nowym pojęciem oporu związanego z oderwaną falą uderzeniową.