Фольга (гидромеханика) - Foil (fluid mechanics)

Эта статья о фольге (механика жидкости). Для других типов фольги см. Фольга (значения).

А фольга представляет собой твердый объект такой формы, что при размещении в движущемся жидкость в подходящем угол атаки то поднимать (сила, создаваемая перпендикулярно потоку жидкости) существенно больше, чем тащить (сила, создаваемая параллельно потоку жидкости). Если жидкость газ фольгу называют профиль или aerofoil, и если жидкость воды фольга называется подводное крыло.

Физика фольги

Обтекает профиль NACA 0012 при умеренном угле атаки

Фольга создает подъемную силу в первую очередь из-за ее формы и угол атаки. При ориентации под подходящим углом фольга отклоняет набегающую жидкость, в результате чего на фольгу действует сила в направлении, противоположном отклонению. Эту силу можно разделить на две составляющие: поднимать и тащить. Это «вращение» жидкости вблизи фольги создает изогнутые линии тока, что приводит к более низкому давлению с одной стороны и более высокому - с другой. Эта разница давлений сопровождается разницей скоростей, через Принцип Бернулли Таким образом, для фольги с положительными углами атаки и отличных от плоских пластин результирующее поле потока вокруг фольги имеет более высокую среднюю скорость на верхней поверхности, чем на нижней поверхности.[1][2][3][4]

Более подробное описание поля потока дает упрощенные уравнения Навье-Стокса, применимо, когда жидкость несжимаемый. Однако, поскольку влияние сжимаемости воздуха на низких скоростях незначительно, эти упрощенные уравнения можно использовать как для аэродинамических профилей, так и для судов на подводных крыльях, если поток жидкости существенно меньше скорости звука (примерно до Мах 0.3).[5][6]

Основные соображения по конструкции

В вырожденный случай фольги представляет собой простую плоскую тарелку. При установке под углом ( угол атаки ) к потоку пластина будет отклонять жидкость, проходящую над и под ней, и это отклонение приведет к возникновению подъемной силы на пластине. Однако, хотя он и создает подъемную силу, он также создает большое сопротивление.[7]

Поскольку даже простая плоская пластина может создавать подъемную силу, важным фактором при проектировании фольги является минимизация сопротивления. Примером этого является руль лодки или самолета. При проектировании руля направления ключевым конструктивным фактором является минимизация лобового сопротивления в его нейтральном положении, которое уравновешивается необходимостью создания достаточной подъемной силы, с помощью которой можно поворачивать судно с разумной скоростью.[8]

Другие типы пленок, как натуральные, так и созданные руками человека, встречающиеся как в воздухе, так и в воде, имеют особенности, которые задерживают или контролируют начало сопротивление, вызванное подъемной силой, разделение потока, и ларек (видеть Полет птицы, Плавник, Аэродинамический профиль, Плакоидная шкала, Бугорок, Генератор вихрей, Слух (моноблочный), Взорванный клапан, Слот переднего края, Передние планки ), а также Вихри крыла (видеть Winglet ).

Поднятый вес

Поднимаемый вес в зависимости от высоты и глубины от 20 км выше до 10 км ниже уровня моря: крылом площадью 100 м по квадрату (соотношение сторон 10: 1) со скоростью 10 м / с.
Поднимаемый вес в зависимости от высоты и глубины от 10 м над уровнем моря до 5 м ниже уровня моря: крылом площадью 100 м по квадрату (соотношение сторон 10: 1) со скоростью 10 м / с.

Поднимаемый вес пропорционален коэффициенту подъемной силы, плотности жидкости, площади крыла и истинной скорости в квадрате. Сравнение поднятого веса в зависимости от высоты и глубины выявляет большие различия примерно в 3000 раз от 11 км над уровнем моря до 10 км ниже уровня моря, разделенные на следующие факторы: ~ 4 между вершиной и уровнем моря , ~ 400 между полетом близко к земле и глиссированием на воде, ~ 2 между глиссированием на воде и в полностью погруженном состоянии. Наиболее драматические изменения происходят из-за различных жидкостей и уровней высоты. Самый интересный сектор для обсуждения подъемной силы - близкий к уровню моря: самолет приближается к земле, пластины глиссируют по воде, а суда на подводных крыльях едва погружаются в воду. У них есть одно основное сходство: почти любая форма, если она не слишком толстая, будет работать как (воздушная) фольга и создавать подъемную силу, когда угол атаки находится в правильном диапазоне.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «... эффект крыла состоит в том, чтобы придать воздушному потоку нисходящую составляющую скорости. Затем сила реакции отклоненной воздушной массы должна воздействовать на крыло, чтобы дать ему равную и противоположную восходящую составляющую». В: Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт, Основы физики 3-е издание, John Wiley & Sons, стр. 378
  2. ^ "Если тело имеет форму, перемещается или наклоняется таким образом, чтобы вызвать результирующее отклонение или поворот потока, локальная скорость изменяется по величине, направлению или по обоим направлениям. Изменение скорости создает результирующую силу на теле. " «Лифт от вращения потока». Исследовательский центр Гленна НАСА. Архивировано из оригинал на 2011-07-05. Получено 2011-06-29.
  3. ^ «Причина аэродинамической подъемной силы - ускорение воздуха крылом вниз ...» Вельтнер, Клаус; Ингельман-Сундберг, Мартин, Физика полета - обзор, заархивировано из оригинал на 2011-07-19
  4. ^ "... если линия тока изогнута, должен быть градиент давления поперек линии тока ..."Бабинский, Хольгер (ноябрь 2003 г.), "Как работают крылья?" (PDF), Физическое образование, 38 (6): 497–503, Дои:10.1088/0031-9120/38/6/001
  5. ^ «... движение объектов в воздухе и в воде подчиняется одинаковым законам, пока их скорость не приближается к скорости звука.» (стр. 41) «... воздух тоже можно рассматривать как несжимаемый, пока скорости потока остаются достаточно низкими. Это предположение примерно справедливо до тех пор, пока самолеты летают медленнее ... примерно одной трети скорости звука »(стр. 61). Что заставляет самолеты летать? Вегенер, Питер П. Спрингер-Верлаг 1991 ISBN  0-387-97513-6
  6. ^ «... низкоскоростной поток воздуха, где V <100 м / с (или V <225 миль / ч) также можно считать несжимаемым в близком приближении». в Андерсоне, Джон Д. Мл. Введение в полет 4-е изд Макгроу-Хилл 2000 ISBN  0-07-109282-X стр.114
  7. ^ «Плоская плита, удерживаемая под правильным углом атаки, действительно создает подъемную силу, но также создает большое сопротивление. Сэр Джордж Кейли и Отто Лилиенталь в 1800-х годах показали, что изогнутые поверхности создают большую подъемную силу и меньшее сопротивление, чем плоские поверхности». http://quest.nasa.gov/aero/planetary/atmospheric/aerodynamiclift.html В архиве 2011-10-27 на Wayback Machine
  8. ^ НАСА. "Что такое лифт?". Архивировано из оригинал 9 марта 2009 г.. Получено 5 июля, 2011.
  9. ^ «Поднятый_вес_as_a_Function_of_Altitude_and_Depth_by_Rolf_Steinegger» https://doi.org/10.21256/zhaw-4058

внешняя ссылка