Aerodynamik ist ein Zweig der Dynamik, die mit dem Studieren der Bewegung von Luft besonders betroffen ist, wenn es mit einem festen Gegenstand aufeinander wirkt. Aerodynamik ist ein Teilfeld der flüssigen Dynamik und Gasdynamik mit viel zwischen ihnen geteilter Theorie. Aerodynamik wird häufig synonymisch mit der Gasdynamik verwendet, mit dem Unterschied, der diese Gasdynamik ist, gilt für das ganze Benzin.

Übersicht

Das Verstehen der Bewegung von Luft (hat häufig ein Fluss-Feld genannt), um einen Gegenstand ermöglicht die Berechnung von Kräften und Momente, dem Gegenstand folgend. Typische für ein Fluss-Feld berechnete Eigenschaften schließen Geschwindigkeit, Druck, Dichte und Temperatur als eine Funktion der Raumposition und Zeit ein. Aerodynamik erlaubt die Definition und Lösung von Gleichungen für die Bewahrung der Masse, den Schwung und die Energie in Luft. Der Gebrauch der Aerodynamik durch mathematische Analyse, empirische Annäherungen, Windkanal-Experimentieren und Computersimulationen bildet die wissenschaftliche Basis für den als Luft schwereren Flug und mehrere andere Technologien.

Aerodynamische Probleme können gemäß der Fluss-Umgebung klassifiziert werden. Außenaerodynamik ist die Studie des Flusses um feste Gegenstände von verschiedenen Gestalten. Das Auswerten des Hebens und zieht sich ein Flugzeug oder die Stoß-Wellen in die Länge, die sich vor der Nase einer Rakete formen, sind Beispiele der Außenaerodynamik. Innere Aerodynamik ist die Studie von Fluss-Durchgängen in festen Gegenständen. Zum Beispiel umfasst innere Aerodynamik die Studie des Luftstroms durch einen Düsenantrieb oder durch eine Klimatisierungspfeife.

Aerodynamische Probleme können auch gemäß klassifiziert werden, ob die Fluss-Geschwindigkeit unten nahe oder über der Geschwindigkeit des Tons ist. Ein Problem wird Unterschall-genannt, wenn alle Geschwindigkeiten beim Problem weniger sind als die Geschwindigkeit des Tons, transonic, wenn Geschwindigkeiten sowohl unten als auch über der Geschwindigkeit des Tons da sind (normalerweise, wenn die charakteristische Geschwindigkeit ungefähr die Geschwindigkeit des Tons ist), Überschall-, wenn die charakteristische Fluss-Geschwindigkeit größer als die Geschwindigkeit des Tons und Hyperschall-ist, wenn die Fluss-Geschwindigkeit viel größer ist als die Geschwindigkeit des Tons. Aerodynamicists stimmen über die genaue Definition des Hyperschallflusses nicht überein; minimale Machzahlen für den Hyperschallfluss erstrecken sich von 3 bis 12.

Der Einfluss der Viskosität im Fluss diktiert eine dritte Klassifikation. Einige Probleme können nur auf sehr kleine klebrige Effekten auf die Lösung stoßen, in welchem Fall, wie man betrachten kann, Viskosität unwesentlich ist. Die Annäherungen an diese Probleme werden Inviscid-Flüsse genannt. Flüsse, für die Viskosität nicht vernachlässigt werden kann, werden klebrige Flüsse genannt.

Geschichte

Frühe Ideen - alte Zeiten zum 17. Jahrhundert

Menschen haben aerodynamische Kräfte seit Tausenden von Jahren mit Segelbooten und Windmühlen angespannt. Images und Geschichten des Flugs sind überall in der registrierten Geschichte, wie die legendäre Geschichte von Icarus und Daedalus erschienen.

Obwohl Beobachtungen von einigen aerodynamischen Effekten wie Windwiderstand (z.B Schinderei) von Aristoteles, Leonardo da Vinci und Galileo Galilei registriert wurden, wurde sehr wenig Anstrengung gemacht, eine strenge quantitative Theorie des Luftstroms vor dem 17. Jahrhundert zu entwickeln.

1505 hat Leonardo da Vinci den Kodex über den Flug von Vögeln, eine der frühsten Abhandlungen auf der Aerodynamik geschrieben. Er bemerkt zum ersten Mal, dass das Zentrum des Ernstes eines fliegenden Vogels mit seinem Zentrum des Drucks nicht zusammenfällt, und er den Aufbau eines ornithopter mit flatternden einem Vogel ähnlichen Flügeln beschreibt.

Herr Isaac Newton war die erste Person, um eine Theorie des Luftwiderstandes zu entwickeln, ihn einen der ersten aerodynamicists machend. Als ein Teil dieser Theorie hat Newton gedacht, dass Schinderei wegen der Dimensionen eines Körpers, der Dichte der Flüssigkeit und der zur zweiten Macht erhobenen Geschwindigkeit war. Diese alle haben sich erwiesen, für niedrige Fluss-Geschwindigkeiten richtig zu sein. Newton hat auch ein Gesetz für die Schinderei-Kraft auf einem flachen zur Richtung der Flüssigkeitsströmung geneigten Teller entwickelt. Mit F für die Schinderei-Kraft, ρ für die Dichte, S für das Gebiet des flachen Tellers, V für die Fluss-Geschwindigkeit und den θ für den Neigungswinkel, wurde sein Gesetz als ausgedrückt

Diese Gleichung ist für die Berechnung dessen falsch ziehen die meisten Fälle hinein. Ziehen Sie sich in die Länge ein flacher Teller ist daran näher, geradlinig mit dem Winkel der Neigung im Vergleich mit dem Handeln quadratisch in niedrigen Winkeln zu sein. Die Newton-Formel kann dazu bringen zu glauben, dass Flug schwieriger ist, als es wirklich, wegen dieser Übervorhersage der Schinderei und so des erforderlichen Stoßes ist, und es zu einer Verzögerung im menschlichen Flug beigetragen haben kann. Jedoch ist es für einen sehr schlanken Teller richtiger, wenn der Winkel groß wird und Fluss-Trennung vorkommt, oder wenn die Fluss-Geschwindigkeit Überschall-ist.

Moderne Anfänge - 18. zum 19. Jahrhundert

1738 hat Der holländisch-schweizerische Mathematiker Daniel Bernoulli Hydrodynamica veröffentlicht, in dem er die grundsätzliche Beziehung unter dem Druck, der Dichte und der Geschwindigkeit beschrieben hat; im Grundsatz des besonderen Bernoullis, der eine Methode ist, aerodynamisches Heben zu berechnen. Allgemeinere Gleichungen der Flüssigkeitsströmung - die Gleichungen von Euler - wurden von Leonhard Euler 1757 veröffentlicht. Die Gleichungen von Euler wurden erweitert, um die Effekten der Viskosität in der ersten Hälfte der 1800er Jahre zu vereinigen, das Hinauslaufen Navier-schürt Gleichungen.

Herr George Cayley wird als die erste Person geglaubt, um die vier aerodynamischen Kräfte des Flugs — Gewicht, Heben, Schinderei zu identifizieren, und — und die Beziehungen zwischen ihnen zu stoßen. Cayley hat geglaubt, dass der Schinderei auf einer Flugmaschine durch ein Mittel des Antriebs in der Größenordnung vom Horizontalflug entgegengewirkt werden muss, um vorzukommen. Cayley hat auch auf Natur für aerodynamische Gestalten mit der niedrigen Schinderei geachtet. Unter den Gestalten hat er nachgeforscht waren die Querschnitte durch die Forelle. Das kann gegenintuitiv jedoch scheinen, die Körper des Fisches werden gestaltet, um sehr niedrigen Widerstand zu erzeugen, als sie durch Wasser reisen. Ihre Querschnitte sind manchmal sehr den von modernen Tragflächen der niedrigen Schinderei nah.

Luftwiderstand-Experimente wurden von Ermittlungsbeamten im Laufe der 18. und 19. Jahrhunderte ausgeführt. Schinderei-Theorien wurden von Jean le Rond D'Alembert, Gustav Kirchhoff und Herrn Rayleigh entwickelt. Gleichungen für die Flüssigkeitsströmung mit der Reibung wurden von Claude-Louis Navier und George Gabriel Stokes entwickelt. Um Flüssigkeitsströmung vorzutäuschen, haben viele Experimente an versenkenden Gegenständen in Ströme von Wasser oder einfach dem Fallen von ihnen von der Spitze eines hohen Gebäudes beteiligt. Zum Ende dieses Zeitabschnitts hat Gustave Eiffel seinen Turm von Eiffel verwendet, um bei der Fall-Prüfung von flachen Tellern zu helfen.

Eine genauere Weise, Widerstand zu messen, soll einen Gegenstand innerhalb eines künstlichen, gleichförmigen Stroms von Luft legen, wo die Geschwindigkeit bekannt ist. Die erste Person, um auf diese Mode zu experimentieren, war Francis Herbert Wenham, der dabei den ersten Windkanal 1871 gebaut hat. Wenham war auch ein Mitglied der ersten Berufsorganisation, die der Luftfahrt, der Königlichen Aeronautischen Gesellschaft des Vereinigten Königreichs gewidmet ist. In Windkanal-Modelle gelegte Gegenstände sind fast immer kleiner als in der Praxis, so war eine Methode erforderlich, um kleine Skala-Modelle mit ihren wahren Kollegen zu verbinden. Das wurde mit der Erfindung der ohne Dimension Zahl von Reynolds von Osborne Reynolds erreicht. Reynolds hat auch mit laminar zum unruhigen Fluss-Übergang 1883 experimentiert.

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts wurden zwei Probleme identifiziert, bevor als Luft schwererer Flug begriffen werden konnte. Das erste war die Entwicklung der niedrigen Schinderei, das hohe Heben aerodynamische Flügel. Das zweite Problem bestand darin, wie man die für den anhaltenden Flug erforderliche Macht bestimmt. Während dieser Zeit wurde der Grundstein für die moderne Tagesflüssigkeitsdynamik und Aerodynamik mit anderen weniger wissenschaftlich aufgelegten Anhängern aufgestellt, die verschiedene Flugmaschinen mit wenig Erfolg prüfen.

1889 ist Charles Renard, ein französischer aeronautischer Ingenieur, die erste Person geworden, um die für den anhaltenden Flug erforderliche Macht vernünftig vorauszusagen. Renard und deutscher Physiker Hermann von Helmholtz haben das Flügel-Laden (Gewicht zum Verhältnis des Flügel-Gebiets) Vögel erforscht, schließlich beschließend, dass Menschen unter ihrer eigenen Macht nicht fliegen konnten, indem sie Flügel auf ihre Arme beigefügt haben. Otto Lilienthal, im Anschluss an die Arbeit von Herrn George Cayley, war die erste Person, um hoch erfolgreich mit Segelflugzeug-Flügen zu werden. Lilienthal hat geglaubt, dass dünne, gekrümmte Tragflächen hohes Heben und niedrige Schinderei erzeugen würden.

Oktave Chanute hat einen großen Dienst denjenigen zur Verfügung gestellt, die für die Aerodynamik und Flugmaschinen durch das Veröffentlichen eines Buches interessiert sind, das die ganze Forschung entwirft, die um die Welt bis zu 1893 geführt ist.

Praktischer Flug - Anfang des 20. Jahrhunderts

Mit der Information, die im Buch von Chanute, der persönlichen Hilfe von Chanute selbst und in ihrem eigenen Windkanal ausgeführten Forschung enthalten ist, haben die Brüder von Wright genug Kenntnisse der Aerodynamik gewonnen, um das erste angetriebene Flugzeug am 17. Dezember 1903 zu fliegen. Der Bruder-Flug von Wright bestätigt oder widerlegt mehrere Aerodynamik-Theorien. Die Schinderei-Kraft-Theorie des Newtons wurde schließlich falsch bewiesen. Dieser erste weit veröffentlichte Flug hat zu einer mehr organisierten Anstrengung zwischen Fliegern und Wissenschaftlern geführt, zur modernen Aerodynamik vorangehend.

Während der Zeit der ersten Flüge haben Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta und Nikolai Zhukovsky unabhängig Theorien geschaffen, die Umlauf einer Flüssigkeitsströmung verbunden haben, um sich zu heben. Kutta und Zhukovsky haben fortgesetzt, eine zweidimensionale Flügel-Theorie zu entwickeln. Sich nach der Arbeit von Lanchester ausbreitend, wird Ludwig Prandtl das Entwickeln der Mathematik hinter der dünnen Tragfläche und den Hebelinie-Theorien sowie der Arbeit mit Grenzschichten zugeschrieben. Prandtl, ein Professor an der Universität von Göttingen, hat viele Studenten informiert, die wichtige Rollen in der Entwicklung der Aerodynamik, wie Theodore von Kármán und Max Munk spielen würden.

Design kommt mit der zunehmenden Geschwindigkeit heraus

Verdichtbarkeit ist ein wichtiger Faktor in der Aerodynamik. Mit niedrigen Geschwindigkeiten ist die Verdichtbarkeit von Luft in Bezug auf das Flugzeugsdesign nicht bedeutend, aber weil sich der Luftstrom nähert und die Geschwindigkeit des Tons überschreitet, ein Gastgeber von neuen aerodynamischen Effekten werden wichtig im Design des Flugzeuges. Diese Effekten, häufig mehrere von ihnen auf einmal, haben es sehr schwierig für das Zeitalter-Flugzeug des Zweiten Weltkriegs gemacht, Geschwindigkeiten viel darüber hinaus 800 kph (500 Meilen pro Stunde) zu erreichen.

Einige der geringen Effekten schließen Änderungen zum Luftstrom ein, die zu Problemen in der Kontrolle führen. Zum Beispiel hatte der P-38 Blitz mit seinem dicken Flügel des hohen Hebens ein besonderes Problem im Hochleistungstauchen, das zu einer Bedingung der Nase unten geführt hat. Piloten würden in Tauchen eingehen, und dann finden, dass sie das Flugzeug nicht mehr kontrollieren konnten, das fortgesetzt hat, zu schnüffeln, bis es abgestürzt ist. Das Problem wurde durch das Hinzufügen eines "Tauchen-Schlages" unter dem Flügel behoben, der das Zentrum des Druck-Vertriebs verändert hat, so dass der Flügel sein Heben nicht verlieren würde.

Ein ähnliches Problem hat einige Modelle des Superseehitzkopfs betroffen. Mit hohen Geschwindigkeiten konnten die Querruder mehr Drehmoment anwenden, als die dünnen Flügel des Hitzkopfs behandeln konnten, und sich der komplette Flügel in der entgegengesetzten Richtung drehen würde. Das hat bedeutet, dass das Flugzeug die Richtung gegenüber dem rollen würde, was der Pilot beabsichtigt hat, und zu mehreren Unfällen geführt hat. Frühere Modelle waren dafür nicht schnell genug, um ein Problem zu sein, und so wurde es bis zu späteren Musterhitzköpfen wie Mk nicht bemerkt. IX hat angefangen zu erscheinen. Das wurde durch das Hinzufügen beträchtlicher torsional Starrheit zu den Flügeln gelindert, und wurde wenn Mk ganz geheilt. XIV wurde eingeführt.

Der Messerschmitt Bf 109 und Mitsubishi Null hatte das genaue entgegengesetzte Problem, in dem die Steuerungen unwirksam geworden sind. Mit höheren Geschwindigkeiten konnte der Pilot nicht einfach die Steuerungen bewegen, weil es zu viel Luftstrom über die Kontrolloberflächen gab. Die Flugzeuge würden schwierig werden, und an hoch genug zu manövrieren, das Geschwindigkeitsflugzeug ohne dieses Problem hat Ertrag sie gekonnt.

Diese Probleme wurden schließlich behoben, weil Strahlflugzeug transonic und Überschallgeschwindigkeiten erreicht hat. Deutsche Wissenschaftler in WWII haben mit gekehrten Flügeln experimentiert. Ihre Forschung wurde an den MiG-15 und den F-86 Säbel und die Bomber wie der B-47 Stratojet verwendete gekehrte Flügel angewandt, die den Anfall von Stoß-Wellen verzögern und Schinderei reduzieren. Das Vollfliegen tailplane, die auf Überschallflugzeugen auch üblich sind, hilft, Kontrolle in der Nähe von der Geschwindigkeit des Tons aufrechtzuerhalten.

Schließlich ist ein anderes häufiges Problem, das diese Kategorie einbaut, Flattern. Mit einigen Geschwindigkeiten wird der Luftstrom über die Kontrolloberflächen unruhig werden, und die Steuerungen werden anfangen zu flattern. Wenn die Geschwindigkeit des Flatterns einer Harmonischen der Bewegung der Kontrolle nah ist, konnte die Klangfülle die Kontrolle völlig abbrechen. Das war ein ernstes Problem auf der Null. Als auf Probleme mit der schlechten Kontrolle mit der hohen Geschwindigkeit zuerst gestoßen wurde, wurden sie gerichtet, indem sie einen neuen Stil der Kontrolloberfläche mit mehr Macht entworfen haben. Jedoch hat das eine neue widerhallende Weise eingeführt, und mehrere Flugzeuge wurden verloren, bevor das entdeckt wurde.

Alle diese Effekten werden häufig in Verbindung mit dem Begriff "Verdichtbarkeit" erwähnt, aber gewissermaßen des Sprechens werden sie falsch verwendet. Aus einem ausschließlich aerodynamischen Gesichtspunkt sollte sich der Begriff nur auf jene Nebenwirkungen beziehen, die infolge der Änderungen im Luftstrom von einer incompressible Flüssigkeit (ähnlich tatsächlich Wasser) zu einer komprimierbaren Flüssigkeit entstehen (als ein Benzin handelnd), weil der Geschwindigkeit des Tons genähert wird. Es gibt zwei Effekten insbesondere Welle-Schinderei und kritisches Mach.

Welle-Schinderei ist ein plötzlicher Anstieg dessen ziehen sich das Flugzeug in die Länge, das durch Luft verursacht ist, die sich davor entwickelt. Mit niedrigeren Geschwindigkeiten hat diese Luft Zeit, um aus dem Weg "herauszukommen,", geführt durch die Luft davor, die im Kontakt mit dem Flugzeug ist. Aber mit der Geschwindigkeit des Tons kann das nicht mehr geschehen, und die Luft, die vorher der Stromlinie um das Flugzeug jetzt folgte, schlägt es direkt. Der Betrag der Macht musste siegen diese Wirkung ist beträchtlich. Das kritische Mach ist die Geschwindigkeit, mit der etwas von der Luft, die den Flügel des Flugzeuges überträgt, Überschall-wird.

Mit der Geschwindigkeit des Tons die Weise, wie Heben Änderungen drastisch, davon erzeugt wird, durch den Grundsatz von Bernoulli zu durch Stoß-Wellen erzeugten Kräften beherrscht zu werden. Da die Luft auf der Spitze des Flügels schneller reist als auf dem Boden wegen der Wirkung von Bernoulli mit Geschwindigkeiten in der Nähe von der Geschwindigkeit des Tons, wird die Luft auf der Spitze des Flügels zum Überschall-beschleunigt. Wenn das geschieht, ändert sich der Vertrieb des Hebens drastisch, normalerweise eine starke ordentliche Nase unten verursachend. Seitdem sich das Flugzeug normalerweise diesen Geschwindigkeiten nur bei einem Tauchen genähert hat, würden Piloten das Flugzeug melden, das versucht, in den Boden zu schnüffeln.

Trennung absorbiert sehr viel Energie in einem reversiblen Prozess. Das reduziert außerordentlich die thermodynamische Temperatur von in der Nähe von einem Raumfahrtfahrzeug verlangsamtem Hyperschallbenzin. In Transistorübergangsbereichen, wo diese Druck-Abhängiger-Trennung unvollständig ist, sowohl werden die unterschiedliche, unveränderliche Druck-Hitzekapazität als auch das Beta (das Differenzialverhältnis des Volumens/Drucks) außerordentlich zunehmen. Der Letztere hat eine ausgesprochene Wirkung auf die Fahrzeugaerodynamik einschließlich der Stabilität.

Schneller als Ton - später das 20. Jahrhundert

Da Flugzeug begonnen hat, schneller zu reisen, hat aerodynamicists begriffen, dass die Dichte von Luft begonnen hat sich zu ändern, weil es in Kontakt mit einem Gegenstand eingetreten ist, zu einer Abteilung der Flüssigkeitsströmung in den incompressible und die komprimierbaren Regime führend. In der komprimierbaren Aerodynamik, der Dichte und dem Druck beide Änderung, die die Basis ist, für die Geschwindigkeit des Tons zu berechnen. Newton war erst, um ein mathematisches Modell zu entwickeln, für die Geschwindigkeit des Tons zu berechnen, aber es war nicht richtig, bis Pierre-Simon Laplace für das molekulare Verhalten von Benzin verantwortlich gewesen ist und das Hitzehöchstverhältnis eingeführt hat. Das Verhältnis der Fluss-Geschwindigkeit zur Geschwindigkeit des Tons wurde die Machzahl nach Ernst Mach genannt, der einer der ersten war, um die Eigenschaften des Überschallflusses zu untersuchen, der Fotografie-Techniken von Schlieren eingeschlossen hat, um sich die Änderungen in der Dichte zu vergegenwärtigen. William John Macquorn Rankine und Pierre Henri Hugoniot haben unabhängig die Theorie für Fluss-Eigenschaften vorher und nach einer Stoß-Welle entwickelt. Jakob Ackeret hat die anfängliche Arbeit am Rechnen des Hebens geführt, und ziehen Sie sich eine Überschalltragfläche in die Länge. Theodore von Kármán und Hugh Latimer Dryden haben den Begriff transonic eingeführt, um Fluss-Geschwindigkeiten um Mach 1 zu beschreiben, wo Schinderei schnell zunimmt. Wegen der Zunahme in der Schinderei, die sich Mach 1 nähert, hat aerodynamicists und Flieger darauf nicht übereingestimmt, ob Überschallflug erreichbar war.

Am 30. September 1935 wurde eine exklusive Konferenz in Rom mit dem Thema des hohen Geschwindigkeitsflugs und der Möglichkeit gehalten, die Schallmauer zu brechen. Teilnehmer haben Theodore von Kármán, Ludwig Prandtl, Jakob Ackeret, Eastman Jacobs, Adolf Busemann, Geoffrey Ingram Taylor, Gaetano Arturo Crocco und Enrico Pistolesi eingeschlossen. Ackeret hat ein Design für einen Überschallwindkanal präsentiert. Busemann hat eine Präsentation auf dem Bedürfnis nach dem Flugzeug mit gekehrten Flügeln für den hohen Geschwindigkeitsflug gegeben. Eastman Jacobs, für NACA arbeitend, hat seine optimierten Tragflächen für hohe Unterschallgeschwindigkeiten präsentiert, die zu einigen der hohen amerikanischen Leistungsflugzeuge während des Zweiten Weltkriegs geführt haben. Überschallantrieb wurde auch besprochen. Die Schallmauer wurde mit der Glocke x-1 Flugzeug zwölf Jahre später, Dank teilweise jenen Personen gebrochen.

Als die Schallmauer gebrochen wurde, waren viele der niedrigen und Unterschallüberschallaerodynamik-Kenntnisse reif geworden. Der Kalte Krieg hat einer sich jemals entwickelnden Linie des hohen Leistungsflugzeuges Brennstoff geliefert. Rechenbetonte flüssige Dynamik wurde als eine Anstrengung angefangen, für Fluss-Eigenschaften um komplizierte Gegenstände zu lösen, und ist zum Punkt schnell gewachsen, wo komplettes Flugzeug mit einem Computer mit von Flugtests gefolgten Windkanal-Tests entworfen werden kann, um die Computervorhersagen zu bestätigen.

Mit einigen Ausnahmen sind die Kenntnisse der Hyperschallaerodynamik zwischen den 1960er Jahren und im gegenwärtigen Jahrzehnt reif geworden. Deshalb haben sich die Absichten eines aerodynamicist davon bewegt, das Verhalten der Flüssigkeitsströmung zum Verstehen zu verstehen, wie man ein Fahrzeug konstruiert, um passend mit der Flüssigkeitsströmung aufeinander zu wirken. Zum Beispiel, während das Verhalten des Hyperschallflusses verstanden wird, hat das Bauen eines Scramjet-Flugzeuges, um mit Hyperschallgeschwindigkeiten zu fliegen, sehr beschränkten Erfolg gesehen. Zusammen mit dem Gebäude eines erfolgreichen Scramjet-Flugzeuges wird der Wunsch, die aerodynamische Leistungsfähigkeit des aktuellen Flugzeuges und der Antrieb-Systeme zu verbessern, fortsetzen, neuer Forschung in der Aerodynamik Brennstoff zu liefern. Dennoch gibt es noch wichtige Probleme in der grundlegenden aerodynamischen Theorie, solcher als im Voraussagen des Übergangs zur Turbulenz, und die Existenz und Einzigartigkeit von Lösungen Navier-schüren Gleichungen.

Einleitende Fachsprache

• Heben
• Schinderei
• Zahl von Reynolds
• Machzahl

Kontinuitätsannahme

Das Fundament der aerodynamischen Vorhersage ist die Kontinuitätsannahme. In Wirklichkeit wird Benzin aus Molekülen zusammengesetzt, die miteinander und feste Gegenstände kollidieren. Um die Gleichungen der Aerodynamik abzuleiten, wie man annimmt, sind flüssige Eigenschaften wie Dichte und Geschwindigkeit an ungeheuer kleinen Punkten bestimmt, und ändern sich unaufhörlich von einem Punkt bis einen anderen. D. h. die getrennte molekulare Natur eines Benzins wird ignoriert.

Die Kontinuitätsannahme wird weniger gültig, wie ein Benzin mehr rarefied wird. In diesen Fällen ist statistische Mechanik eine gültigere Methode, das Problem zu beheben, als dauernde Aerodynamik. Die Zahl von Knudsen kann verwendet werden, um die Wahl zwischen der statistischen Mechanik und der dauernden Formulierung der Aerodynamik zu führen.

Gesetze der Bewahrung

Aerodynamische Probleme werden normalerweise mit Bewahrungsgesetzen in Bezug auf ein flüssiges Kontinuum behoben. Die Bewahrungsgesetze können in der integrierten oder unterschiedlichen Form geschrieben werden. In vielen grundlegenden Problemen werden drei Bewahrungsgrundsätze verwendet:

• Kontinuität: Wenn eine bestimmte Masse von Flüssigkeit in ein Volumen eingeht, muss es entweder über das Volumen herrschen oder die Masse innerhalb des Volumens ändern. In der flüssigen Dynamik ist die Kontinuitätsgleichung dem Aktuellen Gesetz von Kirchhoff in elektrischen Stromkreisen analog. Die Differenzialform der Kontinuitätsgleichung ist:

Oben, ist die flüssige Dichte, u ist ein Geschwindigkeitsvektor, und t ist Zeit. Physisch zeigt die Gleichung auch, dass Masse weder geschaffen noch im Kontrollvolumen zerstört wird. Für einen unveränderlichen Zustandprozess ist die Rate, an der Masse ins Volumen eingeht, der Rate gleich, an der es das Volumen verlässt. Folglich ist der erste Begriff dann links der Null gleich. Für den Fluss eine Tube mit einer kleiner Bucht (setzen 1 fest), und Ausgang (setzen 2 fest), wie gezeigt, in der Zahl in dieser Abteilung kann die Kontinuitätsgleichung geschrieben und als gelöst werden:

Oben ist A das variable Querschnitt-Gebiet der Tube an der kleinen Bucht und dem Ausgang. Für Incompressible-Flüsse bleibt Dichte unveränderlich.

• Bewahrung des Schwungs: Diese Gleichung wendet das zweite Gesetz von Newton der Bewegung zu einem Kontinuum an, wodurch Kraft der Zeitableitung des Schwungs gleich ist. Beide Oberfläche und Körperkräfte werden in dieser Gleichung verantwortlich gewesen. Zum Beispiel konnte F in einen Ausdruck für die Reibungskraft ausgebreitet werden, die einem inneren Fluss folgt.

Für dieselbe Zahl trägt eine Kontrollvolumen-Analyse:

Oben wird die Kraft auf der linken Seite der Gleichung gelegt, annehmend, dass es mit dem Fluss handelt, der sich in einer zum Recht nach links Richtung bewegt. Abhängig von den anderen Eigenschaften des Flusses konnte die resultierende Kraft negativ sein, was bedeutet, dass es in der entgegengesetzten Richtung, wie gezeichnet, in der Zahl handelt. In der Aerodynamik, wie man normalerweise annimmt, ist Luft ein Newtonsches Fluid, das eine geradlinige Beziehung zwischen der Scherspannung (die inneren Reibungskräfte) und der Rate der Beanspruchung der Flüssigkeit postuliert. Die Gleichung ist oben eine Vektor-Gleichung: In einem dreidimensionalen Fluss kann es als drei Skalargleichungen ausgedrückt werden. Die Bewahrung von Schwung-Gleichungen wird häufig genannt Navier-schürt Gleichungen, während andere den Begriff für das System gebrauchen, das Gespräch der Masse, Bewahrung des Schwungs und Bewahrung der Energie einschließt.

• Bewahrung der Energie: Obwohl Energie von einer Form bis einen anderen umgewandelt werden kann, bleibt die Gesamtenergie in einem gegebenen geschlossenen System unveränderlich.

Oben ist h enthalpy, k ist das Thermalleitvermögen der Flüssigkeit, T ist Temperatur, und ist die klebrige Verschwendungsfunktion. Die klebrige Verschwendungsfunktion regelt die Rate, an der die mechanische Energie des Flusses zur Hitze umgewandelt wird. Der Begriff ist immer seitdem gemäß dem zweiten Gesetz der Thermodynamik positiv, Viskosität kann Energie zum Kontrollvolumen nicht hinzufügen. Der Ausdruck auf der linken Seite ist eine materielle Ableitung. Wieder mit der Zahl kann die Energiegleichung in Bezug auf das Kontrollvolumen als geschrieben werden:

Oben, wie man annimmt, folgen die Welle-Arbeit und Wärmeübertragung dem Fluss. Sie können (zum Fluss von den Umgebungen) positiv oder (zu den Umgebungen vom Fluss) abhängig vom Problem negativ sein.

Das ideale Gasgesetz oder eine andere Gleichung des Staates werden häufig in Verbindung mit diesen Gleichungen verwendet, um ein entschlossenes System zu bilden, um für die unbekannten Variablen zu lösen.

Aerodynamik von Incompressible

Ein Incompressible-Fluss wird durch eine unveränderliche Dichte trotz des Fließens über Oberflächen oder innerhalb von Kanälen charakterisiert. Während alle echten Flüssigkeiten komprimierbar sind, wird ein Fluss-Problem häufig als incompressible betrachtet, wenn die Dichte-Änderungen im Problem eine kleine Wirkung auf die Produktionen von Interesse haben. Das wird mit größerer Wahrscheinlichkeit wahr sein, wenn die Fluss-Geschwindigkeiten bedeutsam niedriger sind als die Geschwindigkeit des Tons. Für höhere Geschwindigkeiten wird der Fluss bedeutsamer zusammenpressen, weil er in Kontakt mit Oberflächen eintritt und sich verlangsamt. Die Machzahl wird verwendet, um zu bewerten, ob der incompressibility angenommen werden kann oder der Fluss als komprimierbar gelöst werden muss.

Unterschallfluss

Unterschall-(oder niedrige Geschwindigkeit) Aerodynamik ist die Studie der flüssigen Bewegung, die überall viel langsamer ist als die Geschwindigkeit des Tons durch die Flüssigkeit oder das Benzin. Es gibt mehrere Zweige des Unterschallflusses, aber ein spezieller Fall entsteht, wenn der Fluss inviscid, incompressible und rotationsfrei ist. Dieser Fall wird Potenziellen Fluss genannt und erlaubt den Differenzialgleichungen, die verwendet sind, eine vereinfachte Version der Regierungsgleichungen der flüssigen Dynamik zu sein, so zum aerodynamicist eine Reihe von schnellen und leichten Lösungen bereitstellend.

Im Beheben eines Unterschallproblems besteht eine Entscheidung, durch den aerodynamicist gemacht zu werden, darin, ob man die Effekten der Verdichtbarkeit vereinigt. Verdichtbarkeit ist eine Beschreibung des Betrags der Änderung der Dichte im Problem. Wenn die Effekten der Verdichtbarkeit auf der Lösung klein sind, kann der aerodynamicist beschließen anzunehmen, dass Dichte unveränderlich ist. Das Problem ist dann ein incompressible Aerodynamik-Problem der niedrigen Geschwindigkeit. Wenn der Dichte erlaubt wird sich zu ändern, wird das Problem ein komprimierbares Problem genannt. In Luft werden Verdichtbarkeitseffekten gewöhnlich ignoriert, wenn die Machzahl im Fluss 0.3 (ungefähr 335 Fuß (102 M) pro Sekunde oder 228 Meilen (366 km) pro Stunde an 60 °F) nicht zu weit geht. Oben 0.3 sollte das Problem durch das Verwenden komprimierbarer Aerodynamik behoben werden.

Komprimierbare Aerodynamik

Gemäß der Theorie der Aerodynamik, wie man betrachtet, ist ein Fluss komprimierbar, wenn seine Änderung in der Dichte in Bezug auf den Druck Nichtnull entlang einer Stromlinie ist. Das bedeutet, dass sich - verschieden vom Incompressible-Fluss - in die Dichte ändert, muss betrachtet werden. Im Allgemeinen ist das der Fall, wo die Machzahl teilweise oder der ganze Fluss 0.3 zu weit gehen. Das Mach.3 Wert ist ziemlich willkürlich, aber es wird verwendet, weil Gasflüsse mit einer Machzahl unter diesem Wert Änderungen in der Dichte in Bezug auf die Änderung im Druck von weniger als 5 % demonstrieren. Außerdem kommt diese maximale 5-%-Dichte-Änderung am Stagnationspunkt eines in den Gasfluss versenkten Gegenstands vor, und die Dichte wechselt den Rest des Gegenstands wird bedeutsam niedriger sein. Transonic, Überschall- und Hyperschallflüsse sind alle komprimierbar.

Fluss von Transonic

Der Begriff Transonic bezieht sich auf eine Reihe von Geschwindigkeiten gerade unten und über der lokalen Geschwindigkeit des Tons (allgemein genommen als Mach 0.8-1.2). Es wird als die Reihe von Geschwindigkeiten zwischen der kritischen Machzahl definiert, wenn einige Teile des Luftstroms über ein Flugzeug Überschall-, und eine höhere Geschwindigkeit, normalerweise in der Nähe vom Mach 1.2 werden, wenn der ganze Luftstrom Überschall-ist. Zwischen diesen Geschwindigkeiten ist etwas vom Luftstrom Überschall-, und einige sind nicht.

Überschallfluss

Aerodynamische Überschallprobleme sind diejenigen, die Fluss-Geschwindigkeiten einschließen, die größer sind als die Geschwindigkeit des Tons. Das Rechnen des Hebens auf Concorde während der Vergnügungsreise kann ein Beispiel eines aerodynamischen Überschallproblems sein.

Überschallfluss benimmt sich sehr verschieden vom Unterschallfluss. Flüssigkeiten reagieren auf Unterschiede im Druck; Druck-Änderungen sind, wie eine Flüssigkeit "gesagt" wird, auf seine Umgebung zu antworten. Deshalb, da Ton tatsächlich ein unendlich kleiner Druck-Unterschied ist, der sich durch eine Flüssigkeit fortpflanzt, kann die Geschwindigkeit des Tons in dieser Flüssigkeit als die schnellste Geschwindigkeit betrachtet werden, dass "Information" im Fluss reisen kann. Dieser Unterschied äußert sich am offensichtlichsten im Fall von einer Flüssigkeit, die einen Gegenstand schlägt. Vor diesem Gegenstand baut die Flüssigkeit einen Stagnationsdruck auf, weil der Einfluss mit dem Gegenstand der bewegenden Flüssigkeit dazu bringt sich auszuruhen. In Flüssigkeit, die mit der Unterschallgeschwindigkeit reist, kann sich diese Druck-Störung stromaufwärts fortpflanzen, das Fluss-Muster vor dem Gegenstand ändernd und den Eindruck gebend, dass die Flüssigkeit "weiß", dass der Gegenstand dort ist und es vermeidet. Jedoch, in einem Überschallfluss, kann sich die Druck-Störung nicht stromaufwärts fortpflanzen. So, wenn die Flüssigkeit schließlich den Gegenstand schlägt, wird sie gezwungen, seine Eigenschaften - Temperatur, Dichte, Druck zu ändern, und Machzahl - auf eine äußerst gewaltsame und irreversible Mode hat eine Stoß-Welle genannt. Die Anwesenheit von Stoß-Wellen, zusammen mit den Verdichtbarkeitseffekten der hohen Geschwindigkeit (sieh Zahl von Reynolds), Flüssigkeiten, ist der Hauptunterschied zwischen Überschall- und Unterschallaerodynamik-Problemen.

Hyperschallfluss

In der Aerodynamik sind Hyperschallgeschwindigkeiten Geschwindigkeiten, die hoch Überschall-sind. In den 1970er Jahren ist der Begriff allgemein gekommen, um sich auf Geschwindigkeiten des Machs 5 (5mal die Geschwindigkeit des Tons) und oben zu beziehen. Das Hyperschallregime ist eine Teilmenge des Überschallregimes. Hyperschallfluss wird durch den hohen Temperaturfluss hinter einer Stoß-Welle, klebriger Wechselwirkung und chemischer Trennung von Benzin charakterisiert.

Verbundene Fachsprache

]] Erzeugen der incompressible und die komprimierbaren Fluss-Regime viele verbundene Phänomene, wie Grenzschichten und Turbulenz.

Grenzschichten

Das Konzept einer Grenzschicht ist in vielen aerodynamischen Problemen wichtig. Der Viskosität und flüssigen Reibung in der Luft wird als bedeutend seiend nur in dieser dünnen Schicht näher gekommen. Dieser Grundsatz macht Aerodynamik viel lenksamer mathematisch.

Turbulenz

In der Aerodynamik wird Turbulenz durch chaotische, stochastische Eigentumsänderungen im Fluss charakterisiert. Das schließt niedrige Schwung-Verbreitung, hohe Schwung-Konvektion und schnelle Schwankung des Drucks und der Geschwindigkeit in der Zeit und Raum ein. Fluss, der nicht unruhig ist, wird Laminar-Fluss genannt.

Aerodynamik in anderen Feldern

Aerodynamik ist in mehreren Anwendungen außer der Raumfahrttechnik wichtig.

Es ist ein bedeutender Faktor in jedem Typ des Fahrzeugdesigns einschließlich Automobile. Es ist in der Vorhersage von Kräften und Momente in der Schifffahrt wichtig. Es wird im Design von mechanischen Bestandteilen wie Festplatte-Köpfe verwendet. Strukturingenieure verwenden auch Aerodynamik, und besonders aeroelasticity, um Windlasten im Design von großen Gebäuden und Brücken zu berechnen. Städtische Aerodynamik bemüht sich, Stadtplanern zu helfen, und Entwerfer verbessern Bequemlichkeit in Außenräumen, schaffen städtische Mikroklimas und reduzieren die Effekten der städtischen Verschmutzung. Das Feld der Umweltaerodynamik studiert die Weisen, wie atmosphärische Umlauf- und Flugmechanik Ökosysteme betrifft. Die Aerodynamik von inneren Durchgängen ist in der Heizung/Lüftung, Gasrohrleitung, und in Automobilmotoren wichtig, wo ausführliche Fluss-Muster stark die Leistung des Motors betreffen.

Siehe auch

• Liste von Raumfahrttechnikthemen
• Liste von Technikthemen
• Automobilaerodynamik
• Luftfahrt
• Luftfahrt
• Flüssige Dynamik
• Aerostatics
• Raketenspitze-Design
• Der Grundsatz von Bernoulli
• Navier-schürt Gleichungen
• Rechenbetonte flüssige Dynamik
• Flüsse von Transonic.
• Überschallflüsse.
• Hyperschallflüsse.
• Schallmauer

Weiterführende Literatur

Allgemeine Aerodynamik

Unterschallaerodynamik

Transonic Aerodynamik

Überschallaerodynamik

Hyperschallaerodynamik

Geschichte der Aerodynamik

Aerodynamik, die mit der Technik zusammenhängend

Boden-Fahrzeuge

Flugzeug des festen Flügels

Hubschrauber

Raketen

Musterflugzeug

Zusammenhängende Zweige der Aerodynamik

Aerothermodynamics

Aeroelasticity

Grenzschichten

Turbulenz

Links

• Anfänger-Handbuch von NASA zur Aerodynamik
• Aerodynamik für Studenten
• Angewandte Aerodynamik: Ein Digitallehrbuch
• Aerodynamik für Piloten
• Aerodynamik und Rennwagen, der stimmt
• Aerodynamische zusammenhängende Projekte
• EFluids-Rad-Aerodynamik
• Anwendung der Aerodynamik in der Formel eine (F1)
• Aerodynamik im Auto, das läuft
• Aerodynamik von Vögeln
• Aerodynamik und Libelle-Flügel