Flödesmotstånd är ett omfattande problem. Bränsleförbrukningen för en bil vid hög hastighet kommer huvudsakligen från luftmotstånd snarare än markfriktionsmotstånd. Anledningen till att smog kan "svävas" i luften beror också på flödesmotståndet. Dessa illustrerar alla vikten av luftmotstånd.
01
Tryckskillnadsmotstånd och friktionsmotstånd
Ur kraftsynpunkt är objektets motstånd den direkta verkan av vätskan på dess yta. Det som är vinkelrätt mot föremålets yta är vätskans tryck, och motståndet som genereras av det kallas differenstryckmotstånd; det som är parallellt med föremålets yta är vätskans viskösa skjuvkraft, och motståndet som genereras av det kallas friktionsmotstånd. Förutom dessa två krafter finns det ingen annan kraft. Därför är det totala motståndet för ett föremål den resulterande kraften av tryckskillnadsmotstånd och friktionsmotstånd. Tryckskillnadsmotståndet är nära relaterat till föremålets form, och friktionsmotståndet är huvudsakligen relaterat till föremålets yta.
Vissa ställen säger att det förutom tryckskillnadsmotstånd och friktionsmotstånd finns inducerat motstånd, stötvågsmotstånd etc. vilket är ett missförstånd. Faktum är att både inducerat motstånd och stötvågsmotstånd kan tillskrivas tryckskillnadsmotstånd och friktionsmotstånd (främst tryckskillnadsmotstånd).
02
formmotstånd bakre motstånd
Det har varit känt sedan urminnes tider att föremål som rör sig i en vätska kommer att uppleva motstånd, och motståndet är nära relaterat till föremålets form. Men den ursprungliga teorin om vätskemekanik kom till motsatt slutsats. Baserat på lagarna för vätskerörelse hos Euler och Bernoulli, om vätskans viskositet ignoreras, kommer vätskan inte att producera motstånd mot föremål av någon form som rör sig i den.
Det verkar som om motståndet är helt orsakat av viskositet, men luftens viskositet är mycket liten, och friktionsmotståndet som produceras av det är mycket mindre än det aerodynamiska motståndet som faktiskt uppmäts. Denna motsägelse är känd i historien som "D'Alemberts paradox" eftersom den föreslogs av den franske matematikern D'Alembert.
Det var inte förrän Prandtl lade fram gränsskiktsteorin som folk verkligen insåg essensen av flödesmotstånd. Tryckskillnadsmotstånd är huvudkomponenten i aerodynamiskt motstånd, medan för allmänna föremål beror tryckskillnadsmotståndet huvudsakligen på separation av gränsskikt.
Tidiga människor (kanske många tror det nu) utifrån något slags "sunt förnuft", trodde att formen på den främre delen av föremålet bestämmer storleken på motståndet, och motståndet blir litet om den främre delen är skarpare . Med gränsskiktsteorin är det viktigare att upptäcka formen på objektets baksida. Eftersom formen på föremålets baksida avgör var gränsskiktet separerar och därmed tryckfördelningen på föremålets yta.
Vanliga fiskar och fåglar är relativt perfekta strömlinjeformade kroppar, med runda huvuden och spetsiga svansar.
03
Formmotstånd Frontmotstånd
Även om formen på den bakre delen av föremålet är avgörande för mängden drag, är formen på framsidan också viktig. Till exempel, om den främre delen av föremålet är fyrkantig, kommer vätskan att separera tidigt vid de skarpa hörnen, och den noggrant utformade formen på baksidan kommer att förlora sin mening. För de lastbilar som för närvarande körs på motorvägen är den formoptimering som har uppnåtts främst koncentrerad till den främre delen och den bakre delen begränsas av formen på containern, så mindre arbete har gjorts. För föremål som rör sig med transonisk hastighet kommer stötvågen att generera ytterligare motstånd, så den främre delen är utformad till en mycket spetsig form, så att stötvågens konvinkel är mindre för att minska motståndet.
04
Motstånd mot stötvågor
När den inkommande flödeshastigheten närmar sig eller överstiger ljudets hastighet, kommer stötvågor att genereras, vilket ger ytterligare stötvågsmotstånd. I huvudsak är stötvågsmotstånd också ett slags tryckskillnadsmotstånd, som orsakas av otillräcklig tryckåterställning i den bakre halvan av föremålet på grund av förekomsten av stötvågor. Om man försummar den viskösa förlusten, när det inte finns någon stötvåg, motsvarar retardationen av luftflödet i den andra halvan av föremålet en tryckökning Δp1; när det finns en stötvåg förlorar luftflödet delvis en del av den mekaniska energin när det passerar genom stötvågen, och tryckstegringen Δp2 motsvarande samma retardation blir mindre än Δp1. Därför, när det finns en stötvåg, är trycket i den bakre halvan av föremålet lite lägre, vilket är källan till stötvågsmotståndet. Att göra föremålets främre kant skarp kan minska stötkonens vinkel och därigenom minska förlusten som orsakas av stötvågen och även minska stötvågsmotståndet. När fartyget färdas på vattenytan kommer det att generera ytvågor och även ha vågmotstånd, så det bör göras spetsigt, medan ubåten som färdas under vattnet är rundad.
Att använda energiförlust för att förklara stötvågsmotstånd är inte tillräckligt direkt. När allt kommer omkring är trycket och den viskösa kraften på ytan av ett föremål de faktorer som direkt bestämmer motståndets storlek. Därefter förklaras stötvågsmotståndet av förändringen av föremålets yttryck.
05
Effekt av form och ytkvalitet på motstånd
Att minska motståndet är ett evigt tema inom vätskemekanik. Användningen av strömlinjer kan effektivt minska differenstryckmotståndet, främst på grund av att det inte finns någon gränsskiktsseparation på ytan av en väldesignad strömlinjeformad kropp, och därigenom minska differenstryckmotståndet.
Utöver formen påverkar även ett objekts ytjämnhet motståndet. Generellt gäller att ju jämnare ytan är, desto mindre blir friktionsmotståndet, men ibland är föremålets yta avsiktligt grov, så att gränsskiktet blir turbulent för att förhindra separation, vilket avsevärt minskar tryckskillnadsmotståndet.
06
Sammanfatta
När man analyserar det aerodynamiska motståndet hos ett föremål är vätskemekanikens vana att dela upp det efter kraftens form. Motståndet som orsakas av att trycket verkar vertikalt på föremålets yta kallas differenstryckmotstånd, medan motståndet som orsakas av friktionskraften parallellt med föremålets yta kallas friktionsmotstånd. Eftersom det inte finns någon annan kraft än dessa två krafter på ytan av ett föremål, är varje slags motstånd antingen tryckskillnadsmotstånd eller friktionsmotstånd, eller båda.
Tryckskillnadsmotståndet orsakat av flödesseparation och tryckskillnadsmotståndet orsakat av stötvåg är de största faktorerna som påverkar objektens aerodynamiska motstånd.
Subsonic lågmotståndsobjekt har runda huvuden och spetsiga svansar, medan supersoniska lågresistensobjekt har spetsiga ändar.
