Stromingsweerstand is een veelomvattend probleem. Het brandstofverbruik van een auto op hoge snelheid komt voornamelijk voort uit luchtweerstand in plaats van grondwrijvingsweerstand. De reden waarom smog in de lucht kan "hangen" is ook te wijten aan stromingsweerstand. Deze illustreren allemaal het belang van luchtweerstand.
01
Drukverschilweerstand en wrijvingsweerstand
Vanuit het oogpunt van kracht is de weerstand van het object de directe actie van de vloeistof op het oppervlak. Wat loodrecht op het oppervlak van het object staat, is de druk van de vloeistof en de weerstand die hierdoor wordt gegenereerd, wordt drukverschilweerstand genoemd; wat evenwijdig is aan het oppervlak van het object is de stroperige afschuifkracht van de vloeistof, en de weerstand die hierdoor wordt gegenereerd, wordt wrijvingsweerstand genoemd. Behalve deze twee krachten is er geen andere kracht. Daarom is de totale weerstand van een object de resulterende kracht van drukverschilweerstand en wrijvingsweerstand. De drukverschilweerstand hangt nauw samen met de vorm van het object en de wrijvingsweerstand hangt voornamelijk samen met het oppervlak van het object.
Sommige plaatsen zeggen dat er naast drukverschilweerstand en wrijvingsweerstand ook geïnduceerde weerstand, schokgolfweerstand, enz. Zijn, wat een misverstand is. In feite kunnen zowel geïnduceerde weerstand als schokgolfweerstand worden toegeschreven aan drukverschilweerstand en wrijvingsweerstand (voornamelijk drukverschilweerstand).
02
vorm weerstand posterieure weerstand
Het is al sinds de oudheid bekend dat objecten die in een vloeistof bewegen weerstand zullen ervaren, en de weerstand hangt nauw samen met de vorm van het object. Maar de oorspronkelijke theorie van vloeistofmechanica kwam tot de tegenovergestelde conclusie. Gebaseerd op de wetten van vloeistofbeweging van Euler en Bernoulli, als de viscositeit van de vloeistof wordt genegeerd, zal de vloeistof geen weerstand bieden aan objecten van welke vorm dan ook die erin bewegen.
Het lijkt erop dat de weerstand volledig wordt veroorzaakt door viscositeit, maar de viscositeit van lucht is erg klein en de wrijvingsweerstand die daardoor wordt geproduceerd, is veel kleiner dan de daadwerkelijk gemeten aerodynamische weerstand. Deze tegenstrijdigheid staat in de geschiedenis bekend als "D'Alembert's Paradox" omdat het werd voorgesteld door de Franse wiskundige D'Alembert.
Pas toen Prandtl de grenslaagtheorie naar voren bracht, realiseerden mensen zich echt de essentie van stromingsweerstand. Drukverschilweerstand is de belangrijkste component van aerodynamische weerstand, terwijl voor algemene objecten drukverschilweerstand voornamelijk te wijten is aan grenslaagscheiding.
Vroege mensen (misschien denken veel mensen nu) op basis van een soort "gezond verstand", geloofden dat de vorm van het voorste deel van het object de grootte van de weerstand bepaalt, en de weerstand zal klein zijn als het voorste deel scherper is . Bij de grenslaagtheorie is het belangrijker om de vorm van de achterkant van het object te ontdekken. Want de vorm van de achterkant van het object bepaalt waar de grenslaag scheidt en daarmee de drukverdeling op het oppervlak van het object.
Gewone vissen en vogels zijn relatief perfect gestroomlijnde lichamen, met ronde koppen en puntige staarten.
03
Vormweerstand Voorweerstand
Hoewel de vorm van de achterkant van het object bepalend is voor de hoeveelheid luchtweerstand, is ook de vorm van de voorkant van belang. Als de voorkant van het object bijvoorbeeld vierkant is, zal de vloeistof bij de scherpe hoeken vroegtijdig scheiden en zal de zorgvuldig ontworpen vorm van de achterkant zijn betekenis verliezen. Voor de vrachtwagens die momenteel op de snelweg rijden, is de bereikte vormoptimalisatie voornamelijk geconcentreerd op het voorste deel en het achterste deel wordt beperkt door de vorm van de container, dus er is minder werk verzet. Voor objecten die met transsone snelheid bewegen, zal de schokgolf extra weerstand genereren, dus het voorste deel is ontworpen in een zeer puntige vorm, zodat de kegelhoek van de schokgolf kleiner is om de weerstand te verminderen.
04
Weerstand tegen schokgolven
Wanneer de inkomende stroomsnelheid de geluidssnelheid benadert of overschrijdt, zullen schokgolven worden gegenereerd, wat extra schokgolfweerstand zal opleveren. In wezen is schokgolfweerstand ook een soort drukverschilweerstand, die wordt veroorzaakt door onvoldoende drukherstel in de achterste helft van het object door de aanwezigheid van schokgolven. Als het stroperige verlies buiten beschouwing wordt gelaten, komt de vertraging van de luchtstroom in de tweede helft van het object, wanneer er geen schokgolf is, overeen met een drukstijging Δp1; wanneer er een schokgolf is, verliest de luchtstroom gedeeltelijk een deel van de mechanische energie bij het passeren van de schokgolf, en de drukstijging Δp2 die overeenkomt met dezelfde vertraging zal kleiner zijn dan Δp1. Daarom, wanneer er een schokgolf is, is de druk in de achterste helft van het object iets lager, wat de bron is van de schokgolfweerstand. Door de voorkant van het object scherp te maken, kan de schokkegelhoek worden verkleind, waardoor het verlies veroorzaakt door de schokgolf wordt verminderd en ook de schokgolfweerstand wordt verminderd. Wanneer het schip op het wateroppervlak vaart, genereert het oppervlaktegolven en heeft het ook golfweerstand, dus het moet puntig worden gemaakt, terwijl de onderzeeër die onder water vaart rond is.
Energieverlies gebruiken om schokgolfweerstand te verklaren is niet direct genoeg. De druk en stroperige kracht op het oppervlak van een object zijn immers de factoren die direct de grootte van de weerstand bepalen. Vervolgens wordt de schokgolfweerstand verklaard door de verandering van de oppervlaktedruk van het object.
05
Effect van vorm en oppervlaktekwaliteit op weerstand
Het verminderen van weerstand is een eeuwig thema van vloeistofmechanica. Het gebruik van stroomlijnen kan de drukverschilweerstand effectief verminderen, voornamelijk omdat er geen grenslaagscheiding is op het oppervlak van een goed ontworpen gestroomlijnd lichaam, waardoor de drukverschilweerstand wordt verminderd.
Naast de vorm heeft ook de oppervlakteruwheid van een object invloed op de weerstand. Over het algemeen geldt: hoe gladder het oppervlak, hoe kleiner de wrijvingsweerstand, maar soms is het oppervlak van het object opzettelijk ruw, zodat de grenslaag turbulent wordt om scheiding te remmen, waardoor de drukverschilweerstand aanzienlijk wordt verminderd.
06
Samenvatten
Bij het analyseren van de aerodynamische weerstand van een object, is het de gewoonte van vloeistofmechanica om het te verdelen volgens de vorm van kracht. De weerstand die wordt veroorzaakt door de druk die verticaal op het oppervlak van het object werkt, wordt drukverschilweerstand genoemd, terwijl de weerstand die wordt veroorzaakt door de wrijvingskracht parallel aan het oppervlak van het object wrijvingsweerstand wordt genoemd. Aangezien er geen andere kracht is dan deze twee krachten op het oppervlak van een object, is elke vorm van weerstand drukverschilweerstand of wrijvingsweerstand, of beide.
De drukverschilweerstand veroorzaakt door stroomscheiding en de drukverschilweerstand veroorzaakt door schokgolf zijn de grootste factoren die de aerodynamische weerstand van objecten beïnvloeden.
Subsonische objecten met lage weerstand hebben ronde koppen en puntige staarten, terwijl supersonische objecten met lage weerstand puntige uiteinden hebben.
