Strömungswiderstände sind ein weitreichendes Problem. Der Kraftstoffverbrauch eines Autos bei hoher Geschwindigkeit ergibt sich hauptsächlich aus dem Luftwiderstand und nicht aus dem Bodenreibungswiderstand. Der Grund dafür, dass Smog in der Luft „schweben“ kann, liegt auch im Strömungswiderstand. Dies alles verdeutlicht die Bedeutung des Luftwiderstands.
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Druckdifferenzwiderstand und Reibungswiderstand
Aus krafttechnischer Sicht ist der Widerstand des Objekts die direkte Einwirkung der Flüssigkeit auf seine Oberfläche. Was senkrecht zur Oberfläche des Objekts steht, ist der Druck der Flüssigkeit, und der von ihr erzeugte Widerstand wird Differenzdruckwiderstand genannt; Was parallel zur Oberfläche des Objekts verläuft, ist die viskose Scherkraft der Flüssigkeit, und der dadurch erzeugte Widerstand wird Reibungswiderstand genannt. Außer diesen beiden Kräften gibt es keine andere Kraft. Daher ist der Gesamtwiderstand eines Objekts die resultierende Kraft aus Druckdifferenzwiderstand und Reibungswiderstand. Der Druckdifferenzwiderstand hängt eng mit der Form des Objekts zusammen, und der Reibungswiderstand hängt hauptsächlich mit der Oberfläche des Objekts zusammen.
An manchen Stellen heißt es, dass es neben Druckdifferenzwiderstand und Reibungswiderstand auch induzierten Widerstand, Stoßwellenwiderstand usw. gibt, was ein Missverständnis ist. Tatsächlich können sowohl der induzierte Widerstand als auch der Stoßwellenwiderstand auf den Druckdifferenzwiderstand und den Reibungswiderstand (hauptsächlich Druckdifferenzwiderstand) zurückgeführt werden.
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Formwiderstand, hinterer Widerstand
Es ist seit der Antike bekannt, dass Objekte, die sich in einer Flüssigkeit bewegen, einen Widerstand erfahren, und dieser Widerstand hängt eng mit der Form des Objekts zusammen. Doch die ursprüngliche Theorie der Strömungsmechanik kam zu dem gegenteiligen Schluss. Basierend auf den Gesetzen der Flüssigkeitsbewegung von Euler und Bernoulli wird die Flüssigkeit, wenn die Viskosität der Flüssigkeit ignoriert wird, keinen Widerstand gegen Objekte jeglicher Form erzeugen, die sich in ihr bewegen.
Es scheint, dass der Widerstand vollständig durch die Viskosität verursacht wird, aber die Viskosität der Luft ist sehr gering und der von ihr erzeugte Reibungswiderstand ist viel kleiner als der tatsächlich gemessene aerodynamische Widerstand. Dieser Widerspruch ist in der Geschichte als „D’Alemberts Paradoxon“ bekannt, weil er vom französischen Mathematiker D’Alembert vorgeschlagen wurde.
Erst als Prandtl die Grenzschichttheorie aufstellte, wurde den Menschen das Wesen des Strömungswiderstands wirklich klar. Der Druckdifferenzwiderstand ist die Hauptkomponente des aerodynamischen Widerstands, während der Druckdifferenzwiderstand bei allgemeinen Objekten hauptsächlich auf die Grenzschichtablösung zurückzuführen ist.
Frühe Menschen (vielleicht glauben es heute viele) basierten auf einer Art „gesundem Menschenverstand“ und glaubten, dass die Form des vorderen Teils des Objekts die Größe des Widerstands bestimmt und dass der Widerstand gering sein wird, wenn der vordere Teil schärfer ist . Bei der Grenzschichttheorie ist es wichtiger, die Form der Rückseite des Objekts zu ermitteln. Denn die Form der Rückseite des Objekts bestimmt, wo sich die Grenzschicht ablöst und damit die Druckverteilung auf der Oberfläche des Objekts.
Gewöhnliche Fische und Vögel sind relativ perfekte, stromlinienförmige Körper mit runden Köpfen und spitzen Schwänzen.
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Formwiderstand. Frontwiderstand
Obwohl die Form der Rückseite des Objekts entscheidend für die Höhe des Luftwiderstands ist, ist auch die Form der Vorderseite wichtig. Wenn beispielsweise die Vorderseite des Objekts quadratisch ist, trennt sich die Flüssigkeit frühzeitig an den scharfen Ecken und die sorgfältig gestaltete Form der Rückseite verliert ihre Bedeutung. Bei den derzeit auf der Autobahn fahrenden Lastkraftwagen konzentriert sich die erreichte Formoptimierung hauptsächlich auf den vorderen Teil, während der hintere Teil durch die Form des Containers begrenzt ist, sodass weniger Arbeit geleistet wurde. Bei Objekten, die sich mit transsonischer Geschwindigkeit bewegen, erzeugt die Stoßwelle zusätzlichen Widerstand. Daher ist der vordere Teil sehr spitz geformt, sodass der Kegelwinkel der Stoßwelle kleiner ist, um den Widerstand zu verringern.
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Stoßwellenbeständigkeit
Wenn sich die Geschwindigkeit der einströmenden Strömung der Schallgeschwindigkeit nähert oder diese überschreitet, werden Stoßwellen erzeugt, die einen zusätzlichen Stoßwellenwiderstand mit sich bringen. Im Wesentlichen ist der Stoßwellenwiderstand auch eine Art Druckdifferenzwiderstand, der durch eine unzureichende Druckwiederherstellung in der hinteren Hälfte des Objekts aufgrund des Vorhandenseins von Stoßwellen verursacht wird. Unter Vernachlässigung des Viskositätsverlusts entspricht die Verlangsamung des Luftstroms in der zweiten Hälfte des Objekts einem Druckanstieg Δp1, wenn keine Stoßwelle vorhanden ist; Bei einer Stoßwelle verliert der Luftstrom beim Durchgang durch die Stoßwelle teilweise einen Teil der mechanischen Energie und der Druckanstieg Δp2 entsprechend der gleichen Verzögerung ist kleiner als Δp1. Daher ist bei einer Stoßwelle der Druck in der hinteren Hälfte des Objekts etwas geringer, was die Ursache für den Stoßwellenwiderstand ist. Wenn Sie die Vorderkante des Objekts scharf machen, kann der Stoßkegelwinkel verringert werden, wodurch der durch die Stoßwelle verursachte Verlust verringert und auch der Stoßwellenwiderstand verringert wird. Wenn das Schiff auf der Wasseroberfläche fährt, erzeugt es Oberflächenwellen und weist auch einen Wellenwiderstand auf. Daher sollte es spitz sein, während das unter Wasser fahrende U-Boot abgerundet ist.
Die Verwendung von Energieverlusten zur Erklärung des Stoßwellenwiderstands ist nicht direkt genug. Schließlich sind der Druck und die viskose Kraft auf der Oberfläche eines Objekts die Faktoren, die direkt die Größe des Widerstands bestimmen. Als nächstes wird der Stoßwellenwiderstand durch die Änderung des Oberflächendrucks des Objekts erklärt.
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Einfluss von Form und Oberflächenqualität auf den Luftwiderstand
Die Reduzierung des Widerstands ist ein ewiges Thema der Strömungsmechanik. Durch die Verwendung von Stromlinien kann der Differenzdruckwiderstand effektiv verringert werden, vor allem weil es auf der Oberfläche eines gut gestalteten stromlinienförmigen Körpers keine Grenzschichttrennung gibt, wodurch der Differenzdruckwiderstand verringert wird.
Neben der Form beeinflusst auch die Oberflächenrauheit eines Objekts den Luftwiderstand. Im Allgemeinen gilt: Je glatter die Oberfläche, desto geringer ist der Reibungswiderstand. Manchmal ist die Oberfläche des Objekts jedoch absichtlich rau, sodass die Grenzschicht turbulent wird, um eine Ablösung zu verhindern, wodurch der Druckdifferenzwiderstand erheblich verringert wird.
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Zusammenfassen
Bei der Analyse des aerodynamischen Widerstands eines Objekts besteht die Gewohnheit der Strömungsmechanik darin, ihn nach der Kraftform zu unterteilen. Der Widerstand, der durch den vertikal auf die Oberfläche des Objekts wirkenden Druck verursacht wird, wird Differenzdruckwiderstand genannt, während der Widerstand, der durch die Reibungskraft parallel zur Oberfläche des Objekts verursacht wird, Reibungswiderstand genannt wird. Da es auf der Oberfläche eines Objekts außer diesen beiden Kräften keine andere Kraft gibt, ist jede Art von Widerstand entweder Druckdifferenzwiderstand oder Reibungswiderstand oder beides.
Der durch Strömungsablösung verursachte Druckdifferenzwiderstand und der durch Stoßwellen verursachte Druckdifferenzwiderstand sind die größten Faktoren, die den aerodynamischen Widerstand von Objekten beeinflussen.
Unterschall-Objekte mit geringem Widerstand haben runde Köpfe und spitze Schwänze, während Überschall-Objekte mit geringem Widerstand spitze Enden haben.
