Еще вопрос по самолету

То есть подобно поршню, всасывающему воздух, аэродинамический профиль, движущийся сквозь ветер, вытесняет воздух за собой и, таким образом, создает всасывающую силу. Затем воздух вокруг аэродинамического профиля втягивается в смещенную область аэродинамическим профилем по мере его движения.

Молекулы и атомы не «держатся» и не «цепляются» друг за друга в стабильных состояниях, поэтому не существует такого понятия, как «всасывание» или «сила всасывания». На самом деле это просто градиенты давления, действующие на какую-то часть системы.

1. Если мы посмотрим на стандартное распределение давления аэродинамического профиля NACA, мы обнаружим, что самая низкая область давления (т. е. область наибольшей подъемной силы) находится ближе к кончику аэродинамического профиля, а не в области, где воздух вытесняется движущимся аэродинамическим профилем. . Разве область самого низкого давления не будет именно областью вытесненного воздуха, поскольку именно это смещение вызывает всасывание воздуха (и, следовательно, также более низкое давление)?

Во-первых, причина, по которой самолеты летают, четко указана во многих ответах на следующий вопрос: Что на самом деле позволяет самолетам летать? .

Во-вторых, точное расположение области самого низкого или самого высокого давления не имеет большого значения для полета. Что ж, я полагаю, что аэродинамический профиль , вероятно, намеренно спроектирован таким образом, чтобы область с наибольшим градиентом давления была наиболее структурно прочной. Однако я считаю, что аэродинамический профиль может быть буквально листом фанеры, как указано в следующем ответе . Угол атаки является важнейшей конструктивной особенностью, в то время как форма аэродинамического профиля часто предназначена для конкретных целей (например, для уменьшения лобового сопротивления или обеспечения подъемной силы независимо от ориентации фюзеляжа относительно горизонта, т. е. как вправо, так и вверх ногами).

Если мы представим сценарий этого неэффективного клиновидного аэродинамического профиля в аэродинамической трубе, мы увидим, что способ представления подъемной силы с помощью вытесненного воздуха не работает.

Почему нет? Клин, который вы нарисовали, был бы ужасным аэродинамическим профилем не потому, что он не способен подняться при правильном угле атаки, а потому, что сопротивление, которое он вызвал бы, было бы огромным. Пока есть угол атаки и вы давите достаточно сильно, подъемная сила должна быть конечной. Достаточно ли подъемной силы, чтобы удержать объект от падения, - это другой вопрос.

Причина в том, что в аэродинамической трубе сам аэродинамический профиль неподвижен и, таким образом, фактически не вытесняет воздух при движении.

Нет, нет никакой разницы между профилем в аэродинамической трубе и профилем в самолете в полете (с точки зрения профиля). То есть аэродинамическая труба — это то же самое, что представить, что вы находитесь в опорной раме самолета, так что воздух движется над/под крылом.

Таким образом, в этой ситуации мы не можем использовать ту же логику для объяснения того, почему воздух кажется «всасываемым» в область более низкого давления вытесненного воздуха. Тем не менее, аэродинамические трубы часто используются для измерения распределения давления на аэродинамическом профиле.

Опять же, воздух не «всасывается» в разные области, но молекулы могут быть вытолкнуты другими молекулами. С макроскопической точки зрения это будет градиент давления.

Несмотря на это, возможность измерения давления не зависит от того, неподвижен ли аэродинамический профиль в лаборатории, когда воздух движется мимо него, или он находится в самолете, движущемся относительно земли. В обоих сценариях есть воздушная скорость — скорость аэродинамического профиля относительно неподвижного воздуха — и путевая скорость — скорость аэродинамического профиля относительно неподвижной земли.

Я предполагаю, что вопрос здесь в том, есть ли разница между распределением давления в аэродинамическом профиле, измеренным при движении воздуха мимо аэродинамического профиля (т.е. в аэродинамической трубе), и перемещением аэродинамического профиля через воздух (т.е. в реальном полете).

Да, но по тонким и часто незначительным причинам. То есть воздух, движущийся в аэродинамической трубе, часто преднамеренно ламинарный и почти всегда параллелен фюзеляжу самолета. Когда самолеты на самом деле летают, они часто движутся в слегка турбулентном воздухе, который имеет основную скорость потока (ветра) относительно земли и не совпадает с фюзеляжем.

Однако для практических целей существенной разницы нет.

Обновление в ответ на отредактированное сообщение

В новой стойке с боковым клиновидным аэродинамическим профилем (треугольное поперечное сечение) аэродинамический профиль будет создавать подъемную силу за счет вязкости и геометрии, вызывающей циркуляцию в соответствии с теоремой Кутты- Жуковского . Однако важно отметить, что хотя может быть некоторая подъемная сила, которая не соответствует чистой восходящей силе в пределе нулевого угла атаки. То есть, хотя может быть некоторая подъемная сила, она может не преодолеть гравитацию, и объект, пытающийся лететь с таким аэродинамическим профилем, может упасть.

Как я уже говорил, ответы, связанные с приведенными выше, содержат гораздо более подробную информацию по этой теме, в частности, этот превосходный ответ , который подробно объясняет теорему Кутты-Жуковского.

Я протестировал с моделью FEM несжимаемое обтекание этого аэродинамического профиля для чисел Рейнольдса в диапазоне от 250 до 1000. Для каждого теста подъемная сила положительна. Следовательно, в случае течения вязкой несжимаемой жидкости возникает эффект подъемной силы. Подъемная сила уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. Линии тока скорости (слева) и распределение давления (справа) для$Re=250, 1000$показаны на рис. 1 - верхняя линия и вторая линия соответственно. При более высоких числах Рейнольдса (около 1000) стационарное обтекание этого профиля является неустойчивым (в численной модели).

Причиной подъемной силы является структура потока, как я обсуждал это ранее в своем ответе здесь .

Только представьте себе клиновидную лопасть вентилятора, собранную таким образом, что тупая сторона разрезает воздух. Ясно, что (слабый) ветер, создаваемый этим вентилятором, идет от прямой стороны к заклиниванию (снизу вверх на вашем рисунке). Не вижу причин быть по-другому.

Если воздух течет в этом направлении, сила реакции на лопасти действует в противоположном направлении. В случае самолета это направленная вниз сила. Поднять не помогает.

Прежде всего, рисунок, показывающий распределение давления по аэродинамическому профилю, является не измерением, а теоретическим расчетом, основанным на сомнительных концепциях, таких как закон Бернулли ( https://www.mh-aerotools.de/airfoils/velocitydistributions.htm ). Во-вторых, давление (передача импульса) на поверхность крыла зависит только от плотности и вертикальной составляющей скорости молекул относительно поверхности. Таким образом, для распределения давления не должно иметь значения, движется ли аэродинамический профиль относительно воздуха или воздух относительно аэродинамического профиля.

С вашей собственной схематической моделью можно получить довольно хорошую оценку аэродинамической подъемной силы, например, Боинга 747:

рассмотрим сначала тарелку размером$1 m^2$двигаясь лоб в лоб со скоростью 250 м/с в воздухе; воздух имеет плотность$3*10^{25}$молекулы/$m^3$, значит, через 1 с в пластину ударит$3*10^{25}*250 = 7.5*10^{27}$молекулы. Если предположить, что каждая молекула имеет массу$4.5*10^{-26} kg$, это означает, что сила на пластине$7.5*10^{27} *4.5*10^{-26} *250$"="$8.4*10^4 N = 20,000 lb$(округленный). Конечно, поверхность крыла обращена не прямо к воздушному потоку, а лишь под очень небольшим углом. Примем, что этот угол (средний наклон верхней поверхности крыла) составляет около 5 град; это означает, что рассчитанная выше сила должна быть умножена на коэффициент$sin(5)*cos(5)$чтобы получить подъем и фактором$sin^2(5)$чтобы получить силу сопротивления, которая приводит к примерно$1,700 lb$и$150 lb$соответственно. Теперь это будет для поверхности крыла$1m^2$; однако общая площадь крыла Боинга 747 составляет$541 m^2$( http://www.airliners.net/info/stats.main?id=100 ), так что сил становится около$920,000 lb$для подъемника и$81,000 lb$для перетаскивания. Первый практически точно соответствует весу, а второй примерно эквивалентен тяге одного из двигателей (так что один двигатель примерно компенсирует лобовое сопротивление крыльев, остальные 3 видимо должны преодолевать лобовое сопротивление фюзеляжа самолета) .

Этот расчет основан на предположении о невязком газе, поэтому эффекты, связанные с вязкостью воздуха (т. е. столкновения между молекулами воздуха), не учитываются. Воздушный поток вокруг крыла (на котором основана цифра, которую вы воспроизвели выше) действительно является лишь вторичным эффектом, вызванным вязкостью воздуха. Он не вызывает аэродинамической подъемной силы, которая, как показал мой расчет, существовала бы и для невязкого газа. Я объяснил это более подробно на своей странице https://www.physicsmyths.org.uk/bernoulli.htm.