Почему аэродинамический профиль имеет форму капли?

Также было проведено много практических исследований (например, измерения в аэродинамических трубах), направленных на определение оптимальной формы аэродинамического профиля для конкретных условий. См., например, аэродинамические поверхности NACA (предшественника NASA): en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil .

Почему каплевидная форма такая обтекаемая?

@JamesDavis Я думаю, это потому, что тонкий хвост предотвращает турбулентность. Смотрите здесь .

Мне любопытно: есть ли более явное математическое выражение для идеализированной формы аэродинамического профиля, как вы описываете - даже если не «замкнутая форма» с точки зрения некоторых более общих функций, то, по крайней мере, как бесконечная сумма?

@The_Sympathizer: Если вы готовы предположить «отсутствие турбулентности», я полагаю, что есть какое-то безбожное дифференциальное уравнение, которое вы можете попытаться решить, и в этот момент у вас будет аэродинамический профиль в виде сферической коровы, который на самом деле не работает. Если вы признаете, что турбулентность существует, тогда это действительно сложная проблема.

@The_Sympathizer Не существует «идеальной» формы аэродинамического профиля, поскольку каждый аэродинамический профиль является компромиссом. Планер имеет другое предпочтительное семейство аэродинамических профилей по сравнению с авиалайнером, который также имеет другое предпочтительное семейство аэродинамических профилей по сравнению с тихоходным легким самолетом. Вы выбираете аэродинамические поверхности в зависимости от того, какую миссию они должны выполнять. Существует уравнение, которое можно применить в качестве поля для определения поведения любого объекта в жидкости: уравнение Навье-Стокса.

@The_Sympathizer ... современные проектировщики аэродинамических профилей используют такие инструменты, как XFLR5, для применения уравнения Навье-Стокса к 3D-объектам (вычислительная гидродинамика), чтобы охарактеризовать поведение аэродинамических профилей, а затем передать результат в другую программу, которая немного изменяет аэродинамический профиль, чтобы вернуть его обратно в XLFR5. Аэродинамический профиль будет случайным образом видоизменяться и развиваться для достижения определенных целей дизайна.

@slebetman: Значит, два условия, приведенные в посте, не определяют однозначно какую-либо конкретную форму? Да, можно спроектировать для других параметров, но если мы спросим: «Существует ли уникальная форма, которая в двух измерениях оптимизирует как лобовое сопротивление, так и подъемную силу при условии равномерного набегающего потока?» ответ "да" или "нет" и почему? Какие еще параметры необходимо зафиксировать, чтобы однозначно указать форму?

@The_Sympathizer Вам нужно добавить дополнительные данные. Вам нужно спросить: «Для крыла с хордой 3 м, летящего со скоростью 200 км/ч, какая форма обеспечит наилучшее соотношение L/D?» что даст вам ответ, отличный от «для крыла с хордой 5 м, летящего со скоростью 900 км / ч, какая форма создаст наилучшее соотношение L / D?». Ответ зависит от числа Рейнольдса, с которым работает крыло, а число Рейнольдса изменяется в зависимости от масштаба (хорды крыла), воздушной скорости, давления воздуха и т. д.

.. Конечно, ни один самолет (даже бумажный самолетик) не работает только на одной скорости, поэтому вам снова придется идти на компромисс, чтобы получить самолет, который хорошо работает на скоростях взлета / посадки и оптимален на крейсерской скорости. Только один пример: аэродинамический профиль радиоуправляемого планера, запускаемого с банджи, будет отличаться от аэродинамического профиля буксируемого радиоуправляемого планера, потому что для запуска с банджи необходимо еще больше снизить сопротивление, чтобы получить большую высоту запуска, но буксируемый планер может оптимизировать для большей подъемной силы профиля, потому что самолет-буксировщик может сбросить его на любой высоте

@The_Sympathizer Вот 4 фактора, которые влияют на число Рейнольдса: плотность жидкости (воздуха), вязкость жидкости (воздуха), скорость потока (воздуха), размер объекта. Из 4 3 являются переменными, и вы можете жестко запрограммировать вязкость воздуха, если только вы не планируете летать на вещах, которые не являются воздухом, например, на чистом водороде, воде или масле. Конечно, соотношение L/D (оптимизирует как подъемную силу, так и лобовое сопротивление) — это лишь один из критериев проектирования. Макс. L/D почти никогда не совпадает с Макс. подъемной силой (CL Max), поэтому в некоторых случаях, когда вам не нужно далеко ехать, но нужно поднимать большой вес, вы можете выбрать CL Max вместо Max L/D.

@The_Sympathizer Есть причина, по которой аэродинамический дизайн по-прежнему остается искусством (или черной магией), а не механическим процессом. Наши инструменты просто дают нам возможность тестировать наши проекты (мы можем схитрить, используя эволюционное программирование), вместо того, чтобы выполнять работу по проектированию за нас. Мы полагаемся на человеческую интуицию и эмпирические правила при проектировании аэродинамического профиля (или даже всего самолета), а затем проверяем, насколько он хорош.

В дополнение к ошибкам в оптимизации конструкции, на которые указал @slebetman, форма, которая дает максимальную подъемную силу, также неверна - даже при условии невязкого потока. Тонкая форма с полукруглой верхней и нижней поверхностями будет иметь большую подъемную силу (как и многие варианты).

@slebetman: Спасибо. Ваш первый комментарий отвечает на мой вопрос (отрицательно). Вероятно, ответ выиграет от включения части этой информации и в последующие комментарии.