Какова связь между высотой полета самолета и сопротивлением, которое он испытывает?

Число Рейнольдса р е определяется как р е знак равно с л р мю знак равно с л ν , с

  • скорость с   [ м с ] ,
  • эталонная длина л   [ м ] ,
  • плотность р   [ к грамм м 3 ]
    • р знак равно п р Т для идеальных газов
    • давление п   [ п а ] знак равно [ к грамм м с 2 ]
    • температура Т   [ К ]
    • постоянная идеального газа р   [ Дж к грамм К ] знак равно [ м 2 К с 2 ]
  • динамическая вязкость мю   [ к грамм м с ] и
  • кинематическая вязкость ν   [ м 2 с ] , ν знак равно мю р .

Насколько я понимаю, сопротивление увеличивается с уменьшением числа Рейнольдса. Следовательно, сопротивление увеличивается с увеличением кинематической вязкости (см., например, эту книгу ):

  • Связь между высотой и кинематической вязкостью согласно ISA (International Standard Atmosphere) .

    • С увеличением высоты плотность воздуха уменьшается.

    • Динамическая вязкость уменьшается с увеличением высоты до 11 000   м , затем остается постоянной 25 000   м и возрастает с высоты более 25 000   м .
      Это основано на формуле Сазерленда для идеальных газов, которая, в свою очередь, зависит от температуры воздуха.
      По данным ISA, температура воздуха снижается с увеличением высоты до 11 000   м , затем остается постоянной 25 000   м и возрастает с высоты более 25 000   м .

    • Разделение мю от р видно, что кинематическая вязкость увеличивается с увеличением высоты.
      См., например , здесь или здесь для получения точных данных.

  • Таким образом, число Рейнольдса уменьшается с увеличением высоты, а это означает, что сопротивление увеличивается с увеличением высоты, при условии, что скорость и опорная длина постоянны.

Действительно ли самолет испытывает большее сопротивление, чем выше его высота полета, если в остальном параметры остаются постоянными?

Исследуя этот вопрос, часто натыкаешься на утверждение, что сопротивление уменьшается с увеличением высоты из-за уменьшения плотности. Однако никто, кажется, не принимает во внимание кинематическую плотность.
Имеются ли заслуживающие доверия диаграммы, показывающие сопротивление по высоте?

Обратите внимание на разницу между сопротивлением и коэффициентом сопротивления : общее сопротивление является функцией р с г . . . , поэтому деление мю от р отменяется, когда вы вычисляете фактическое сопротивление.
Существует несколько типов сопротивления, испытываемых самолетом. Вы, кажется, имеете в виду сопротивление трения кожи. Суммарное сопротивление обычно уменьшается с высотой, хотя отдельные виды сопротивления, включая поверхностное трение и индуктивное сопротивление, часто увеличиваются в зависимости от обстоятельств. Я думаю, отсюда и путаница, выраженная в вашем последнем абзаце.
@JonathanWalters: «Суммарное общее сопротивление обычно уменьшается с высотой» . Это верно только в том случае, если коэффициент подъемной силы увеличивается из-за снижения мощности двигателя с высотой. Но изменение полярной точки делает все сравнения недействительными. Нет, сопротивление будет увеличиваться с высотой, если сравнивать яблоки с яблоками.

Ответы (1)

Да, это так - трение кожи увеличивается с увеличением высоты.

Механизм связан больше с температурой, чем с плотностью, но рассуждения в вашем вопросе верны. Может быть несколько случаев, когда вязкое сопротивление увеличивается с увеличением числа Рейнольдса (например, ламинарные аэродинамические поверхности теряют ламинарный ковш при увеличении числа Рейнольдса), но в целом наблюдение верно.

Сначала сюжет из книги Сигарда Хёрнера Fluid Dynamic Drag :

Характеристики потока на высоте

Свойства потока на высоте, со стр. 1-11 в Fluid Dynamic Drag, издание 1965 года. Отношение фактического числа Рейнольдса к числу Рейнольдса на уровне моря р р 0 показывает четкую нисходящую тенденцию по высоте (которая отложена по оси X). На высоте 60 000 футов число Рейнольдса при той же скорости потока составляет всего 12% от числа Рейнольдса на земле. Если вы посмотрите на одно и то же динамическое давление, вы должны скорректировать его на квадратный корень из коэффициента плотности. р р 0 , что составляет 0,3 на высоте 60 000 футов. В общей сложности самолет пролетит на высоте 60 000 футов при 40% числа Рейнольдса на уровне моря, когда динамическое давление остается постоянным. Подъемная сила пропорциональна динамическому давлению, поэтому для сравнения лучше всего поддерживать постоянное динамическое давление.

Теперь о вязком сопротивлении для числа Рейнольдса: из той же книги я скопировал график большого количества экспериментальных данных, который хорошо показывает тенденцию:

Кожное трение по числу Рейнольдса

Кожное трение по числу Рейнольдса, на стр. 2-6 в Fluid Dynamic Drag. Обратите внимание, что обе оси являются логарифмическими, чтобы получить почти линейную линию тренда. k обозначает поправку для потока, который начинается с ламинарного, но затем становится турбулентным, когда достигается критическое число Рейнольдса (critisch = kritisch по-немецки, отсюда и k).

Для получения более подробной информации я рекомендую эту страницу из Стэнфорда.


РЕДАКТИРОВАТЬ:

Ваши комментарии помогли мне понять источник ваших сомнений. Сопротивление и подъем пропорциональны динамическому давлению д , а это, в свою очередь, является произведением скорости в квадрат и плотность р :

д знак равно в 2 2 р
Уменьшите плотность, и вы уменьшите сопротивление. Но это также уменьшит подъемную силу. В конце концов, вы хотите поддерживать ту же массу самолета при более низкой плотности, поэтому вам нужно что-то сделать, чтобы вернуть подъемную силу на прежний уровень, несмотря на падение плотности. Вы делаете это, увеличивая скорость. Другими словами, вы восстанавливаете то же динамическое давление. Теперь сопротивление также вернулось к прежнему уровню, плюс еще кое-что. Изэнтропическое расширение означает, что температура падает при уменьшении плотности, а термодинамический закон изоэнтропического расширения описывает то, что происходит с воздухом в атмосфере (изоэнтропическое = отсутствие изменения энтропии). Более низкая температура означает более высокую вязкость. Движение с тем же динамическим давлением при более низкой температуре обычно вызывает большее сопротивление вязкости.

@Thesis Эта статья, вероятно, упрощает ситуацию и использует термин фрикционное сопротивление для обозначения всего неиндуцированного сопротивления.
@Thesis: Нет, но неправильная ссылка. Полет с той же скоростью в более разреженном воздухе действительно уменьшает сопротивление, но создание такой же подъемной силы в более разреженном (точнее: более холодном) воздухе вызовет большее сопротивление вязкости. И, в конце концов, вы хотите, чтобы тот же самый самолет находился в воздухе, тем самым создавая такую ​​же подъемную силу.
Ответ Питера, конечно, очень тщательный, но он просто хотел указать, что для сравнения «экономии топлива» вы должны смотреть на общую энергию, чтобы преодолеть расстояние, а не только на мгновенную силу в качестве сравнения. По сути, сила увеличивается, да, но вам это нужно на меньшее время, потому что вы движетесь быстрее, если сохраняете то же динамическое давление. Я не занимался здесь никакой математикой, но хотя оператор user12485 также принимает это во внимание (постоянная скорость), оператор Peter — нет. Следовательно, Питер: было бы неплохо, если бы вы включили это.
@Arnout: О, да ладно. Вопрос о перетаскивании, поэтому я ответил на него соответственно. У нас есть много вопросов и ответов об эффективности и производительности транспорта. Если бы я расширил каждый ответ таким образом, они были бы еще длиннее.