اصول و کاربردهای آیرودینامیک ( آموزش مباحث به زبان ساده ) – جسم ایرودینامیک چیست ؟

آیرودینامیک چیست؟ (Aerodynamic)

آیرودینامیک ( Aerodynamic )  چیزی به جز بررسی رفتار هوای متحرک نیست. اگر هدف ما استفاده مفید از حرکت هوا باشد ابتدا باید به بررسی رفتار حرکتی هوا بپردازیم این دسته از مطالعه را به اختصار آیرودینامیک می ­نامند. آیرودینامیک به دسته بندی های متفاوتی تقسیم بندی می­شود  و کاربرد های آیرودینامیک مباحث گسترده ای رو در بر میگیرند: از مطالعه جریان هوا اطراف یک دو چرخه تا ایرفویل ها و بال هواپیما. یک متخصص آیرودینامیک می بایست از این رفتار حرکتی هوا به درستی استفاده کند. به طور مثال یک هواپیما به وزن 75 تن با ایجاد نیروی معادل همین مقدار برروی بال ها و بدنه آن شروع به پرواز می­کند.

هدف طراح بال این است که باد نسبی نیروی عمودی برای سوق دادن هواپیما به سمت بالا تولید کند اما همواره یک نیرو موجب پس زدن هواپیما و عقب زدن آن تولید می­کند. به این نیروی که موجب به عقب زدن هواپیما می شود نیروی پسا یا (Drag Force) گفته می­ شود.

نیروی درگ چیست ؟

برای درک نیروی پسا یا Drag Force کافی است از جای خود بلند شوید و درحالی که کف دست خود را رو به جلو قرار داده اید شروع به دویدن کنید. شما همواره احساس می­ کنید یک نیرو مانع حرکت شما می­شود .اگر با انجام این آزمایش متوجه نیروی درگ نشدید ، کافی است دست خود را از اتومیبل در حال حرکت به بیرون ببرید(البته با رعایت نکات ایمنی) متوجه خواهید شد نیروی بزرگی دست شما را به عقب هل می­ دهد.(نتیجه: هرچقدر سرعت جسم متحرک بیشتر باشد این نیرو نیز بیشتر خواهد شد) اگر بخواهیم به طور علمی نیروی پسا را تعریف کنیم، نیروی درگ عبارت است از:

“زمانی که جسمی درون سیال حرکت می‌کند برهم کنشی بین جسم و سیال رخ می‌دهد. تنش برشی به علت اثرات گرانروی و تنش‌های عمودی به علت فشار بر جسم وارد می‌شوند. به برآیند این نیروها در جهت سرعت جریان بالاسری نیروی پسا و عمود بر جهت سرعت جریان بالاسری نیروی برآ گفته می‌شود.”

حال یک سوال اساسی : چگونه نیروی پسا (Drag Force) را کاهش دهیم؟

برای پاسخ به این سوال کافی است به طبیعت سری بزنیم و حرکت ماهی در آب را با دقت نگاه کنیم. اگر آب را معادل هوا و ماهی را معادل جسم متحرک بگیریم ، خواهیم فهیمد برای کاهش نیروی درگ و افزایش نیروی لیفت، بدنه هواپیما یا جسم متحرک در هوا باید به بدن ماهی شبیه باشد همچنین باید از ایجاد هرگونه ناهمواری بر روی بدنه جلوگیری کنیم با این کار تا حد مطلوبی نبروی پسار کاهش می­یابد. تا این جا با مفهوم نیروی پسار آشنا شدیم.

سوال دیگر این است آیا جریان آشفته تولید شده در پشت هواپیما میتوانید از پیشروی هواپیما جلوگیری کند؟

خب در نگاه اول میتوان گفت هوا نمیتواند چیزی را به عقب بکشد چون هوا مثل آب است نه یک طناب. به طور مثال فرض کنید حجمی از هوا را به دور یک جسم گره زده ایم. با کشیدن هوا جسم به سمت عقب کشیده نمی­ شود ، زیرا تکه های هوا از هم باز شده و گره نیز باز خواهد شد. به احتمال قوی انتظار دارید در ادامه بگویم نیروی پسا که بر روی هواپیما تولید می­شود موجب عدم پیشروی هواپیما می­شود، در حقیقت انتظار شما به جا بوده و این حرف درست است. ولی این قضیه به همین سادگی که در یک جمله گفته شد نیست.

بد نیست باهم یک مثال را بررسی کنیم. در شکل زیر زمانی که خودرو در حال حرکت می باشد تعادل بین فشار عقب و فشار جلوی خودرو از بین رفته و موجب تولید نیروی پسا می­ گردد. حال می بایست برای جبران تعادل از بین رفته ، عقب خودور را به صورت منحنی شکل درست کنیم تا جریان جدا شده هوا به نرمی به یکدیگر پیوسته و آشفتگی قسمت انتهایی را کاهش دهیم. این روش در ساخت خودروهای سواری تندرو، هواپیماهای سریع السیر و کشتی ها مورد استفاده قرار می گیرد و جز اصول آیرودینامیک می باشد.

نیروی برا (Lift Force) چیست؟

همانطور که می دانیم به جسمی که در درون سیال در حال حرکت است نیروی هایی وارد می­شود. نیروی برآ نیروی عمود بر سرعت حرکت جسم است که به آن وارد می­گردد. در بال هواپیما این نیرو موجب خنثی شدن اثرات وزن می­گردد. به عبارت دیگر:

” نیرویی که بر اثر برخورد هوا با سطوح فوقانی و تحتانی بال ایجاد و موجب بالا رفتن هواپیما یا ادامه پرواز آن شود را نیروی بَرآ یا لیفت گویند. برآ نیرویی است که در اثر حرکت ماهی واره (ایرفویل) در شاره (سیال) ایجاد می‌شود. پرواز هواپیما در اثر نیروی بَرا است که حاصل از شکل مقطع آیرودینامیکی بال آن است، که اصطلاحاً مقطع ایرفویل دارند، نیروی برآ بال هواپیما به عواملی مانند سرعت هواپیما، مساحت بال، چگالی هوا، شکل ماهیوارهٔ بال و زاویه حمله بستگی دارد .”

به طور کلی میتوان در شکل زیر نیروهای برا و پسا (Lift Force & Drag Force) وارد شده بر یک جسم متحرک در سیال را مشاهده کرد.

اگر به دنبال ایجاد نیروی برا هستید باید بگویم که نیروی برآ به دلیل متفاوت بودن سرعت سیال در نقاط مختلف جسم ایجاد می­گردد. با توجه به معادله برنولی این اختلاف سرعت منجر به ایجاد اختلاف فشار شده و در نهایت نیروی لیفت برای بلند کردن یک جسم از زمین ایجاد می­گردد.

نیروی تراست چیست؟ (Thrust Force)

به نیروی آیرودینامیکی که موجب حرکت یک جسم به مانند هواپیما  به سمت جلو می­شود «تراست» (Thrust) گفته می‌شود. اگر به دنبال حرکت هر جسم به سمت جلو باشید نیروی تراست تولیدی، بایستی از نیروهای مقاوم در مقابل حرکت جسم بیشتر باشد. در هواپیماها این نیرو با استفاده از سیستم پیشرانش، ایجاد می‌شود. معمولا این سیستم‌ها مبتنی بر جت یا پره هستند. پره، نوعی فن خانگی است که در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر، هوا را به سمت خود می‌کشد.

جریان های آیرودینامیک:

منظور از جریان های آیرودینامیک، حرکت هوا برروی یک جسم متحرک است. به طور کلی زمانی که هوا از روی یک جسم متحرک به مانند هواپیما عبور میکند جریان هوا به دو دسته تقسیم می­شود:

1. جریان آرام
2. جریان آشفته یا توربولانس

جریان آرام (Laminar flow) به جریانی گفته می ­شود که با نظمی خاصی از روی بدنه حرکت کرده و دارای هیچ گونه اغتشاشی نیستند و شکل بدنه شکل ، حرکت جریان را شکل می­دهد. اما در مقابل جریان آشفته یا توربولانس (Turbulences Flow) به جریانی گفته می­ شود که دارای اغتشاش و بی نظمی زیادی هستند. مهندسان مکانیک همواره در تلاش هستند با بهبود خواص آیرودینامیک ، جریان آشفته حول خودور را کاهش دهند.

ضریب درگ یا Drag coefficient

وضعیت آیرودینامیکی یک جسم متحرک توسط ضریب درگ مشخص می­گردد. این ضریب توسط یک عدد بی بعد مشخص می­گردد. در واقع در دینامیک سیالات محاسباتی ، ضریب درگ نشان دهنده میزان مقاومت یک جسم در برابر حرکت در داخل یک سیال می­ باشد. وسایل نقیله باید به نحوی طراحی گردند که این ضریب مقادیر کمتری داشته باشد. ضریب درگ بر روی مصرف سوخت، پایداری وسیله و شتابگیری و سرعت گیری آن اثرات زیادی دارد. برای محاسبه ضریب درگ از فرمول زیر استفاده می­شود:

در ادامه ضریب درگ کره، ضریب درگ نیم کره، ضریب درگ مربع، ضریب درگ مثلث، ضریب درگ لوزی، ضریب درگ سیلندر نشان داده شده است.

حتما بخوانید

دوره آموزش فلوئنت

23 ساعت

شبیه سازی جریان آیرودینامیک:

یکی از قابلیت های نرم افزار انسیس سی اف ایکس (Ansys CFX ) و انسیس فلوئنت (Ansys Fluent  ) شبیه سازی آیرودینامیک انواع خودورها، آیرودینامیک هواپیما و آیرودینامیک بال هواپیما می­ باشد.  در نرم افزار انسیس فلوئنت میدان سرعت، فشار و دمای هوای در اطراف یک جسم به راحتی قابل شبیه سازی می­باشد. به منظور شبیه سازی آیرودینامیک خودور یا آیرودینامیک بال هواپیما در نرم افزارهای انسیس ورک بنچ کافی است با عبور هوا از روی جسم مورد نظر و شبیه سازی به صورت استدی ضرایب لیفت و درگ یا نیروهای لیفت و درگ را پس از شبیه سازی محاسبه کرد.