مکانیک, مهندسی 13421 بازدید

«آیرودینامیک» (Aerodynamics) را عموما می‌توان به حرکت اجسام مختلف در هوا مرتبط دانست. قوانین حاکم بر آیرودینامیک نشان می‌دهند که چگونه یک هواپیما قادر به پرواز است. تمام اجسامی که در هوا حرکت می‌کنند، تحت تاثیر قوانین حاکم بر آیرودینامیک قرار دارند. این اجسام می‌توانند یک موشک در حال انفجار یا یک بادبادک در حال پرواز و حتی یک ماشین مسابقه باشند. در واقع زمانی که یک جسم متحرک توسط هوا احاطه شده باشد، علم آیرودینامیک در مورد آن به کار می‌رود.

این مطلب به صورت دقیق، ابتدا به بررسی تعریف علم آیرودینامیک و تاریخچه پیدایش آن می‌پردازد. در ادامه، مفاهیم پرکاربرد و مهم آن مورد بررسی قرار می‌گیرند و در نهایت کاربردهای مختلف این علم با ذکر چند مثال بیان می‌شوند.

آیرودینامیک چیست؟

همانطور که اشاره شد، آیرودینامیک دانشی است که به مطالعه اجسام متحرک در هوا و یا هوای متحرک اطراف اجسام می‌پردازد. زمانی که هوا از روی یک جسم با سرعت مشخصی عبور می‌کند، روی آن جسم اثرات مختلفی می‌گذارد. از جمله آن‌ها می‌توان به نیروهای آیرودینامیکی، لایه مرزی و نویز اشاره کرد.

توجه شود که محاسبه پارامترهای مختلف در علم آیرودینامیک را می‌توان از طریق اجرای آزمایش‌های تجربی در تونل‌های باد انجام داد. راه دیگر برای محاسبه پارامترهای آیرودینامیکی این است که معادلات حاکم بر سیال مانند معادله ناویر استوکس در علم دینامیک سیالات محاسباتی، به صورت عددی مورد مطالعه قرار بگیرند.

همانطور که اشاره شد، بسیاری از مفاهیم و معادلات حاکم در مکانیک سیالات، کاربرد بسیار زیادی در آیرودینامیک نیز دارند. از جمله این معادلات و مفاهیم می‌توان به معادلات پیوستگی و بقای جرم، معادلات ناویر-استوکس، مومنتوم خطی، مومنتوم زاویه‌ای، مفهوم توربولانس، تئوری لایه‌مرزی و فرضیات گاز ایده‌آل اشاره کرد.

تاریخچه

بشر از سال‌های دور، مفاهیم و اصول آیرودینامیک را در ابزار و وسایل مختلفی مانند قایق‌های بادی، بادبان‌ها و آسیاب‌های بادی مورد استفاده قرار داده است. اما آغاز مطالعات علمی در زمینه آیرودینامیک به قرن هفدهم میلادی برمی‌گردد. در آن زمان، انسان‌ها در ذهن خود رویای پرواز و ساخت ماشینی سبک‌تر از هوا را در ذهن خود می‌پروراندند و این موضوع امری دور از دسترس و آرزویی محال به نظر می‌رسد.

برادران رایت - Wright brothers

اولین تلاش‌ها برای مطالعه خواص و ویژگی‌های سیال در مطالعات Aristotle و Archimedes دیده می‌شود. در حالی که در یادداشت‌های آن‌ها اثری از نام علم آیرودینامیک دیده نشده است. از جمله اولین دانشمندانی که در زمینه علم آیرودینامیک فعالیت کردند، می‌توان به «ایزاک نیوتن» (Isaac Newton) اشاره کرد که به مطالعه روی نیروهای مقاوم مانند نیروی «درگ» (Drag) پرداخته است.

دانشمندان دیگری نیز مانند «برنولی» (Bernoulli)، «اولر» (Euler)، «ناویر» (Navier) و «استوکس» (Stokes) در تاریخ حضور دارند که روابط بسیار مهمی را در مکانیک سیالات و علم آیرودینامیک بیان کردند. برای مثال معادله ناویر استوکس در اوایل قرن 18 به دست آمد، این در حالی است که یافتن جواب این معادله هنوز یک مسئله جدی در آیرودینامیک و مکانیک سیالات باقی مانده است.

میل به پرواز، نیروی محرکی بود که باعث پیشرفت بسیار زیادی در علم آیرودینامیک شد. در اوایل دهه 1800، مهندسان و دانشمندان زیادی روی نیروهای موجود در پرواز مطالعه کردند. در همین دوران پارامترهایی مانند درگ، «لیفت» (Lift) و «تراست» (Thrust) متولد شدند و روابط بین آن‌ها نیز مورد مطالعه قرار گرفتند. اولین «تونل باد» (Wind tunnel) در سال 1871 ساخته شد. علاوه بر این، تئوری درگ توسط دانشمندانی مانند «رایلی» (Rayleigh) و «کیرشهف» (Kirchhoff) به وجود آمد.

اتو لیلینتال = Otto Lilienthal
پرواز با گلایدر توسط اتو لیلینتال

دانشمند آلمانی به نام «اتو لیلینتال» (Otto Lilienthal) در اواخر قرن 18، اولین نفری بود که موفق به پرواز با گلایدر شد و بعد از تحقیقات او، در سال 1903، «برادران رایت» (Wright brothers) برای اولین بار با هواپیمای موتوردار پرواز کردند.

برادران رایت - Wright brothers
هواپیمای دو طبقه در اولین روزهای پرواز توسط برادران رایت

مطالعه در زمینه آیرودینامیک و نیروهای آیرودینامیکی اطراف «ایرفویل» (Airfoil) در اینجا متوقف نشد. دانشمندانی مانند «کوتا» (Kutta)، «ژوکوفسکی» (Zhukovsky) و «پرانتل» (Prandtl) به مطالعه جریان اطراف بال هواپیما پراختند. در این زمان، وقوع جنگ‌های جهانی اول و دوم باعث پیشرفت بسیار زیادی در هواپیماها و دانش آیرودینامیک شد.

پیشرفت بسیار عظیم بعدی در علم آیرودینامیک در سال 1946 به وقوع پیوست. در این زمان، برای اولین بار، مانع صوت در سرعت و ساخت هواپیماها از بین رفت. هواپیمای آمریکایی Bell X-1 هواپیمایی است که قدرت خود را از موتور راکت دریافت می‌کند و اولین هواپیمای مجهزی است که توانسته سرعتی بیشتر از سرعت صوت را تجربه کند. در این زمان، مفاهیمی مانند جریان «فروصوت» (Subsonic) و «فراصوت» (Supersonic) به صورت دقیق مورد مطالعه قرار گرفتند و پیشرفت در این زمینه در سالهای بعد، تکمیل گردید.

Bell X-1 aircraft
هواپیمای Bell X-1

در ادامه، با حضور کامپیوترها و پیشرفت در این علم، محاسبات عددی معادلات حاکم در آیرودینامیک و مکانیک سیالات، امکان پذیر شد. در این زمان مدل‌های مختلف در «دینامیک سیالات محاسباتی» (Computational Fluid Dynamics) و نرم‌افزارهای مختلف برای حل معادلات حاکم، به وجود آمدند. اکنون، CFD نقش بسیار پر رنگی در تمامی پیشرفت‌هایی بازی می‌کند که جریان هوا در آن‌ها حضور دارند.

پارامترهای آیرودینامیکی

همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، آیرودینامیک علمی است که مطالعه نیروهای وارد بر سطح جامدی می‌پردازد که در معرض جریان هوا قرار دارد. برای بررسی و فهم بهتر این اثرات و مقایسه آن‌ها در اجسام و شرایط مختلف، نیاز به تعریف پارامترهای ریاضی داریم. از جمله این پارامترها می‌توان به درگ، لیفت، «گشتاور» (Moment)، «مرکز فشار» (Center of Pressure) و «ضریب فشار» (Pressure Coefficient) اشاره کرد.

نیروی درگ

یکی از پارامترهای بسیار مهم در آیرودینامیک، مقاومت سیال در برابر حرکت یک جسم در آن است که به درگ و یا نیروی درگ شهرت دارد. نیروی درگ را نیروی پسا نیز می‌نامند. این موضوع در وبلاگ فرادرس و در مطلب نیروی درگ مورد مطالعه قرار گرفته است. این نیرو در جهت خلاف حرکت جسم، نسبت به سیال، وارد می‌شود و عموما باعث افت در کارایی دستگاه می‌شود.

درگ خودرو
نیروی درگ و تراست در یک خودرو

نیروی درگ به شکل جسم و سرعت نسبی جسم و سیال وابسته است. این نیرو را می‌توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.

نیروی درگ

در این رابطه، Fd نمایش دهنده نیروی درگ است. ρ چگالی سیال، u سرعت حرکت جسم، A مساحت مقطع جسم که در معرض نیروی درگ قرار دارد و cd ضریب درگ را نشان می‌دهند. ضریب درگ در این رابطه به عدد رینولدز و شکل جسم وابسته است.

نیروی لیفت

یکی دیگر از نیروهای وارد بر جسم متحرک در هوا، نیروی لیفت یا نیروی برآ است. این نیرو، عمود بر جهت جریان سیال در ورودی جسم قرار دارد. عبارت لیفت، اشاره به کاربرد این نیرو در صنعت هوایی دارد. این نیرو، پرواز یک جسم سنگین‌تر از هوا را امکان‌پذیر می‌سازد. نیروی لیفت در ابزارهای مختلف صنعتی دیگری مانند ملخ‌ها، پره‌های هلیکوپتر و یا توربین‌های باد نیز مشاهده می‌شود.

لیفت ایرفویل
نیروی لیفت اطراف یک ایرفویل

به صورت کلی می‌توان بیان کرد که عبور هوا از روی یک جسم نامتقارن و یا یک جسم متقارن که زاویه حمله دارد، نیروی لیفت را تولید می‌کند. این نیرو را می‌توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.

نیروی لیفتدر این رابطه S، نشان دهنده سطحی از جسم است که در معرض نیروی لیفت قرار دارد و CL نیز ضریب لیفت را نشان می‌دهد.

گشتاور

گشتاور آیرودینامیکی، با استفاده از نیروهای آیرودینامیکی وارد شده بر جسم که تمایل به چرخش جسم دارند، تولید می‌شوند. این جسم می‌تواند بال هواپیما، ماشین و یا یک پره توربین باد باشد. چرخش، زمانی رخ می‌دهد که این نیروی چرخان در خارج از مرکز فشار یا مرکز آیرودینامیکی وارد می‌شود.

گشتاور آیرودینامیکی
گشتاور آیرودینامیکی

برای مثال، تصور کنید که جریان هوا از روی یک خودرو در حال حرکت است. در این صورت، جریان هوا توزیعی از نیروها را روی قسمت‌های مختلف خودرو وارد می‌کند. برای مثال در ورودی و در قسمت چراغ‌ها، نیرویی توسط هوا به خودرو وارد می‌شود و این نیرو تمایل به چرخش خودرو دارد.

مرکز فشار

مرکز فشار نقطه‌ای است که نیروی تولید شده توسط مجموع فشارهای سطح، در آن وارد می‌شود. این نیرو با استفاده از انتگرال سطح میدان فشار گردابه‌ای قابل محاسبه است. محاسبه این نیرو، کاربرد زیادی در تعیین پایداری یک جسم آیرودینامیک دارد. برای مثال در طراحی آیرودینامیکی یک گلوله، فاصله بین مرکز فشار و مرکز گرانش می‌تواند باعث گشتاور چرخشی در آن شود و در نتیجه دقت این حرکت پرتابی بسیار پایین خواهد بود.

به صورت ساده می‌توان مفهوم مرکز فشار را مشابه با مفهوم مرکز گرانش در نظر گرفت. مرکز گرانش، نقطه‌ای از جسم است که میانگین وزن یک جسم در آن وارد می‌شود. به عنوان مثال مرکز جرم یک چکش، در مکانی دورتر از وسط آن قرار دارد، زیرا دسته چکش وزن بسیار کمتری نسبت به سر آن دارد.

به صورت مشابه، مرکز فشار نیز نقطه‌ای است که میانگین نیروهای آیرودینامیکی مانند نیروهای درگ و لیفت در آن وارد می‌شوند. مرکز فشار در کاربرد هوایی، امکان تعادل هواپیما را برای مهندسان فراهم می‌سازد. شکل زیر مرکز فشار و مرکز گرانش یک راکت را نمایش می‌دهد.

مرکز فشار و مرکز گرانش
مرکز فشار و مرکز گرانش

ضریب فشار

یکی از اعداد بی‌بعد که به صورت رایج در آیرودینامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد ضریب فشار است. این پارامتر، فشار را در سطح یک جسم آیرودینامیکی بیان می‌کند و مطابق با رابطه زیر محاسبه می‌شود.

ضریب فشار

این پارامتر، فشار نسبی در یک جریان غیر قابل تراکم را بیان می‌کند. در این رابطه، P فشار استاتیک در نقطه‌ای که فشار آن محاسبه شده را نشان می‌دهد و $$P _ { \infty }$$ فشار استاتیک در جریان آزاد را بیان می‌کند. همچنین P0 و $$ \rho _ { \infty }$$ نیز به ترتیب نمایش دهنده فشار کلی در ورودی و چگالی سیال هستند.

کاربرد آیرودینامیک

علم آیرودینامیک، تقریبا در تمامی وسایل حمل و نقل و ساختمان‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد و نقش مهمی در طراحی این سازه‌ها اعمال می‌کند. در این بخش به بررسی کاربردهای مختلف علم آیرودینامیک در صنایع گوناگون پرداخته می‌شود.

هوافضا

همانطور که در بخش تاریخچه بیان شد، مطالعات اولیه درباره علم آیرودینامیک برای پاسخ به رویای پرواز بشریت، شکل گرفت. بعدها در صنعت هوافضا، تحقیقات و توسعه‌های گسترده‌ای برای فهم بهتر علم آیرودینامیک انجام شد. این تحقیقات شامل، گسترش مدل‌های ریاضی، ساخت انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری و طراحی تونل‌های باد هستند.

امروزه این پشرفت‌ها با هدف کاهش نویز و بهبود رفاه بشر در حال انجام هستند. پارامترهای مختلف که در قسمت قبل معرفی شدند کاربرد بسیار زیادی در طراحی یک هواپیما دارند.

آیرودینامیک و هوافضا
کاربرد آیرودینامیک در هوافضا

وسایل نقلیه

صنعت حمل و نقل، یک از صنایعی است که رقابت بسیار زیادی در آن به چشم می‌خورد. کاهش نیروی درگ باعث پیشرفت این صنعت و کاهش مصرف سوخت این وسایل می‌شود. خنک‌کن‌ ترمزها و تهویه مطبوع نیز کاربرد دیگری از آیرودینامیک در این صنایع را نشان می‌دهند.

آیرودینامیک خودرو
کاربرد آیرودینامیک در خودروسازی

علاوه بر موارد ذکر شده، تحلیل نیروی لیفت کاربرد بسیار زیادی در حفظ پایداری این سیستم‌ها دارد. پایداری وسایل نقلیه، یکی از مهم‌ترین مواردی است که در تمام وسایل نقلیه، از جمله آن‌هایی که سرعت بالایی را تجربه می‌کنند، اهمیت دارد.

ورزش

امروزه، بازده ورزش‌های مختلف به صورت پیوسته در حال افزایش است. بنابراین آیرودینامیک دوچرخه‌های مسابقه، شناگران، موتورسواران و یا خودروهای فرمول یک، اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است.

در یک مسابقه حرفه‌ای ممکن است تنها یک میلی ثانیه، برنده مسابقه را تعیین کند. این میلی ثانیه می‌تواند نتیجه کاهش نیروی درگ به میزان 0.1٪ باشد. امروزه، ابزار CFD به کاربران اجازه تحلیل اجسام کوچک تا اجسام بسیار بزرگ را برای کاربردهای متفاوت و وسیعی می‌دهد.

در شکل زیر مشاهده می‌شود که پروفیل سرعت و نیروهای آیرودینامیکی که به یک دوچرخه وارد می‌شود، تاثیر مستقیمی روی میزان نیرویی دارد که دوچرخه سوار برای افزایش سرعت خود صرف می‌کند. در این شرایط نیروهای توربولانس می‌توانند بازده دوچرخه سوار را به شدت کاهش بدهد. بنابراین طراحی رینگ‌ها و صندلی که باعث ایجاد توربولانس بسیاری در جریان می‌شوند، پارامترهای بسیار مهمی در تعیین بازده آیرودینامیکی این دوچرخه هستند.

آیرودینامیک و ورزش
آیرودینامیک و ورزش

جریان‌های داخلی

آیرودینامیک در سیستم‌های تهویه مطبوع که با نام «گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع» (Heating, Ventilation and Air Conditioning) شناخته می‌شوند و جریان «درون لوله‌ها» (Pipe Flow) کاربرد بسیار زیاد دارد. سیستم‌های تهویه مطبوع را به صورت خلاصه شده با نماد HVAC نیز نمایش می‌دهند.

در این مسائل، افت فشار به وجود آمده در نتیجه حضور نیروهای ویسکوز، اهمیت بسیار زیادی دارد و مسائل مختلف در آیرودینامیک به محاسبه این نیروها می‌پردازند. نکته مهم دیگر در این مسائل، جدایش جریان در گوشه‌ها، خمیدگی‌ها و انبساط ناگهانی در مسیر جریان است.

آیرودینامیک و تهویه مطبوع
آیرودینامیک و تهویه مطبوع

شکل بالا نمایی از یک آنالیز CFD، در جریان درون لوله‌ها را به تصویر کشیده است. این لوله‌ها به عنوان ورودی یک موتور برای تزریق هوا و سوخت و یا خروجی آن موتور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ساختمان‌های شهری

ساختمان‌های بلند و آسمان خراش‌ها با توجه به سطح مقطع بسیار بزرگی که دارند، نیروی قابل توجهی ناشی از باد را تحمل می‌کنند. این نیرو مشابه نیروی درگی است که به یک جسم جامد در جریان سیال وارد می‌شود. علاوه بر این، زمانی که جدایش در اطراف یک ساختمان مشاهده می‌شود، شرایط برای عابرین پیاده در خیابان‌های اطراف نیز سخت می‌شود.

امروزه، این تحلیل‌ها با استفاده از ابزارهای توسعه یافته CFD قابل انجام هستند. شکل زیر نمایی از تحلیل جریان اطراف برج ایفل به کمک ابزار CFD را نمایش می‌دهد.

آیرودینامیک و شهرسازی
آیرودینامیک و شهرسازی

توربین‌های باد

یکی از منابع بسیار مهم انرژی تجدید پذیر، انرژی باد است. توربین‌های باد ابزاری هستند که برای بهره‌ گرفتن از این انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند. توربین باد یکی از انواع توربوماشین است که در آن، انرژی از جریان سیال گرفته می‌شود. در این وسیله، عموما، سه پره در مسیر جریان باد قرار می‌گیرند. بنابراین انواع مختلف پارامترهای آیرودینامیکی در آن به چشم می‌خورد.

نیروی درگ و لیفت در توربین باد به ترتیب برای اندازه‌گیری بازده و توان توربین مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این نیروها، مفهوم گشتاور نیز در توربین باد برای محاسبه بارهای وارده به پره‌ها استفاده می‌شود. شکل زیر نمایی از یک توربین باد محور افقی را به تصویر کشیده که جریان اطراف آن توسط نرم‌افزارهای CFD تحلیل شده است.

آیرودینامیک توربین باد
آیرودینامیک توربین باد

نکته نهایی که باید به آن اشاره کرد این است که نوع دیگری از جریان مشابه با آیرودینامیک موجود است که به «هیدرودینامیک» (Hydrodynamics) شهرت دارد. جریان سیال در آیرودینامیک، هوا در نظر گرفته می‌شود و این سیال در هیدرودینامیک یک مایع و معمولا آب است. جریان در هیدرودینامیک معمولا به صورت غیرقابل تراکم دیده می‌شود و سرعت پایینی دارد. در این علم مشابه با آیرودینامیک، نیروهای درگ، لیفت، توربولانس و لایه مرزی، به عنوان مهم‌ترین پارامترها در نظر گرفته می‌شوند.

همانطور که اشاره شد، آیرودینامیک، دانشی است که به مطالعه اجسام متحرک در هوا و یا هوای متحرک، اطراف اجسام می‌پردازد. زمانی که هوا، از روی یک جسم با سرعت مشخصی عبور می‌کند، عوامل مختلفی مانند نیروهای آیرودینامیکی، لایه مرزی و نویز ایجاد می‌شوند. نکته دیگری که بیان شد این است که از جمله پارامترهای مهم در آیرودینامیک می‌توان به درگ، لیفت، گشتاور، مرکز فشار و ضریب فشار اشاره کرد. این پارامترها را می‌توان از طریق اجرای آزمایش‌های تجربی در تونل باد یا انجام محاسبات عددی در علم دینامیک سیالات محاسباتی به دست آورد.

این مطلب به صورت دقیق، ابتدا به بررسی تعریف علم آیرودینامیک و تاریخچه پیدایش آن پرداخته است. در ادامه مفاهیم پرکاربرد و مهم آن مورد بررسی قرار گرفتند و در نهایت کاربردهای مختلف این علم با ذکر چند مثال بیان شدند.

در صورتی که به مباحث ارائه شده، علاقه‌مند هستید و قصد یادگیری در زمینه‌های مطرح شده در مکانیک سیالات را دارید، آموز‌ش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شود:

^^

بر اساس رای 18 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “آیرودینامیک (Aerodynamics) چیست؟ — از صفر تا صد

  1. سلام.واقعا عالی بود(توضیح روان + ساده _ قابل فهم).بینهایت تشکر

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برچسب‌ها