آیرودینامیک
آیرودینامیک
مقدمه
تجربه نشان داده است که در برابر حرکت جسم متحرک در هر شاره (مقصود گاز یا مایع) نیروی مقاومی وجود دارد، این نیرو را شاره بر جسم اعمال میکند، که الزاما اندکی سبب تغییر شتاب حرکت جسم میشود، اگر جسم در مایعی مانند آب حرکت کند، انتظار داریم که نیروی بازدارنده نسبتا بزرگی بر آن وارد شود. اما اگر شاره ، گازی مانند هوا باشد، میتوانیم فرض کنیم که نیروی بسیار کوچکی بر جسم اعمال میشود که عملا در حرکت جسم چندان تأثیری ندارد.
به هر حال نیرویی که معمولا مقاومت هوا نامیده میشود نمیتواند همیشه به آسانی نادیده گرفته شود. مقاومت هوا نشان دهنده نیروی آیرودینامیکی است که توسط هوا بر جسم اعمال میشود. (وقتی جسم در آب حرکت کند، این نیرو هیدرودینامیک نامیده میشود.
عوامل مؤثر
معمولا در عین حال که نیروی حرکتی شاره به سرعت جسم نسبت به شاره وابسته است، به ویژگیهای جسم ، اندازه ، شکل و سطح نیز بستگی دارد. این نیرو البته به ویژگیهای خود شاره نیز بستگی دارد. یکی از این ویژگیها چسبندگی شاره است، که مقاومت درونی جریان در اثر نیروی واکنش مولکولهای شاره میباشد. در سطوح تماس شاره و جسم غوطه ور در آن ، چسبندگی شاره باعث بوجود آمدن نیروی اصطکاک کند کنندهای موازی سطح میگردد. در دمای معمولی (دمای اتاق یا دمای 20 درجه سانتیگراد) اگر شاره بجای هوا ، آب باشد، چسبندگی بیشتر خواهد بود.
آب 40 برابر چسبندهتر از هوا است، که این خود توضیحی است برای اینکه چرا حرکت در استخر پر از آب دشوارتر از راه رفتن در خیابان است. ماهیت و چگونگی سطوح جسم متحرک در داخل شاره نقش مهمی را ایفا میکند. عموما در مقابل سطوح صاف مقاومت چسبندگی کمتری ایجاد میشود. هر جسم غوطه ور در شاره الزاما در برابر جریان شاره نیرویی اعمال میکند که باعث تغیر شتاب شاره در اطراف جسم میگردد. اصطکاک چسبندگی میان شاره و سطوح جسم باعث انتقال انرژی میگردد، این انرژی تلف شده به لایه نازک شاره نزدیک سطوح انتقال مییابد که این لایه ، لایه مرزی نامیده میشود.
هرگاه شاره به آرامی حرکت کند، اتلاف انرژی توسط اصطکاک کمتر خواهد بود و شاره میتواند که در لایه مرزی شتاب بگیرد و سطح همچنان با شاره در تماس باشد، ولی در سرعتهای بالا ، انرژی از دست رفته به اندازه کافی بزرگ میگردد، تا از تماس شاره با حواشی سطوح جلوگیری کند. نتیجه این است که لایههای مرزی از سطح جدا میشوند و ناحیهای معروف به خط شاره پشت جسم تشکیل میشود، که ویژگیهای آن ، فشار پایین و جریان متلاطم و ناپایدار میباشد.
در این شرایط فشار شاره در جلو جسم و سطوح جانبی بیشتر از فشار قسمت عقبی جسم خواهد بود، که نتیجه آن ایجاد یک نیروی کند کننده است. این نوع از مقاومت که ناشی از قدرت حفظ شکل و توانایی شکل گیری شاره است میتواند بوسیله تغییر شکل جسم که در جهت دوکیتر شکل آن انجام میشود، کاهش یابد. این کار با تنظیم میزان انحنای جسم عملی شده و بدین ترتیب طوری عمل میشود که شاره از سطح جدا نشود.
این نیروها با چسبش (چسبندهها و مواد چسبناک) بوجود میآیند و بر روی سطوح جسم غوطهور در شاره توزیع میگردند، اکنون کاری که باید انجام شود، حل و محاسبه این نیروها در دو حالت زیر است. یکی نیروی اصطکاک که مخالف با حرکت جسم مربوطه عمل می کند، (با بردار سرعت موازی نیست) و دیگری نیروی بالابرنده میباشد، که از گوشه راست و در جهت حرکت جسم وارد میشود. با وجود اینکه اسم این نیرو ، نیروی بالابر است. باید بدانیم که این نیرو در خلاف جهت نیروی گرانشی تاثیر نمیکند، بلکه نسبتا به یک نیروی جانبی شبیه است که سرعت جسم را در جهت قائم (رو به بالا) تغییر نمیدهد.
کشش آیرودینامیکی
نیروی کشش وارد شده بر جسم متحرکی که در شارهای حرکت میکند، معمولا بصورت نیروی کند کنندهای ظاهر میشود، کند کردن سرعت جسم به شاره بستگی دارد. بطور کلی کشش بوسیله چسبندگی و شکل نیروی مقاوم بوجود میآید، مقاومت حاصل از چسبندگی برای اجسام نسبتا کوچکی که به آرامی در شاره چسبناکی حرکت میکنند بیشتر قابل توجه است. برای اندازه و سرعت اجسامی که به عنوان پرتابه در ورزشهایی مانند بیسبال ، توپهای تنیس و غیره بکار میروند (حتی خود ورزشکاران) مقاومت ناشی از چسبندگی شاره بسیار کم است و کشش آیرودینامیک را میتوان بصورت معادله نسبتا سادهای ارائه داد.
با توجه به در نظر گرفتن انرژی و اندازه حرکت (mv) میتوان نشان داد که نیروی غوطه ور در آن متناسب است با چگالی شاره و v سرعت جاری شدن آن است، بدین معنی که اگر (D) نیروی کششی باشد: که در آن (A) سطح مؤثر جسم است (قسمتی که بر جریان شاره عمود است). میتوان تناسب مورد نظر را بوسیله معرفی یک ثابت تناسب بدون بعد (دیمانسیون) ، تبدیل به یک معادله کرد، که اآن ثابت تناسب را ضریب کشش میگویند و با cd نشان میدهند.
بنابراین ضریب کششی CD نسبت مقاومتهای چسبندگی و شکل نیروی مقاوم را به حساب میآورد و بستگی به مشخصات جسم دارد (اندازه ، شکل ، سفتی و زبری سطح آن) و به همان اندازه هم به مشخصات جاری شدن شاره بستگی دارد. عموما هر چه شکل جسم دوکیتر باشد، ضریب کششی آن کمتر خواهد بود. در طراحی اجسامی که باید در یک شاره با سرعت زیاد حرکت کنند این نکتهای بسیار مهم است.
اندازه گیری CD
به عنوان یک قاعده (CD) باید بوسیله اندازه گیری مستقیم تعیین شده باشد. روش معمول ، قرار دادن جسم در دالان باد است. همانطور که گفته شد، نیروی کشش به سرعت جسم و شاره بستگی دارد. برای مثال CD را برای توپ بیسبال که در هوا با سرعت 90mi/h حرکت میکند، میتوان بوسیله ثابت قرار دادن توپ بیسبال در باد به سرعت 90mi/h باشد اندازه گیری کرد.
سقوط و صعود اجسام
از آنجا که سقوط جسم در هوا صورت میگیرد، سرعت و اصطکاک هر دو افزایش مییابند، تا نیروی اصطکاک مساوی از نیروی وزن جسم شود، در این حالت ، جسم به سرعت حد رسیده است. پرتابهای که در حرکت سقوطی استفاده میشود و به سرعت حد میرسد، اسکایدیوینگ نامیده میشود. شخصی که از داخل هواپیما پایین میپرد با شتاب کاهندهای سرعت حرکت او یه 320km/h میرسد. سرسره بازان روی برف هنگام حرکت با تغییر شکل و جهت بدنشان قادر به افزایش یا کاهش میزان اصطکاک آیرودینامیک هستند. انتخاب سرعت حد با تغییر اصطکاک و سطح مؤثر جسم صورت میگیرد.
هنگامی که اسکی باز دستها و پاهای خود را باز میکند بیشتر کشش را احساس میکند و کمترین سرعت حد را دارد. هنگامیکه جسم در هوا سقوط میکند، به سرعت حد خود نزدیک میشود و حرکتش بطور عمدهای از حالت سقوط آزاد انحراف پیدا میکند. بطور مشابهی ، حرکت پرتابهای که سرعت پرتاب آن نزدیک به سرعت حد باشد به مقدار زیادی از مسیر متقارن سهمی شکل منحرف میشود.
هنگامی که جسم با شیوهای نسبت به زمین بسوی بالا پرتاب شود، کشش آیرودینامیکی مؤلفههای عمودی و افقی ، حرکتش را کند میکند. در نتیجه ارتفاع اوج مسیر پرتابه مانند برد افقی آن کوتاه خواهد شد. هنگام صعود پرتابه ، کاهش سرعت آن در هوا بیشتر از خلأ میباشد. هنگام سقوط (در هوا) جسم کندتر شتاب میگیرد، نتیجه اینکه زمان لازم برای رسیدن پرتابه به نقطه اوج کمتر از زمان سقوط آن میباشد و سرعت برگشت پرتابه به زمین کمتر از سرعتی است که به هوا پرتاب شده است. بنابراین مؤلفههای افقی سرعت آن ، پیوسته کاهش مییابد و پرتابه در مدت بالا رفتن نسبت به حالت سقوط مسافت افقی بیشتری را میپیماید، در نتیجه سقوط پرتابه دشوارتر و آهستهتر از حالت بالا رفتن آن صورت میگیرد.
توپ بیسبال دارای سرعت حدی در حدود 153km/h است، در بازی بر حسب چگونگی پرتاب و ضربه زدن به آن سرعت توپ برابر و یا حتی بزرگتر از این سرعت میشود، (توجه کنید که سرعت حد بیشترین سرعتی که یک پرتابه در هوا میتواند داشته باشد نیست، اما بهر حال سرعت پرتابه وقتی که از حال سکون رها میشود، به سرعت حد می رسد). بدیهی است که مسیر پرتاب توپ بیسبال در اثر آیرودینامیکی ، تغییر میکند. برد توپ نمونه پرتاب شده در هوا برابر 60% برد آن در خلأ است.
مقیاسهای بزرگتر
در مقیاس بزرگتر و برای شکل متقارن ، توپ راگبی برای مقابله با کشش آیرودینامیکی ویژگیهای خاصی دارد. زمانی که توپ با نوکش حرکت میکند، نسبت به هنگامی که از پهلو در حرکت است دارای سطح مقطع کمتر و شکل مؤثر بهتری است. بنابراین در حرکت از پهلو کشش ده برابر بزرگتر است، این واقعیت تعیین کننده بهترین روش برای پرتاب توپ است. یعنی اگر مارپیچی پرتاب بشود یا طوری پرتاب شود که نوکش حول محور توپ بچرخد، چرخش باعث ایجاد اندازه حرکت زاویهای با جهت ثابت در حرکت توپ میشود.
پرتاب توپ راگبی با زوایهای کوچک نسبت به محور افقی باعث میشود که کاهش قابل ملاحظهای در برد پرتابه ایجاد شود، این تأثیر خصوصا زمانی قابل توجه است که توپ با چرخش کم یا بدون چرخش پرتاب میشود. برای همین است که توپ با نوکش بالا میرود و از پهلو سقوط میکند. افزایش ناگهانی در کشش آیرودینامیکی ، سبب میشود که هنگام عبور توپ از نقطه اوج با تندی بیشتری سقوط کند و برد ضربه توپ کوتاهتر شود. توپ زنهای ورزیده سعی دارند که به توپ به طور "برگرد" ضربه بزنند (تغییر جهت نوک آن به طرف پایین نتیجه یک شوک پیچش است) این امر سبب پیمودن مسافت بیشتری میشود.
آیرودینامیک یا هواپویش، شاخهای از دینامیک گازها و در حالت کلیتر دینامیک سیّالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک میپردازد. منظور از حل یک مسألهٔ آیرودینامیکی، محاسبهٔ میدان سرعت، فشار، و دمای هوا در اطراف یک جسم است. برای این منظور باید معادلههای حاکم بر جریان سیّال را حل کرد. سپس به کمک حل به دست آمده میتوان نیروها و گشتاورهای وارد بر جسم را حساب کرد.
مسألههای آیرودینامیکی را میتوان از جنبههای مختلف طبقهبندی کرد. یک طبقهبندی معمول بر اساس الگوی جریان هواست. اگر مسألهٔ آیرودینامیکی مربوط به جریان هوا در اطراف یک جسم باشد به آن آیرودینامیک بیرونی و اگر مربوط به جریان هوا داخل یک محیط بسته باشد به آن آیرودینامیک درونی گفته میشود. مثال آیرودینامیک بیرونی، جریان هوا در اطراف یک هواپیما و مثال آیرودینامیک درونی، جریان هوا داخل یک موتور جت یا تونل باد است.
روش دوم طبقهبندی بر اساس چگالی هواست. اگر چگالی جریان هوا در همهٔ نقاط میدان سیّال ثابت باشد و با زمان تغییر نکند، جریان تراکمناپذیر و در غیر این صورت تراکمپذیر است.
روش سوم طبقهبندی مسألههای آیرودینامیکی بر اساس عدد ماخ جریان هوا است. اگر عدد ماخ کوچکتر از یک باشد جریان فروصوتی، اگر نزدیک یک باشد جریان هَماصوتی، اگر بزرگتر از یک و کوچکتر از پنج باشد جریان زبرصوتی، و اگر بزرگتر از پنج باشد جریان فوقصوتی خوانده میشود.
روش چهارم طبقهبندی بر اساس گرانروی هواست. اگر ضریب گرانروی ناچیز فرض شود جریان غیرلزج و در غیر این صورت لزج خوانده میشود.
کاربردهای آیرودینامیک
مهمترین کاربرد آیرودینامیک در مهندسی هوافضا است. البته آیرودینامیک کاربردهای زیاد دیگری هم دارد. در مهندسی خودرو، از آیرودینامیک برای طراحی بدنهٔ خودرو استفاده میشود تا نیروی پسای خودرو کم شود. مهندسان سازه از آیرودینامیک برای تحلیل اثر هواکشسانی جریان باد بر سازههایی مثل آسمانخراشها یا پلها استفاده میکنند.
فرض پیوستگی
هوا مانند هر مادهٔ دیگری از مولکولهای کوچک تشکیل شده است که در حال حرکت و برخورد با هم هستند. ولی چون فاصلهٔ این مولکولها در عمل خیلی کوچک است، در آیرودینامیک میتوان هوا را یک محیط پیوسته فرض کرد. با رقیق شدن هوا و افزایش فاصلهٔ بین مولکولها، دقت فرض پیوستگی کم میشود.
تاريخچه
برادران رايت توانستند با استفاده از نبوغ و خلاقيت خود در دهم دسامبر 1903 كه
آرزوي ديرينه بشر را كه پرواز بود تحقيق بخشند و از زماني كه اسحاق نيوتن فيزيكدان
انگليسي ، نيروي جاذبه را كشف كرد، فكر پرواز و غلبه بر نيروي جاذبه در انسان شدت
بيشتري يافت. برادران رايت كه يك مغازه تعميرات دوچرخه داشتند، هميشه در فكر پرواز
بودند.
آنها بر اساس اطلاعات و مطالعات كه در مورد پرواز داشتند به ساخت بالها و طراحي
هواپيما پرداختند. سپس يك تونل باد كوچك ساخته و اجزاي آيروديناميكي هواپيماي خود
را كه از طراحي كاملا نوين و پيشرفته برخوردار بود، آزمايش كردند. و اولين پرواز
قابل كنترل هواپيما را انجام دادند. زماني كه هواپيما به پرواز در ميآيد تحت تاثير
نيروهاي آيروديناميكي قرار ميگيرد.
نيروي آيروديناميكي
نيروي آيروديناميك در اثر وزش باد بر روي يك جسم توليد ميشود. اين جسم ميتواند تير چراغ برق ، يك آسمان خراش ، پل ، هواپيما و يا كابل برق فشار قوي باشد. اما بازتاب نيروي آيروديناميكي كه ايجاد ميشود، بستگي به شكل اين جسم خاص كه در معرض وزش باد قرار گرفته است. اگر هم پهن و داراي زاويه تند باشد در برابر باد مقاومت ميكند و در جهت وزش باد خم ميشود. اما اگر داراي زواياي خميده و يا نيمدايره باشد، مقاومت كمتري نسبت به ساير اجسام خواهند داشت.
نیروهایی که توصیف شدند به نیروهای دینامیکی معروفند، زیرا از حرکت ناشی شدهاند، این نیرو بیشتر زمانی بوجود میآید که جسم در شاره متحرک ، ساکن و در شاره ساکن ، متحرک باشد، ولی بطور کلی از حرکت نسبی و شاره بوجود میآیند. بررسی حرکت شارهها در طیف وسیعی مانند جریان خون در رگها ، طراحی قایقها ، هواپیماها و ماشینها ، ارزش عملی سودمند و قابل توجهی دارد. هر چند ممکن است عجیب به نظر آید، اما آموختن اینگونه موارد توسط ورزشکاران در ورزشهای گوناگون برای پیشرفت کارشان استفاده میشود.
نیروهای آیردوینامیک در حرکتهای گوناگون پرتابی در ورزش بسیار مؤثرند. این نیروها توانایی پرتاب توپ بیسبال را در مسیری کمان دار به بازیکن بسیبال میدهد و سبب ضربههای کامل و یا ناقص گلف باز خواهد بود. نیروهای آیرودینامیک تعیین کننده روش مناسبی جهت پرتاب یک توپ فوتبال یا یک دوربین میباشد و همچنین نشان دهنده نیروی مقاوم موجود در برابر حرکت اسکی باز در سرازیری و یا حرکت دوچرخه سوار میباشند.
نيروهاي آيروديناميكي شامل چهار نيرو ميشود، كه اين نيروها عبارتند از :
نيروي برا
نيروي برا ، نيرويي است كه باعث بالا رفتن هواپيما يا هليكوپتر و اجسام برنده ايجاد ميشود. براي اينكه اين نيرو ايجاد شود بايد جسم مورد نظر شكل خاصي داشته باشد، مطلوبترين شكل ميتواند به صورت يك قطره آب و يا يك جسم كه يك طرفش نيمدايره و طرف مقابل آن زاويه تند داشته باشد. اگر اين جسم به گوشهاي در جريان هوا قرار گيرد كه باد از سمت جسم كه حالت نيمدايره دارد بوزد و از طرف مقابل كه زاويه تندي دارد جسم را ترك كند، نيروي برا ايجاد خواهد شد. وقتي كه مولكولهاي هوا با لبه جلوي بال برخورد ميكند، تعدادي به سمت بالا و تعدادي به سمت پايين بال متمايل ميشوند. هر دو گروه مولكولها ميبايستي در انتهاي بال همزمان به يكديگر برسند. چون بالاي بال هواپيما انحناي بيشتري دارد و مسافت آن نسبت به زير بال بيشتر است. در نتيجه مولكولهايي كه از سطح بالايي عبور ميكنند. ميبايستي با سرعت بيشتري حركت كنند تا با مولكولهاي سطح پايين همزمان به انتهاي بال هواپيما برسند. اين عمل باعث كاهش فشار هوا در سطح بالا نسبت به سطح پايين بال خواهد شد.
اشاره به اصل برنولي وقتي كه سرعت هوا در سطح بالاي بال بيشتر از سطح پاييني آن باشد، فشار در سطح بالايي كم ميشود. حال كه فشار هوا در قسمت بالاي بال كاهش مييابد و يك خلا نسبي ايجاد ميشود كه جسم را به طرف خود ميكشد. اين خلا نسبي همان نيروي برا ميباشد كه باعث بالا رفتن هواپيما ميشود. هر چقدر سرعت هواپيما بيشتر باشد مقدار خلا نسبي نيز بيشتر ميشود.
نيروي وزن
زماني كه ما روي زمين قرار گرفتهايم وزن ما بطور عمود بر مركز زمين وارد ميشود.
وزن ما باعث قرار گرفتن روي زمين و نيز جاذبهاي كه برما وارد ميشود با وزن ما
برابر خواهد بود. طبق قانون نيوتن ، نيروي جاذبهاي كه بر جسم ما وارد ميشود برابر
با يك خواهد بود.
براي اينكه هواپيما به پرواز درآيند بايد بر نيروي جاذبه غلبه كند. وزن هميشه در
جهت مخالف نيروي برا است.
نيروي رانش
وقتي جسمي از زمين بلند شده و در فضا قرار ميگيرد، بايد نيروي رانش كافي داشته
باشد. به عبارت ديگر نيروي رانش باعث ميشود تا هواپيما به طرف جلو حركت كرده و
جريان لازم را ايجاد كند. جريان ايجاد شده توليد نيروي برا اين كار را خواهد كرد.
در هواپيما نيروي رانش بوسيله موتور فراهم ميشود.
نيروي پسا
- طبق قانون نيوتن هر عملي يك عكسالعمل در جهت مخالف خواهد داشت به دليل اينكه
نيروي رانش باعث جلو رفتن هواپيما ميشود. افزايش اين نيرو باعث افزايش نيروي پسا
خواهد شد. وجود نيروي پسا يك امر اجتناب ناپذير است ولي كارشناسان ، طراحان و
سازندگان هواپيما سعي ميكنند در حين پرواز از مقدار نيروي پسا كاسته شود.
- شكل هواپيما ، هر قدر بالها نازكتر يا محل اتصال اجزا خارجي با بدنه زاويههايي
تند نداشته باشد، بخشي از نيروي پسا كاهش مييابد. بستگي به شكل خاص اجزايي كه در
توليد نيروي برا نقش دارند. مانند بالها ، و بخشي از بدنه . براي اينكه هواپيما
بتواند سرعتهاي كم به اندازه كافي نيروي برا و در سرعتهاي زياد از توليد نيروي
پسا كاسته شود بالهاي آن را به گونهاي مناسب طراحي ميكنند.
پس متوجه ميشويم كه با افزايش نيروي رانش بر سرعت هواپيما افزوده ميشود. با
افزوده شدن سرعت هواپيما ، جريان هوا نيز افزايش يافته و نيروي برا افزايش مييابد
تا بر وزن هواپيما غلبه كند. با افزايش نيروي برا و رانش بر ميدان نيروي پسا نيز
افزوده خواهد شد. اما زماني كه هواپيما در مسير پرواز قرار ميگيرد كليه نيروها به
حالت تعادل در آمده و هواپيما با سرعت ثابتي به پرواز خود ادامه ميدهد.
آیرودینامیک اتومبیل
از مشخصات سيال و حركت آن ميتوان فشار، تنش برشي، دانستيه، درجه حرارت، سرعت و شتاب را برشمرد بررسي نظريحركت سيال به معني محاسبه اين مشخصات با توجه به شرايط اوليه و مرزي هر مسئله است كه از حل معادلات اساسي جريان وروابط بين مشخصات ترموديناميكي و مكانيكي سيال بدست ميآيد. به خاطر صرفه جويي در هزينهها و امكان پذيري آزمايشحتي المقدور سعي ميشود بر روي نمونه با اندازه كوچكتر آزمايش صورت داد كه در اين صورت بايد شرايط مكانيكي مشابه ايجادكرد كه شرط لازم و كافي براي وجود تشابه، تشابه هندسي بين مدل و اصل و برابري اعداد بي بعد جريان است. عدد بيبعد هم دراكثر موارد عدد رينولدز Re است كه در صورت نبودن اثر تراكم پذيري و ثقلي (كه در مورد خودرو چنين است) ميتوان نيروها وكميات بي بعد مربوط به اثرهاي گفته شده بالا را تابعي از آن دانست.
نيروها و كشتاورهاي منتقل شده به بدنه يا در آزمايش مستقيم بدست ميآيد و يا از انتگرالگيري تنش برشي و فشارهاي محاسبهشده بر روي بدنه حاصل ميشود. ويژگي جريانهاي با عدد رينولدز زياد آن است كه تغيير سرعت شديد و در نتيجه تنش برشي، تنهادر ناحيهاي بسيار نزديك به بدنه پيش ميآيد و به جز در اين ناحيه و ناحيههايي در پشت جسم كه جريان اين لايه پخش ميشود،ميتوان جريان را بدون را بدون اصطكاك در نظر گرفت لايه نزديك به ديواره موسوم به لايه مرزي بوده كه در ابتدا جسم هميشه آرامو بسته به شرايط، در جايي روي جسم ميتواند توربولانت شود. اين لايه نازك نقش عمدهاي بر نيروهاي ايروديناميكي داشته وبويژه هنگاميكه از روي جسم جدا ميشود (جدايي لايه مرزي) تأثير عمدهاي بر كل ميدان جريان و آثار آن ميگذارد.
در بررسي نظري جريان، ابتدا وجود لايه مرزي ناديده گرفته ميشود و جريان را بطور غير چسبنده (بي اصطكاك) مطالعه ميكنند وسرعت فشار وارد بر بدنه را بدست ميآورند. سرعت و فشار بدست آمده را سرعت و فشاربر روي لايه مرزي روي جسم ميگيرند.اين سرعت و فشار نقش اساسي بر شكلگيري و ماندگاري لايه مرزي روي بدنه دارد.
از پديدههاي مهم جريان خارجي جدايي لايه مرزي است، و آن در قسمت هايي پيش ميآيد كه تغيير فشار بر روي بدنه مثبت و از حدي بيشتر باشد.
جريان روي استوانه، نمونهاي است كه ميتوان اين پديده و آثار آن را نشان داد. در حالت (b) عدد رنيولدز 105 *Re=1.9 كه لايه مرزي آرام بوده و از روي بدنهجدا شده است و در حالت (C) عدد رينولدز 105*Re=6.7 لايه مرزي ابتدا توربولانت شده و سپس جدا شده است. ديده ميشودكه اولاً با جدا شدن لايه شكل جديد و واقعي جريان بدست ميآيد. ثانياً شكل جريان و محل جدايي بستگي به توربولانت شدنلايه مرزي و يا عدد Re دارد.
براي اين منظور بدنه خودرو به گونهاي طراحي ميشود كه محل جدايي لايه در محلي، براي مثال بالاي شيشه عقب ثابت بماند.شيب سقف تا محل شيشه عقب را بايد بنحوي ساخت كه ضمن بازيافت بيشتر فشار، جريان نيز بر روي بدنه بماند و از روي شيشه عقب جدا شود.
روشهاي اندازهگيري ممانها نيروهاي آيروديناميكي (روشهاي اندازهگيري و محاسبه نيروهاي وارد برخودرو)
مقدار دقيق ممانها و نيروهاي آيروديناميكي وارده بر بدنة خودرو معمولاً در تونل توسط بالانس آيروديناميكي بدست ميآيد. يكسيستم داراي محورهاي مستطيلي است كه بعنوان سيستم مختصات استفاده ميشودكه مركز آن در مركز نقاط برخورد (تماس)چرخهااست و بستگي به خودرو و سيستم مختصاتي بكار گرفته شده در ديناميك خودرو دارد (مانند خصوصيات فني ديناميكخودرو) به همين علت انتقال دادهها از يك تونل باد با همان نشانهها و خواص براي مطالعه اثرات نيروها و ممانهاي آيروديناميكيروي خواص حركتي امكانپذير است. اما اين سيستم مختصاتي با سيستم مورد استفاده در علوم هوا- فضا متفاوت است زيرامحورهاي x و z داراي جهات متفاوتي هستند.
اما اينكه بالانس تونل باد چگونه است به بررسي آن ميپردازيم.
بالانس تونل باد
مهارت بالانس تونل باد عبارتست از اندازهگيري ممانها و نيروهاي آيروديناميكي عمل كننده روي خودرو و تجزيه آن به سه مؤلفهسيستم مختصاتي (بالانس شش مؤلفهاي). توسط جريان متقارن (زاويه برخورد 0=b )نيروها فقط در جهات x و z و ممان در جهت yبوجود ميآيند، مقياس سه مؤلفهاي براي تحليل سادهتر خواهد بود. براي اندازهگيري دقيق ممانها و نيروها، بالانس تونل باد بايدداراي خصوصيات زير باشد.
1- ساختار بالانس نبايد اجازة عبور جريان در اطراف خودرو را بدهد. اگر از يك وسيله كمكي استفاده شود (مانند اتصال خودروبه يك پايه) تأثيرآن روي نتايج بايد قبلاً تعيين شود تا بتوان مقادير را تصحيح كرد.
2- وضعيت خودرو در حين اندازهگيري نبايد تغييري داشته باشد.
3- از آنجا كه نيروهاي بالابر آيروديناميكي كه بايد محاسبه شوند تنها جزيي از وزن خودرو هستند براي دقت بيشتر بايد نيروهايدر جهت محورz توسط وزنههاي مجازي جبران شوند.
4- اگر اندازهگيريها تحت زاويه برخورد صورت ميگيرند، بالانس بايستي حول محور z قابليت چرخشي داشته باشد.
5- انتقال نيرو بين جسم تحت آزمايش و تجهيزات تنظيم نيرو بايد بدون اصطكاك و هيسترزيس باشد. به اين علت استفاده ازاجزاء دقيق مانند تركيبات نوك تيز و شيار دار، لولههاي الاستيك يا ياتاقانهاي نيوماتيكي و هيدروستاتيكي و...ضروري است.
در حال حاضر بالانسهاي اتوماتيك داراي بيشترين استفاده هستند. براي مدت زمان طولاني از بالانسهاي ميلهاي (beam-scade)استفاده ميشد كه اجزاء آنها عبارتند از ميلههاي بالانس با قابليت تنظيم از طريق برق.
وقتي ميله به سمت پائين حركت ميكند، يك موتور بصورت اتوماتيك وزن موثر را در جهت خلاف آن تغيير ميدهد تاميله دوبارهبالانس شود. روش دقيقتر و سريعتر اندازهگيري نيروها عبارتست از سلولهاي الكتريكي (electricload cell) داراي دقت بالا.
اين روشها هم اكنون در بالانس تونلهاي بادي پيشرفته استفاده ميشوند زيرا داراي ظرفيت بالا و مصرف كم انرژي هستند.
از کوششهای اولیه روی پرواز در زمانهای قدیم که بیشتر بر باورهای افسانه ای پا گرفته اند تا دانش هر چند نا استوار آیرودینامیک بدون توقف می گذریم .
در واقع اولین تعریفهای مفید برای آگاهی از قوانین حاکم بر حرکت جسم در شاره در سده ی شانزدهم به هنگام پایه گذاری مکانیک بیان شد.
گالیله اولین کسی است که در جریان مطالعه ی حرکت آونگ به مقاومت هوا پی برد. او متوجه شد که حرکت آونگ بتدریج کند میشود و کوشید رابطه ی بین سرعت ومقاومت هوا راتعین کند. آزمایش گالیله عبارت بود از دو آونگ همانند که از دو کره ی با وزن یکسان آویزان از نخهای با طول برابر تشکیل میشدند.یکی را به اندازه ی 10 درجه و دیگری را به اندازه ی 160 درجه از وضع قائم منحرف و سپس رها کرد.بعد از مدت معینی تعداد نوسانهایی که آونگها انجام داده بودند با هم برابر بود.
گالیله با توجه به نسبت سرعتها 1 و 16 فکر کرد مقاومت هوا با سرعت متناسب است .
اما تنها نیوتن بود که قانون تناسب مقاومت هوا با مجذور سرعت مجذور ابعاد خطی جسم و چگالی هوا را بیان کرد.
به علاوه این دانشمند انگلیسی اساس کار اتاق دمش را ریخت که سه قرن بعد تحقق یافت.
بعدها برای سرعتهای بالاتر نادرستی متناسب بودن مقاومت هوا با مجذور سرعت به اثبات رسید.در واقع آزمایشهای حرکتهای پرتابی نشان داد که مقاومت هوا در مقابل پیشروی پرتابه ها خیلی بیش از مجذور سرعت افزایش می یابد .
از همان هنگام کوششهای مربوط به پیشبرد هیدرودینامیک و مکانیک نظری سیالات در جریان نیمه دوم قرن هجدهم و تمام قرن نوزدهم به پیشرفت های بزرگی نایل آمد.
نتایج کارهای دانشمندان نامور زمان عبارت بودند از :
برنولی که قضیه مهمی را بیان داشت که بر جریان شاره های غیر قابل تراکم حاکم است و بعدا به قضیه ی برنولی معروف شد.
اویلر که به مطالعه ی هیدرودینامیک علاقه مند شد و بدین طریق توانست چندین قانون بنیادی مکانیک سیالات را اثبات کند و همچنین اوست که نظریه ی مقاومت سیال را روی جسم در حال حرکت بر اساس فشار بیان داشت.
لاپلاس فرمول درست سرعت انتشار صوت در هوا را پیدا و ثابت کرد که سرعت صوت در هوا با جذر دمای مطلق هوا متناسب است.
در جریان قرن نوزدهم برای اولین بار پرتابه ها وارد توپخانه ها شدند وبدین سان مطالعه روی پدیده های فراصوتی آغاز شد.آزمونهای تیراندازی بویژه در فرانسه تا سرعتهای حدود 1500 متربر ثانیه انجام میگرفت.در جریان همین آزمایشها بود که ماخ _فیزیکدان اتریشی_در جسمی که با سرعت فرا صوت حرکت میکرد موجهای شوک را کشف کرد.روش استریوسکوپی مشاهده جریانهای فراصوتی که ماخ آن را ابداع هنوز هم مورد استفاده است .
حدود قرن اخیر اندیشه ی ساخت هواپیماهای دقیقتر مطرح شد و ماکتهای اولیه ی هواپیما بیشتر مدیون مطالعه روی پرواز پرندگان است.
جورج کیلی پروفیلی طراحی کرد که شاید اولین پروفیل بال از روی آن ساخته شده باشد و شکل آن بر اساس برش عرضی ماهی قزل آلا طراحی شده بود.
به موازات این کوششهای نظری نخستین دستگاه های آزمایشهای آیرودینامیکی ساخته و بکار گرفته شد .در سال 1871 ونهام ودر سال 1891 فیلیپ در انگلیس اتاقهای دمش را ساختند.بعدا ژوکوفسکی در روسیه و راتو و ایفل در فرانسه به همین کار پرداختند.ایفل بحق یکی از پیشگامان این راه شد .او روشهای فنی آزمایشی را بنا نهاده است که امروزه نیز از آنها استفاده می شود.ایفل برای اندازه گیری مقاومت هوا روی صفحات تخت در سال 1910 برج معروف ایفل را ساخت.
از این زمان است که بسط نظری آیرودینامیک با ساخت هواپیما دوش به دوش هم پیش میرود.پیشرفت در اولی موجب تکمیل و تصحیح در دومی میشود.
در سال 1920 پرانتل آلمانی نظریه ی پورتانس را بیان کرد و به شرح رفتار جریان هوا پرداخت.
در طول جنگ 1939- 1940 نشانه های اولیه ی ورود به ناحیه ی سرعتهای دور و بر سرعت صوت با هواپیماهای ملخی خیلی سریع مانند اسپیت فایر(سیخ آتش) در جریان خیزهای قائم به ظهور پیوست.ظهور هواپیماهای مجهز به موتورهای واکنشی (جت) این پدیده را خیلی روشن تر کردند و از سال 1945 برنامه های وسیع پژوهشی روی جریانهای سریع نزدیک به سرعت صوت در اتاقهای دمش ریخته شد.نتایج بدست آمده اجازه دادند که شکل و رفتار آیرودینامیکی هواپیماها را در اطراف سرعت صوت تکمیل و تصحیح کنند و به سرعتهای فرا صوتی بزرگ دست یابند.
در طرحهای نظامی سرعت عادی هواپیماها به 3 ماخ میرسد و مطالعه ی آیرودینامیکی هواپیماهای حمل ونقل بازرگانی با همین کیفیت در جریان تکامل است.
تکامل موتورهای ویژه ای که سرعت برخی از آنها به چند هزار کیلومتر در ساعت میرسد به مطالعات پیشرفته تری نیازمند است مسایل جدیدی را مطرح ساخته اند که وجود اتاقهای دمش با تجهیزات کاملتر و شرایط جدید پرواز را ضروریتر میسازند
كاتاليستي اگزوز خودرو
مبدل كاتاليستي اگزوز خودرو كه بين موتور و انباري اگزوز خودرو نصب ميشود گازهاي آلاينده خروجي از اگزوز خودرو را به تركيبات ناآلاينده و بيضرر تبديل كرده و كاهش بسيار زياد آلايندههاي حاصل از احتراق سوخت را سبب ميشود. گازهاي خروجي از اگزوز به روش جذب سطحي، با گذر از روي كاتاليست كه مواد جامد ساكن هستند که در بيشتر واكنشها در مبدل كاتاليستي خودرو، اكسيدهاي نيتروژن به نيتروژن كه گازي بياثر است و همچنين هيدروكربنهاي نسوخته و منواكسيدكربن به آب و دياكسيد كربن مبدل میشوند.
جنس کاتالیست ها بسته به نوع کاربریشون فرق میکنه که مخلوطی از فلزات شامل:پالاديوم و پلاتین و سرامیک و یا فولاد ضد زنگ میباشد.
کاتالیست پس از رسيدن به دماي کاری خودش باعث شكسته شدن تركيبات گازهاي خروجي شده و گازهاي سمي و آلوده كننده رو کاهش و به سایر مواد تبدیل میکنه.
کاتالیست به دلیل اینکه نوعی مانع در مسیر خروجی اگزوز محسوب میشه باعث افت توان موتور میشه. و به مرور زمان با کارکرد و فرسوده شدن کاتالیست این امر بیشتر به چشم میاید.
اگر ازبنزين سرب دار در خودرو های دارای کاتالیست استفاده شود تخریب قطعه سریع تر میباشد و باید در مدت کوتاه تری تعویض شود.
در مورده اینکه تا چه اندازه باعث کاهش توان موتور میشه باید گفت که مهندسی موتور و مجموعه منیفولد های خروجی دود بستگی داره اما در خودرو های ایرانی بین 5 تا 7 اسب بخار کاهش توان داریم.
كاتاليست يا همان مبدل كاتاليزوري داراي مواد كاتاليزوري است كه به انجام واكنش شيميائي كمك مي كند بدون آنكه جزئي از واكنش باشد.
اين مبدل از دو قسمت اكساينده و احيا كننده تشكيل شده كه قسمت احيا كننده جلوتر از قسمت اكساينده قرار دارد به دليل اينكه در اين قسمت NOx تبديل به N2 و O2 مي شود و پس از آن O2 در قسمت اكساينده، كمك به تبديل HC و CO به H2O و CO2 مي نمايد.
در قسمت اكساينده از فلزات پلاتين و پالاديم بعنوان اكساينده استفاده مي شود.
در برخي سيستمهاي جديد حدفاصل قسمت اول و دوم يك مسير فرعي ورود هواي محيط به داخل محفظه قرار داده اند تا كمبود اكسيژن جهت تبديل كامل HC و CO ، جبران شود.
اصطلاحاً به اين نوع كاتاليست ها سه طرفه مي گويند.
درخصوص كاهش توان موتورهايي كه مجهز به اين سيستم هستند بايد بگويم كه اين كاهش به دليل افزايش فشار در قسمت منيفولد دود مي باشد كه باعث كاهش راندمان حرارتي موتور در مرحله تخليه شده و در نتيجه كاهش توان توليدي خودرو...
درخصوص خودروهاي داخلي خيلي بايد دقت گردد تا از سوخت مناسب و مكملهاي مجاز استفاده نمود تا عمر اين قطعه افزايش يابد. معمولاً به دليل عدم تنظيم به موقع خودروهاي داخلي توسط كاربران كه باعث افت كيفيت موتور شده، اين موضوع موجب افزايش دوده در محصولات احتراق و درنتيجه ازكار افتادن كاتاليست مي شود. اين امر باعث كاهش توان موتور به ميزان چشمگيري مي شود كه اصلاً مطلوب نمي باشد.
به هر حال استفاده از اين قطعه در شرايط مطلوب بسيار حائز اهميت مي باشد.
درخصوص كاهش توان موتورهايي كه مجهز به اين سيستم هستند بايد بگويم كه اين كاهش به دليل افزايش فشار در قسمت منيفولد دود مي باشد كه باعث كاهش راندمان حرارتي موتور در مرحله تخليه شده و در نتيجه كاهش توان توليدي خودرو...
از این 3 - 4 اسب افزایش قدرت با حذف کاتالیزور هم فاکتور بگیرین و به جای این کارا از روشهای بهتر..موثرتر و باراندمان تر افزایش قدرت موتور استفاده کنین!
حذف کاتالیست اصولا در موتورهای انژکتوری تاثیر چندانی ندارد و هزار البته برداشتن آن جز آلودگی، صدای جلف !(مانند پاره شدن اگزوز یا نشتی در سیستم تخلیه دود) و بوی نامطبوع و زننده و آزار دهنده اول برای خود سرنشینان خودرو و دیگران ندارد
شما به راحتی میتوانید یک خودرو فاقد مبدل کاتالیست مانند پیکان مدل قدیمی را در هنگام کارکرد با موتور یک 206 که در نماد خود از پاکترین خودرو های داخلی محسوب میشود و آنرا در حالتی که مبدل آن برداشته شده مقایسه کنید
تا پی به آلایندگی ، و بوی ناخوشایند و آزار دهنده آن نسبت به پیکان پی ببرید!
اصولا در خودروهای انژکتوری برداشتن این قطعه بیش از آنکه لذت توان نامحسوس را افزایش دهند موارد ضعف آلایندگی را بیشتر به ذوق میزنند
کاهش آلايندههاي خودروهاي بنزيني با کمک نانوکاتاليستها
پژوهشگران دانشگاه تهران، با ساخت نسل جديدي از نانوکاتاليستهاي سه منظوره، گام مهمي در کاهش آلايندههاي خروجي از اگزوز خودروهاي بنزيني، برداشتند.
مهندس سينا سرتيپي، فارغالتحصيل كارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي دانشگاه تهران، آلايندههاي خروجي از اگزوز خودروهاي بنزيني را يکي از منابع اصلي آلودگي هوا در شهرهاي بزرگ بيان کرد و افزود: ”از دهه 1970 ميلادي، مبدلهاي کاتاليستي سه منظوره، براي تصفيه آلايندههاي گاز اگزوز خودروها به کار گرفته شدند. کاتاليستهاي متداول مورد استفاده در اگزوز خودروها، شامل فلزات گرانبهايي همچون پلاتين و پالاديم هستند و براي از بين بردن آلايندههايي چون CO، هيدروکربنهاي نسوخته و ترکيبهاي مختلف NO استفاده ميشوند“.
به گزارش بخش خبري سايت ستاد ويژه توسعه فناوري نانو، کاتاليستهاي سه منظوره، کاتاليستهايي هستند که فعاليت بالاي خود را در شرايط کاري دماي بالا و نوسانات كاهشي-اكسايشي، حفظ ميكنند. اين نوسانات، در گاز خروجي اگزوز خودروهاي بنزيني زياد است و بههم پيوستن ذرات فلزات گرانبها در دماي بالا، که به عنوان پديده ”همجوشي“ شناخته ميشود، باعث افت فعاليت اين کاتاليستها ميگردد.
مهندس سرتيپي، درباره عملکرد نانو کاتاليست ساخته شده گفت: ”نانوذرات پالاديم موجود در اين کاتاليست، در شرايط اکسيدي به داخل شبکه اتمي نفوذ ميکنند و در شرايط احيايي با خارج شدن از شبکه، به صورت نانوذرات فلزي (با اندازهاي حدود يک تا سه نانومتر) روي سطح کاتاليست پخش ميشوند. اين انتقال بين حجم و سطح کاتاليست، برگشتپذير است و در اثر شرايط جوي اگزوز، انجام ميشود. به همين دليل، اين دسته از کاتاليستها را، هوشمند نيز مينامند“.
وي همچنين از دستگاههايي همانند آناليزهاي سطح(BET)، احياء برنامه ريزيشده دمايي(TPR)، راکتورهايي با کنترل کننده دما و سيستم آناليز همزمان، طيف سنج گازي(GC)، براي کنترل و بررسي شرايط محيطي، و همچنين دستگاههايي مانند تفرق اشعه ايکس(XRD) و ميکروسکوپ الکتروني روبشي(SEM)، براي آناليز و تعيين مشخصات، ياد کرد و افزود: ”حفظ فعاليت كاتاليستي بالا، در طول عمر مفيد خودروهاي بنزيني از شاخصترين مزاياي اين محصول نسبت به محصولات مشابه است و دانش فني ساخت اين نوع کاتاليستها نيز براي ارائه به سرمايهگذاران و صنعت موجود است“.