Avant-corp (mecanica fluidelor)

În mecanica fluidelor , corpul anterior este partea din față a unui corp, adică, în general, partea dintre punctul de oprire și secțiunea maximă (sau cuplul principal). Simetric, este utilizată și noțiunea de „corp posterior” (o parte a corpului dintre cuplul principal și punctul cel mai aval (sau set de puncte) al corpului.

În mecanica fluidelor, într-un număr mare de cazuri există o anumită independență a fluxurilor față și spate. Între „corpul anterior” și „corpul posterior” se poate folosi, dacă este necesar, noțiunea de „corp median”, mai ales atunci când acest corp median are o secțiune constantă (precum partea cilindrică care urmează ogiva multor amatori rachete).

Datorită poziției lor frontale, corpurile anterioare sunt rareori locul detașărilor (sau separării) stratului limită . Dar când există detașare, vedem cel mai adesea o reatașare a fluxului în aval (așa cum se întâmplă pentru detașarea din fața parbrizului VW Beetle din imaginea opusă).

Față auto

Foarte contraintuitiv, caroseria frontală a unui automobil, dacă este suficient de profilată, contează puțin în total (adică creata de un corp frontal corect profilat este foarte puțin importantă). Dimpotrivă, caroseria din spate a unui automobil poate fi foarte importantă, din cauza depresiunii bazei care atrage această bază spre spate. Din fericire, partea din spate poate fi tratată adesea independent de față. VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}

Putem vedea dovada independenței față și spate în graficul opus, care oferă evoluția sedanelor în funcție de subțire din spatele lor: Faptul că cele patru curbe fucsia, roșu, albastru și verde au aproximativ aceeași pantă demonstrează că corpurile din spate de diferite lungimi sunt aproape independente de caroseria din față, adică cea a automobilului este valabilă (dacă este partea din față și este secțiunea din spate), aceasta din urmă fiind doar o funcție a subțire a secțiunea din spate (în special pentru sedanele 3 și 4 care sunt corect profilate). VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSXlavvs.+VSXlarvs.{\ displaystyle C_ {x} avc + C_ {x} arc}VSXlavvs.{\ displaystyle C_ {x} avc}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSXlarvs.{\ displaystyle C_ {x} arc}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}

Acest ultim grafic se bazează pe măsurători într-un tunel de vânt de Walter E. Lay, care a testat modele de puțin peste un metru lungime cu fețe laterale plate și verticale conectate fără rotunjire la fața superioară.

Corpul anterior al rachetei

Imaginea opusă oferă frontalul de așteptat de la focoarele rachete subsonice. VSX{\ displaystyle C_ {x}}

În cel mai simplu caz al unei fuze ogivo-cilindrice, determinarea se face prin însumarea corpului frontal (cel al ogivei, imaginea opusă), fricțiunea pe ogivă și corpul median (partea cilindrică a fuselajului), de bază (care depinde de grosimea stratului limită de la bază) și de presiunea, fricțiunea și interacțiunea eleronelor stabilizatoare. Corpul frontal (ogiva) pare a fi independent de celelalte . Corpul median (partea cilindrică) este redus doar la frecare , deoarece acest corp median nu are o suprafață elementară capabilă să transforme jocul de presiune la suprafața sa în forță axială. Pe de altă parte, determinarea fricțiunii pe suprafața sa trebuie să ia în considerare lungimea ogivei (vârful ogivei, punctul de oprire a fluxului, fiind punctul de naștere al stratului limită). VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}

Între 10 și 60 ° de jumătate de unghi la vârf, rezultatele testelor conurilor ca corp anterior (adică fără bază, deci ca focoase) pot fi liniarizate sub formă , fiind unghiul de jumătate din partea superioară a conului în grade. Această liniarizare este valabilă doar în subsonic, adică pentru . VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX=0,012θ-0,11{\ displaystyle C_ {x} = 0,012 \ theta -0.11}θ{\ displaystyle \ theta}Mla<0,4{\ displaystyle Ma <0.4}

Independență relativă față și spate a corpului profilatVSp{\ displaystyle C_ {p}}

În ceea ce privește corpul conic 3D prezentat în imaginea opusă, coeficienții de presiune pe o bună parte a corpului din față sunt independenți de forma corpului din spate și invers. Animația opusă arată că, atunci când schimbăm modelele corpului anterior și cel posterior, curba albastră se potrivește pe o bună parte a corpului frontal, curba ridicată pe întregul corp (chiar dacă partea posterioară a acestui corp complet a fost modificată ) (și același lucru pentru curba corpului din spate). VSp{\ displaystyle C_ {p}}VSp{\ displaystyle C_ {p}}

Se poate vedea, de asemenea, că, în acest caz particular, zona de influență a secțiunii spate pe secțiunea frontală și invers este de o lungime de ordinul a 2 diametre.

O reflecție similară poate fi făcută despre adăugarea unui corp median cilindric la un corp conic 3D (curbele imaginii opuse, calculate aici de același grup de cercetători). Se pare că părțile din față și din spate ale curbelor sunt neschimbate în timpul introducerii unei părți cilindrice mai mult sau mai puțin lungi. VSp{\ displaystyle C_ {p}}VSp{\ displaystyle C_ {p}}

De asemenea, se observă că fluxul pe partea cilindrică (și, prin urmare, curba lui ) anticipează, la o distanță de aproximativ 1 diametru, prezența constricției formate de corpul din spate. Prin urmare, informațiile despre prezența contracției de bază se propagă bine în amonte (suntem aici în subsonic). VSp{\ displaystyle C_ {p}}

Carcasa tub Pitot

Distribuția presiunii pe partea frontală a tubului pitot (emisfera frontală, curba albastru deschis) este diferită de distribuția presiunii pe emisfera frontală a sferei (curba roșie). Prin urmare, putem spune că fluxul peste corpul frontal al tubului Pitot anticipează pe deplin prezența (sau nu) a părții cilindrice: Prin urmare, nu există independență a fluxului corpului frontal de la fluxul corpului median.

Curbele desenate aici sunt curbe teoretice (calcule efectuate în fluid non-vâscos). Integrarea curbei teoretice de culoare albastru deschis produce o presiune de pentru emisfera frontală a tubului Pitot. Cu toate acestea, este clar că testele raportate de Nota tehnică NASA D-3388 atribuie focosului emisferic o presiune foarte scăzută de până la Ma 0,4 (și până la Ma 0,7), acestea foarte slabe fiind în concordanță cu cea transmisă de Hoerner pentru focos emisferic (vezi imaginea secțiunii # Racheta corpului anterior). VSp{\ displaystyle C_ {p}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}0,46{\ displaystyle 0.46}VSX{\ displaystyle C_ {x}}0,01{\ displaystyle 0.01}0,02{\ displaystyle 0.02}VSX{\ displaystyle C_ {x}}

Forme speciale

Disc expus frontal

În cazul discului expus frontal, mecanica fluidelor practică în mod evident distincția dintre corpul frontal (fața frontală a discului) și corpul din spate (fața sa din spate). Koenig și Roshko, în studiul fluxului axial pe cilindru cu un capăt plat precedat de un disc, bazat pe alți autori, adoptă pentru fața frontală valoarea . La fel, Bob Hiro Suzuki ia act de o valoare pentru fața frontală a discului. VSX{\ displaystyle C_ {x}}0,75{\ displaystyle 0.75}0,72{\ displaystyle 0.72}

Discul plin fiind admis ca fiind valabile , feței posterioare a discului apare ca fiind în valoare de la . În imaginea opusă, Fail, Lawford și Eyre au măsurat o constantă în aval la (curba roșie unde semnele corespund punctelor măsurate). Aceasta înseamnă că valoarea medie a coeficientului de presiune pe această față din spate merită, pentru acești autori, puțin mai mult decât din cauza celor nemăsurate de pe marginea discului. VSX{\ displaystyle C_ {x}}1,12{\ displaystyle 1.12}VSX{\ displaystyle C_ {x}}0,37{\ displaystyle 0.37}0,40{\ displaystyle 0.40}VSp{\ displaystyle C_ {p}}0,36{\ displaystyle 0.36}-0,36{\ displaystyle -0.36}VSp{\ displaystyle C_ {p}}

Pe această imagine, se poate observa distribuția aproape elipsoidală a presiunilor pe fața frontală (curbă albastră unde numai semnele solide corespund punctelor măsurate).

Deși este adesea acceptat că coeficientul de presiune rămâne același pe întreaga față a unei baze plate, această simplificare nu poate fi potrivită pentru marginea din aval a discului circular. Pe marginea discului, fluxul este neapărat accelerat la o valoare mai mare decât viteza la infinit ( devenind negativă). Curba fuschia, marcată cu un semn de întrebare, este o curbă propusă pentru a conecta curba albastră la curba roșie de la marginea discului. VSp{\ displaystyle C_ {p}}

Sferă

În cazul sferei, este benefic să te interesezi de valoarea emisferei frontale. Integrarea coeficientului teoretic de presiune pe această emisferă frontală (curba fuchsia de pe imaginea opusă, datorită lui Elmar Achenbach) produce o valoare negativă de . Deși fricțiunea sferei este neglijabilă, măsurile practice conduc la un corp frontal al sferei la primul regim, dar integrarea coeficienților de presiune la cel de-al doilea regim (suficient de apropiat de fluxul nevâscos pentru emisfera frontală) dați o presiune negativă. VSX{\ displaystyle C_ {x}}-0,125{\ displaystyle -0,125}VSX{\ displaystyle C_ {x}}VSX{\ displaystyle C_ {x}}0,046{\ displaystyle 0.046}VSX{\ displaystyle C_ {x}}

Fronturi speciale

Corp înainte cu aripi redirectoare

Detașarea la traversarea marginilor ascuțite ale unui corp obtuz dă naștere unui buzunar de „apă moartă” imediat în aval de fața frontală, acest buzunar mărind lățimea văzută de fluxul corpului și, prin urmare, degradând sunetul acestuia . Formarea unor astfel de buzunare de apă moartă poate fi prevenită prin montarea aripilor de redirecționare care alimentează aceste buzunare de apă moartă cu presiune scăzută cu aer suprapresurat captat pe partea din față a vehiculului (imaginea superioară opusă). VSX{\ displaystyle C_ {x}}

În cartea sa Drag , Sighard F. Hoerner  (in) specifică faptul că, pe lângă prevenirea formării acestor buzunare de apă moartă, lamele de redirecționare din față fac obiectul forțelor aerodinamice care tind să tragă vehiculul înainte. prin urmare reduceți și mai mult tragerea).

Un astfel de sistem de redirecționare a palelor a fost utilizat pe scară largă pentru carenarea motoarelor de avioane în formă de stea la un moment dat ( inelul Townend ), înainte ca capace NACA să ofere soluția definitivă la carenajul pentru motoare în formă de stea.

Același principiu al paletelor direcționale ar putea fi utilizat cu un beneficiu clar pentru baza anumitor corpuri (imaginea inferioară opusă).

Disc sau parbriz precursor

În lucrarea sa, cercetătorul american Keith Koenig a dovedit că antebrațul unui cilindru circular în diametru ar putea trece de la prin instalarea unui disc precursor cu diametru între și în fața feței frontale a acestui cilindru (discul precursor fiind ținut de un arbore cu diametru mic). Vortexul toric instalat între discul precursor și fața frontală a cilindrului (imaginea opusă) creează un fel de bandă transportoare care eficientizează întregul. Mai degrabă contraintuitiv, înlocuirea discului precursor cu capace sferice (aparent mai bine profilate) nu dă rezultate mai bune. VSX{\ displaystyle C_ {x}}D2{\ displaystyle D_ {2}}0,7{\ displaystyle 0.7}≈0,01{\ displaystyle \ approx 0.01}D1=0,75D2{\ displaystyle D_ {1} = 0,75D_ {2}}0,25{\ displaystyle 0.25}0,50D2{\ displaystyle 0.50D_ {2}}

Parbriz sau aerospike

Rezultatele anterioare sunt valabile pentru subsonic. Pentru transonic și supersonic se pot utiliza parbrize speciale (denumite  în engleză „  aerospike  (en) ” a căror funcție este de a reduce presiunea asupra corpurilor frontale insuficient profilate (în ceea ce privește viteza trans și supersonică atinsă., Pentru exemplu focoase emisferice). Un corp precursor de secțiune relativ mică (disc sau capac sferic), purtat de un arbore de secțiune mică (imaginea opusă), produce o undă de șoc detașată în fața corpului anterior insuficient profilat care o urmează. În plus, între această undă de șoc și corpul anterior insuficient profilat, este instalată o zonă de recirculare care acționează ca un corp virtual mai bine profilat.

Astfel de dispozitive cu un corp precursor (scut de vânt) sunt utilizate în partea de sus a rachetelor lansate de submarine deoarece retragerea arborelui reduce în mod corespunzător înălțimea rachetelor menționate și facilitează depozitarea lor la bord.

Note și referințe

1. Pentru omul de pe stradă, care are o concepție „colizională” a mecanicii fluidelor, caroseria din față a unui automobil este responsabilă de „marcarea” pentru restul mașinii. Acest lucru nu este cazul deoarece acțiunea suprapresiunilor existente în jurul zonei punctului de oprire (grila) este compensată de acțiunea depresiunilor imediat în aval (pe capacul frontal și pe parbrizele suficient de înclinate.).
2. (în) Walter E. Lay, 50 de mile pe galon este posibil cu simplificarea corectă a tranzacțiilor SAE, vol.  28, 1933, pp.  144-156 [1] .
3. (în) Aerodinamica vehiculelor rutiere, vehicul de la mecanica fluidelor la inginerie, editat de Wolf-Heinrich Hucho 1990.
4. Hoerner 1965 , p.  49.
5. Hoerner 1992 , p.  2-5.
6. (in) lyde D. Nevins și Benny W. Helton, O INVESTIGAȚIE A DIFERITILOR PARAMETRI AFECTAȚI GREUTATEA STRUCTURALĂ A CONULUI NAZIV DE RACCHETĂ A VEHICULULUI, Marshall Space Flight Center, [2] .
7. (în) CARACTERISTICI Aerodinamice ale CONULUI sferic tocit la numere de la 0,5 până la 5,0, NASA TN D-3088, Robert V. Owens, George C. Marshall Space Flight Center din Huntsville, Alabama [3] [PDF] .
8. (în) CARACTERISTICILE aerodinamice ale CONULUI MARI CU RETROROCHETE UNGLATE, Contract nr. NAS 7-576, Philip O. Jarvinen și Richard H. Adams, februarie 1970 [4] [PDF] .
9. (en) AJ Smits, SP Law și PN Joubert, o comparație a distribuțiilor de presiune teoretice și experimentale pe corpurile de revoluție, [5]
10. (în) EFECTELE bluntness asupra tragerii unui corp elliptic subsonic, NOTĂ TEHNICĂ NASA D-3388, de John D. Norris și Robert J. McGhee [6] [PDF] .
11. (în) UN STUDIU EXPERIMENTAL AL ​​EFECTELOR GEOMETRICE PE DOMENIUL DE DRAG ȘI DE DEBIT A DOUĂ CORPURI BLUFF SEPARATE DE O GAP de Keith Koenig și Anatol Roshko, California Institute of Technology, Pasadena, California, J. Fluid Mech. (1985), vol. 156, pp.  167-204 [7] [PDF] .
12. (în) Teză Bob Hiro Suzuki, MĂSURĂRI MAGNETOFLUIDE DRAG-DINAMICE PRIVIND CORPURILE SEMI-IMFINITE ÎN DOMENII ALINEATE, California Institute of Technology Pasadena, California în 1967, [8] [PDF] .
13. (în) R. FAIL, JA LAWFORD și RCW EYRE, Experimente de viteză redusă: despre caracteristicile de veghe ale plăcilor plate Anul normal până la fluxul aerian, [9] [PDF] .
14. (în) Elmar Achenbach, „Experimente asupra fluxului trecut sferelor la numere foarte mari ale lui Reynolds”, Journal of Fluid Mechanics , vol.  54, n o  3, 8 august 1972, pp.  565-575 [ prezentare online ] .
15. Hoerner 1965 , p.  23.
16. Hoerner 1992 , p.  2-5
17. E. Hunsinger și M. Offerlin 1997
18. Această zonă de joasă presiune (și vârtej) este numită „zona de apă moartă”, deoarece a fost observată pentru prima dată în spatele grămezilor de poduri.
19. SF Hoerner , Rezistența la avansarea fluidelor , Gauthier-Villars editori Paris.
20. (ro) SF Hoerner, Fluid-Dynamic Drag.
21. Aceste efecte de tracțiune sunt, desigur, luate în considerare în cele indicate.VSX{\ displaystyle C_ {x}}
22. Gabaritul crescut impus de aceste lame poate constitui totuși o frână la instalarea lor, camioanele cu semiremorci, de exemplu, fiind deja la gabaritul maxim al drumului.
23. (în) Keith Koenig (dr.), Efecte de interferență asupra tragerii corpurilor de bluff în tandem , California Institute of Technology , 22 mai 1978 [ citiți online ] [PDF] .
24. (în) Keith Koenig și Anatol Roshko ( ILC ), „Un studiu experimental al efectelor geometrice asupra câmpului de tracțiune și curgere a două corpuri de bluff separate printr-un decalaj”, Journal of Fluid Mechanics , 1985, vol.  156, pp.  167-204 , [ citiți online ] [PDF] .

Bibliografie

• (În) John D. Anderson, Jr. , „  Ludwig Prandtl's Boundary Layer  ” , Physics Today , Vol.  58, nr .  12,decembrie 2005, p.  42-48 ( DOI  10.1063 / 1.2169443 , citiți online [PDF] ).
• (ro) Duane A. Haugen ( dir. ), Workshop în micrometeorologie , AMS ,1972, 392  p. ( DOI  10.1017 / S002211207421259X ).
• SF Hoerner , Rezistența la avansarea fluidelor , Paris, Gauthier-Villars,1965( OCLC  727875556 , ASIN  B07B4HR4HP ).
• (ro) SF Hoerner , Fluid-fluid drag: informații teoretice, experimentale și statistice ,1992( OCLC  228216619 ).
• (ro) SF Hoerner și HV Borst , Fluid-Dynamic Lift, informații practice despre ridicarea aerodinamică și hidrodinamică , ed. Liselotte A. Hoerner,1985( [10] ). . 
• (ro) Herrmann Schlichting , Klaus Gersten , E. Krause , H. Oertel Jr. și C. Mayes , Boundary-Layer Theory , Berlin / New York, Springer,2004, A 8- a  ed. , 799  p. ( ISBN  3-540-66270-7 ).
• Ewald Hunsinger și Michaël Offerlin, Aerodynamics and the origin of parasitic drag , Inter Action,1997( citiți online [PDF] ).