الديناميكا الهوائية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة
دراسة أجرتها وكالة ناسا لاضطرابات أعقاب الطائرات في جزيرة والوبس عام 1990. تتكون الدوامة نتيجة مرور جناح طائرة، ويكشف عنها الدخان. الدوامات هي إحدى الظواهر العديدة المرتبطة بدراسة الديناميكا الهوائية.

الديناميكا الهوائية ( باليونانية القديمة : ἀήρ aero (هواء) + اليونانية القديمة : δυναμική (ديناميكا)) هي دراسة حركة الهواء ، وخاصةً عندما يتأثر بجسم صلب ، مثل جناح الطائرة . [1] وهي تتضمن مواضيع يتم تناولها في مجال ديناميكا الموائع وحقلها الفرعي ديناميكا الغاز ، وهي مجال دراسي مهم في علم الطيران . غالبًا ما يُستخدم مصطلح الديناميكا الهوائية مرادفًا لديناميكا الغاز، والفرق هو أن "ديناميكا الغاز" تنطبق على دراسة حركة جميع الغازات، ولا تقتصر على الهواء. بدأت الدراسة الرسمية للديناميكا الهوائية بالمعنى الحديث في القرن الثامن عشر، على الرغم من تسجيل ملاحظات المفاهيم الأساسية مثل السحب الديناميكي الهوائي في وقت أبكر بكثير. كانت معظم الجهود المبكرة في مجال الديناميكا الهوائية موجهة نحو تحقيق طيران أثقل من الهواء ، وهو ما أثبته أوتو ليلينتال لأول مرة في عام 1891. [2] ومنذ ذلك الحين، شكل استخدام الديناميكا الهوائية من خلال التحليل الرياضي ، والتقديرات التجريبية، وتجارب نفق الرياح ، والمحاكاة الحاسوبية أساسًا منطقيًا لتطوير طيران أثقل من الهواء وعدد من التقنيات الأخرى. ركز العمل الأخير في مجال الديناميكا الهوائية على القضايا المتعلقة بالتدفق القابل للضغط ، والاضطراب ، والطبقات الحدودية ، وأصبح حاسوبيًا بشكل متزايد بطبيعته.

تاريخ

يعود تاريخ الديناميكا الهوائية الحديثة إلى القرن السابع عشر فقط، ولكن تم تسخير القوى الديناميكية الهوائية من قبل البشر لآلاف السنين في القوارب الشراعية وطواحين الهواء، [ 3] وتظهر صور وقصص الطيران في جميع أنحاء التاريخ المسجل، [4] مثل الأسطورة اليونانية القديمة لإيكاروس وديدالوس . [5] تظهر المفاهيم الأساسية للاستمرارية والسحب وتدرجات الضغط في أعمال أرسطو وأرخميدس . [ 6]

في عام 1726، أصبح السير إسحاق نيوتن أول شخص يطور نظرية مقاومة الهواء، [7] مما جعله أحد أوائل علماء الديناميكا الهوائية. تبعه عالم الرياضيات الهولندي السويسري دانييل برنولي في عام 1738 بكتاب هيدروديناميك الذي وصف فيه العلاقة الأساسية بين الضغط والكثافة وسرعة التدفق للتدفق غير القابل للضغط والمعروف اليوم باسم مبدأ برنولي ، والذي يوفر طريقة واحدة لحساب الرفع الديناميكي الهوائي. [ 8] في عام 1757، نشر ليونهارد أويلر معادلات أويلر الأكثر عمومية والتي يمكن تطبيقها على كل من التدفقات القابلة للضغط وغير القابلة للضغط. تم توسيع معادلات أويلر لتشمل تأثيرات اللزوجة في النصف الأول من القرن التاسع عشر، مما أدى إلى معادلات نافير-ستوكس . [9] [10] معادلات نافير-ستوكس هي المعادلات الحاكمة الأكثر عمومية لتدفق السوائل ولكن من الصعب حلها للتدفق حول جميع الأشكال باستثناء أبسطها.

تُعرض نسخة طبق الأصل من نفق الرياح الذي ابتكره الأخوان رايت في مركز فيرجينيا للطيران والفضاء. كانت أنفاق الرياح أساسية في تطوير قوانين الديناميكا الهوائية والتحقق من صحتها.

في عام 1799، أصبح السير جورج كايلي أول شخص يحدد القوى الديناميكية الهوائية الأربع للطيران ( الوزن والرفع والسحب والدفع )، بالإضافة إلى العلاقات بينها، [11] [12] وبذلك حدد المسار نحو تحقيق طيران أثقل من الهواء للقرن التالي. في عام 1871، بنى فرانسيس هربرت وينهام أول نفق للرياح ، مما سمح بقياسات دقيقة للقوى الديناميكية الهوائية. تم تطوير نظريات السحب من قبل جان لو روند دالمبيرت ، [13] وغوستاف كيرشوف ، [14] واللورد رايلي . [15] في عام 1889، أصبح تشارلز رينارد ، مهندس طيران فرنسي، أول شخص يتنبأ بشكل معقول بالقوة اللازمة للطيران المستمر. [16] كان أوتو ليلينتال ، أول شخص يحقق نجاحًا كبيرًا في رحلات الطائرات الشراعية، أول من اقترح أيضًا أجنحة رفيعة منحنية من شأنها أن تنتج رفعًا عاليًا وسحبًا منخفضًا. وبناءً على هذه التطورات، فضلاً عن الأبحاث التي أجراها الأخوان رايت في نفق الرياح الخاص بهما، تمكنا من الطيران بأول طائرة تعمل بالطاقة في 17 ديسمبر/كانون الأول 1903.

خلال وقت الرحلات الأولى، ابتكر فريدريك دبليو لانشيستر [17] ومارتن كوتا ونيكولاي جوكوفسكي بشكل مستقل نظريات تربط بين دوران تدفق السوائل والرفع. واصل كوتا وجوكوفسكي تطوير نظرية الجناح ثنائية الأبعاد. بناءً على عمل لانشيستر، يُنسب إلى لودفيج براندتل تطوير الرياضيات [18] وراء نظريات الجناح الرقيق وخط الرفع بالإضافة إلى العمل مع طبقات الحدود .

ملصق وزارة إنتاج الطائرات حول الديناميكا الهوائية

مع زيادة سرعة الطائرات، بدأ المصممون يواجهون تحديات مرتبطة بانضغاط الهواء بسرعات قريبة من سرعة الصوت. تؤدي الاختلافات في تدفق الهواء في ظل هذه الظروف إلى مشاكل في التحكم في الطائرة، وزيادة السحب بسبب موجات الصدمة ، وخطر الفشل الهيكلي بسبب الرفرفة المرنة الهوائية . تم تسمية نسبة سرعة التدفق إلى سرعة الصوت برقم ماخ على اسم إرنست ماخ الذي كان من أوائل من بحثوا في خصائص التدفق الأسرع من الصوت . طور ماكورن رانكين وبيير هنري هوجونيوت بشكل مستقل نظرية خصائص التدفق قبل وبعد موجة الصدمة ، بينما قاد جاكوب أكيرت العمل الأولي لحساب الرفع والسحب للأجنحة الأسرع من الصوت. [19] قدم ثيودور فون كارمان وهيو لاتيمر درايدن مصطلح أسرع من الصوت لوصف سرعات التدفق بين رقم ماخ الحرج وماخ 1 حيث تزداد السحب بسرعة. أدى هذا الارتفاع السريع في السحب إلى اختلاف علماء الديناميكا الهوائية والطيارين حول ما إذا كان الطيران الأسرع من الصوت ممكنًا حتى تم كسر حاجز الصوت في عام 1947 باستخدام طائرة Bell X-1 .

بحلول الوقت الذي تم فيه كسر حاجز الصوت، كان فهم علماء الديناميكا الهوائية للتدفق دون الصوتي والتدفق فوق الصوتي المنخفض قد نضج. دفعت الحرب الباردة إلى تصميم خط متطور باستمرار من الطائرات عالية الأداء. بدأت ديناميكا الموائع الحسابية كمحاولة لحل خصائص التدفق حول الأجسام المعقدة ونمت بسرعة إلى النقطة التي يمكن فيها تصميم طائرة بالكامل باستخدام برامج الكمبيوتر، مع اختبارات نفق الرياح تليها اختبارات الطيران لتأكيد تنبؤات الكمبيوتر. نضج فهم الديناميكا الهوائية فوق الصوتية والفوق الصوتية منذ ستينيات القرن العشرين، وتحولت أهداف علماء الديناميكا الهوائية من سلوك تدفق السوائل إلى هندسة السيارة بحيث تتفاعل بشكل يمكن التنبؤ به مع تدفق السوائل. لا يزال تصميم الطائرات للظروف الأسرع من الصوت والأعلى من الصوت، فضلاً عن الرغبة في تحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية للطائرات الحالية وأنظمة الدفع، يحفز إجراء أبحاث جديدة في الديناميكا الهوائية، بينما يستمر العمل على المشاكل المهمة في النظرية الديناميكية الهوائية الأساسية المتعلقة باضطراب التدفق ووجود وتفرد الحلول التحليلية لمعادلات نافير-ستوكس.

المفاهيم الأساسية

قوى الطيران على طائرة تعمل بالطاقة في رحلة مستوية غير متسارعة

إن فهم حركة الهواء حول جسم ما (غالبًا ما يُطلق عليه حقل التدفق) يمكّن من حساب القوى والعزوم المؤثرة على الجسم. في العديد من مشاكل الديناميكا الهوائية، تكون القوى محل الاهتمام هي القوى الأساسية للطيران: الرفع والسحب والدفع والوزن . من بين هذه القوى ، الرفع والسحب هما قوى ديناميكية هوائية، أي القوى الناتجة عن تدفق الهواء فوق جسم صلب. غالبًا ما يعتمد حساب هذه الكميات على افتراض أن حقل التدفق يتصرف كسلسلة متصلة. تتميز حقول التدفق المستمر بخصائص مثل سرعة التدفق والضغط والكثافة ودرجة الحرارة ، والتي قد تكون وظائف للموضع والوقت. يمكن قياس هذه الخصائص بشكل مباشر أو غير مباشر في تجارب الديناميكا الهوائية أو حسابها بدءًا من معادلات الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة في تدفقات الهواء. تُستخدم الكثافة وسرعة التدفق وخاصية إضافية، اللزوجة ، لتصنيف حقول التدفق.

تصنيف التدفق

تُستخدم سرعة التدفق لتصنيف التدفقات وفقًا لنظام السرعة. التدفقات دون الصوتية هي حقول تدفق يكون فيها مجال سرعة الهواء دائمًا أقل من سرعة الصوت المحلية. تشمل التدفقات فوق الصوتية كلًا من مناطق التدفق دون الصوتية والمناطق التي تكون فيها سرعة التدفق المحلية أكبر من سرعة الصوت المحلية. تُعرَّف التدفقات فوق الصوتية بأنها تدفقات تكون فيها سرعة التدفق أكبر من سرعة الصوت في كل مكان. يشير التصنيف الرابع، التدفق الأسرع من الصوت، إلى التدفقات حيث تكون سرعة التدفق أكبر بكثير من سرعة الصوت. يختلف خبراء الديناميكا الهوائية حول التعريف الدقيق للتدفق الأسرع من الصوت.

إن التدفق القابل للانضغاط يشكل عاملاً مؤثراً في الكثافة المتغيرة داخل التدفق. وكثيراً ما يتم اعتبار التدفقات دون الصوتية مثالية باعتبارها غير قابلة للانضغاط، أي أن الكثافة يُفترض أنها ثابتة. أما التدفقات فوق الصوتية وفوق الصوتية فهي قابلة للانضغاط، والحسابات التي تتجاهل تغيرات الكثافة في حقول التدفق هذه سوف تسفر عن نتائج غير دقيقة.

ترتبط اللزوجة بقوى الاحتكاك في التدفق. في بعض مجالات التدفق، تكون تأثيرات اللزوجة صغيرة جدًا، وقد تهمل الحلول التقريبية تأثيرات اللزوجة بأمان. تسمى هذه التقريبات بالتدفقات غير اللزجة. تسمى التدفقات التي لا يتم فيها إهمال اللزوجة بالتدفقات اللزجة. أخيرًا، يمكن أيضًا تصنيف المشكلات الديناميكية الهوائية حسب بيئة التدفق. الديناميكا الهوائية الخارجية هي دراسة التدفق حول الأجسام الصلبة ذات الأشكال المختلفة (على سبيل المثال حول جناح الطائرة)، بينما الديناميكا الهوائية الداخلية هي دراسة التدفق عبر الممرات داخل الأجسام الصلبة (على سبيل المثال من خلال محرك نفاث).

افتراض الاستمرارية

على عكس السوائل والمواد الصلبة، تتكون الغازات من جزيئات منفصلة تشغل جزءًا صغيرًا فقط من الحجم الذي يشغله الغاز. على المستوى الجزيئي، تتكون حقول التدفق من تصادمات العديد من جزيئات الغاز الفردية فيما بينها ومع الأسطح الصلبة. ومع ذلك، في معظم تطبيقات الديناميكا الهوائية، يتم تجاهل الطبيعة الجزيئية المنفصلة للغازات، ويفترض أن حقل التدفق يتصرف كسلسلة متصلة . يسمح هذا الافتراض بتعريف خصائص السوائل مثل الكثافة وسرعة التدفق في كل مكان داخل التدفق.

تعتمد صحة افتراض الاستمرارية على كثافة الغاز والتطبيق المعني. لكي يكون افتراض الاستمرارية صالحًا، يجب أن يكون متوسط ​​طول المسار الحر أصغر بكثير من مقياس طول التطبيق المعني. على سبيل المثال، تتعامل العديد من تطبيقات الديناميكا الهوائية مع الطائرات التي تحلق في الظروف الجوية، حيث يكون متوسط ​​طول المسار الحر في حدود الميكرومتر وحيث يكون الجسم أكبر من حيث الحجم. في هذه الحالات، يتراوح مقياس طول الطائرة من بضعة أمتار إلى بضع عشرات من الأمتار، وهو أكبر بكثير من متوسط ​​طول المسار الحر. بالنسبة لمثل هذه التطبيقات، يكون افتراض الاستمرارية معقولاً. يكون افتراض الاستمرارية أقل صحة للتدفقات منخفضة الكثافة للغاية، مثل تلك التي تواجهها المركبات على ارتفاعات عالية جدًا (على سبيل المثال 300000 قدم / 90 كم) [6] أو الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض . في هذه الحالات، تكون الميكانيكا الإحصائية طريقة أكثر دقة لحل المشكلة من الديناميكا الهوائية المستمرة. يمكن استخدام رقم كنودسن لتوجيه الاختيار بين الميكانيكا الإحصائية والصياغة المستمرة للديناميكا الهوائية.

قوانين الحفاظ على البيئة

إن افتراض استمرارية السوائل يسمح بحل المشاكل في الديناميكا الهوائية باستخدام قوانين الحفاظ على ديناميكيات السوائل . يتم استخدام ثلاثة مبادئ للحفاظ:

حفظ الكتلة
يتطلب قانون الحفاظ على الكتلة أن الكتلة لا تُنشأ ولا تُدمر داخل التدفق؛ وتُعرف الصيغة الرياضية لهذا المبدأ باسم معادلة استمرارية الكتلة .
حفظ الزخم
يمكن اعتبار الصياغة الرياضية لهذا المبدأ تطبيقًا لقانون نيوتن الثاني . لا يتغير الزخم داخل التدفق إلا بواسطة قوى خارجية، والتي قد تشمل كلًا من قوى السطح ، مثل قوى اللزوجة ( الاحتكاك )، وقوى الجسم ، مثل الوزن . يمكن التعبير عن مبدأ الحفاظ على الزخم إما كمعادلة متجهة أو مقسمة إلى مجموعة من ثلاث معادلات قياسية (مكونات x وy وz).
الحفاظ على الطاقة
تنص معادلة الحفاظ على الطاقة على أن الطاقة لا تُنشأ ولا تُدمر داخل التدفق، وأن أي إضافة أو طرح للطاقة إلى حجم في التدفق يحدث بسبب انتقال الحرارة ، أو بسبب العمل داخل وخارج المنطقة المعنية.

تُعرف هذه المعادلات مجتمعة باسم معادلات نافير-ستوكس ، على الرغم من أن بعض المؤلفين يعرّفون المصطلح ليشمل معادلات الزخم فقط. ليس لمعادلات نافير-ستوكس أي حل تحليلي معروف ويتم حلها في الديناميكا الهوائية الحديثة باستخدام تقنيات حسابية . نظرًا لأن الأساليب الحسابية باستخدام أجهزة الكمبيوتر عالية السرعة لم تكن متاحة تاريخيًا والتكلفة الحسابية العالية لحل هذه المعادلات المعقدة الآن بعد أن أصبحت متاحة، فقد تم استخدام تبسيطات معادلات نافير-ستوكس وما زالت مستخدمة. معادلات أويلر هي مجموعة من معادلات الحفظ المتشابهة التي تهمل اللزوجة ويمكن استخدامها في الحالات التي يُتوقع فيها أن يكون تأثير اللزوجة صغيرًا. تؤدي المزيد من التبسيطات إلى معادلة لابلاس ونظرية التدفق المحتمل . بالإضافة إلى ذلك، تعد معادلة برنولي حلاً في بُعد واحد لكل من معادلات الزخم والحفاظ على الطاقة.

غالبًا ما يتم استخدام قانون الغاز المثالي أو معادلة الحالة الأخرى جنبًا إلى جنب مع هذه المعادلات لتشكيل نظام محدد يسمح بحل المتغيرات غير المعروفة. [20]

فروع الديناميكا الهوائية

النمذجة الحسابية

يتم تصنيف المشاكل الديناميكية الهوائية حسب بيئة التدفق أو خصائص التدفق، بما في ذلك سرعة التدفق وقابلية الانضغاط واللزوجة . الديناميكا الهوائية الخارجية هي دراسة التدفق حول الأجسام الصلبة ذات الأشكال المختلفة. يعد تقييم الرفع والسحب على متن طائرة أو موجات الصدمة التي تتشكل أمام مقدمة الصاروخ من الأمثلة على الديناميكا الهوائية الخارجية. الديناميكا الهوائية الداخلية هي دراسة التدفق عبر الممرات في الأجسام الصلبة. على سبيل المثال ، تشمل الديناميكا الهوائية الداخلية دراسة تدفق الهواء عبر محرك نفاث أو عبر أنبوب تكييف الهواء .

يمكن أيضًا تصنيف المشكلات الديناميكية الهوائية وفقًا لما إذا كانت سرعة التدفق أقل من سرعة الصوت أو قريبة منها أو أعلى منها . تسمى المشكلة دون الصوتية إذا كانت جميع السرعات في المشكلة أقل من سرعة الصوت، أو أسرع من الصوت إذا كانت السرعات أقل من سرعة الصوت وأعلى منها (عادةً عندما تكون السرعة المميزة تقارب سرعة الصوت)، أو أسرع من الصوت عندما تكون سرعة التدفق المميزة أكبر من سرعة الصوت، أو أسرع من الصوت عندما تكون سرعة التدفق أكبر بكثير من سرعة الصوت. يختلف علماء الديناميكا الهوائية حول التعريف الدقيق للتدفق الأسرع من الصوت؛ يعتبر التعريف التقريبي التدفقات التي تحتوي على أرقام ماخ أعلى من 5 أنها أسرع من الصوت. [6]

إن تأثير اللزوجة على التدفق يملي تصنيفًا ثالثًا. قد تواجه بعض المشكلات تأثيرات لزوجة صغيرة جدًا فقط، وفي هذه الحالة يمكن اعتبار اللزوجة مهملة. تُسمى التقريبات لهذه المشكلات بالتدفقات غير اللزجة . تُسمى التدفقات التي لا يمكن إهمال اللزوجة فيها بالتدفقات اللزجة.

الديناميكا الهوائية غير القابلة للضغط

التدفق غير القابل للانضغاط هو التدفق الذي تكون فيه الكثافة ثابتة في كل من الزمان والمكان. وعلى الرغم من أن جميع السوائل الحقيقية قابلة للانضغاط، إلا أن التدفق غالبًا ما يُقْرَب على أنه غير قابل للانضغاط إذا كان تأثير تغير الكثافة يتسبب في تغييرات صغيرة فقط في النتائج المحسوبة. ومن المرجح أن يكون هذا صحيحًا عندما تكون سرعات التدفق أقل بكثير من سرعة الصوت. وتكون تأثيرات الانضغاط أكثر أهمية عند السرعات القريبة من سرعة الصوت أو أعلى منها. ويُستخدم رقم ماخ لتقييم ما إذا كان من الممكن افتراض عدم قابلية الانضغاط، وإلا فيجب تضمين تأثيرات الانضغاط.

التدفق دون الصوتي

تصف الديناميكا الهوائية دون الصوتية (أو منخفضة السرعة) حركة السوائل في التدفقات التي تكون أقل بكثير من سرعة الصوت في كل مكان في التدفق. هناك عدة فروع للتدفق دون الصوتي ولكن هناك حالة خاصة تنشأ عندما يكون التدفق غير لزج وغير قابل للضغط وغير دوراني . تسمى هذه الحالة التدفق المحتمل وتسمح للمعادلات التفاضلية التي تصف التدفق بأن تكون نسخة مبسطة من معادلات ديناميكا السوائل ، مما يجعل من الممكن لخبراء الديناميكا الهوائية مجموعة من الحلول السريعة والسهلة. [21]

عند حل مشكلة دون سرعة الصوت، فإن أحد القرارات التي يجب على عالم الديناميكا الهوائية اتخاذها هو ما إذا كان سيدمج تأثيرات الانضغاط. الانضغاط هو وصف لكمية التغير في الكثافة في التدفق. عندما تكون تأثيرات الانضغاط على الحل صغيرة، يمكن افتراض أن الكثافة ثابتة. تكون المشكلة إذن مشكلة ديناميكا هوائية منخفضة السرعة غير قابلة للانضغاط. عندما يُسمح للكثافة بالتغير، يُطلق على التدفق قابل للانضغاط. في الهواء، عادةً ما يتم تجاهل تأثيرات الانضغاط عندما لا يتجاوز رقم ماخ في التدفق 0.3 (حوالي 335 قدمًا (102 مترًا) في الثانية أو 228 ميلاً (366 كم) في الساعة عند 60 درجة فهرنهايت (16 درجة مئوية)). فوق 0.3 ماخ، يجب وصف تدفق المشكلة باستخدام الديناميكا الهوائية القابلة للانضغاط.

الديناميكا الهوائية القابلة للضغط

وفقًا لنظرية الديناميكا الهوائية، يُعتبر التدفق قابلًا للانضغاط إذا تغيرت الكثافة على طول خط انسيابي . وهذا يعني أنه - على عكس التدفق غير القابل للانضغاط - تؤخذ التغيرات في الكثافة في الاعتبار. بشكل عام، هذه هي الحالة التي يتجاوز فيها رقم ماخ في جزء أو كل التدفق 0.3. قيمة 0.3 ماخ تعسفية إلى حد ما، ولكنها تُستخدم لأن تدفقات الغاز برقم ماخ أقل من تلك القيمة تُظهر تغييرات في الكثافة أقل من 5٪. علاوة على ذلك، يحدث هذا التغيير الأقصى في الكثافة بنسبة 5٪ عند نقطة الركود (النقطة على الجسم حيث تكون سرعة التدفق صفرًا)، بينما ستكون تغيرات الكثافة حول بقية الجسم أقل بكثير. التدفقات فوق الصوتية وفوق الصوتية وفرط الصوتية كلها تدفقات قابلة للانضغاط.

التدفق فوق الصوتي

يشير مصطلح ما فوق الصوتي إلى مجموعة من سرعات التدفق أسفل وفوق السرعة المحلية للصوت (عادةً ما تؤخذ على أنها ماخ 0.8-1.2). يتم تعريفه على أنه نطاق السرعات بين رقم ماخ الحرج ، عندما تصبح بعض أجزاء تدفق الهواء فوق الطائرة أسرع من الصوت ، وسرعة أعلى، عادةً بالقرب من ماخ 1.2 ، عندما يكون كل تدفق الهواء أسرع من الصوت. بين هاتين السرعتين، يكون بعض تدفق الهواء أسرع من الصوت، بينما لا يكون بعض تدفق الهواء أسرع من الصوت.

التدفق الأسرع من الصوت

تتضمن مشاكل الديناميكا الهوائية فوق الصوتية تلك التي تنطوي على سرعات تدفق أكبر من سرعة الصوت. قد يكون حساب الرفع على طائرة الكونكورد أثناء الرحلة مثالاً على مشكلة الديناميكا الهوائية فوق الصوتية.

إن التدفق فوق الصوتي يتصرف بشكل مختلف تمامًا عن التدفق دون الصوتي. تتفاعل السوائل مع الاختلافات في الضغط؛ حيث أن تغيرات الضغط هي الطريقة التي "يُقال" بها للسائل أن يستجيب لبيئته. لذلك، بما أن الصوت في الواقع هو فرق ضغط لا نهائي الصغر ينتشر عبر سائل، فيمكن اعتبار سرعة الصوت في هذا السائل أسرع سرعة يمكن أن تنتقل بها "المعلومات" في التدفق. يتجلى هذا الاختلاف بشكل واضح في حالة اصطدام سائل بجسم. أمام هذا الجسم، يبني السائل ضغطًا راكدًا حيث يؤدي الاصطدام بالجسم إلى سكون السائل المتحرك. في السائل الذي يتحرك بسرعة دون الصوتية، يمكن أن ينتشر اضطراب الضغط هذا في اتجاه المنبع، مما يغير نمط التدفق أمام الجسم ويعطي الانطباع بأن السائل "يعرف" أن الجسم موجود من خلال تعديل حركته على ما يبدو ويتدفق حوله. ومع ذلك، في التدفق فوق الصوتي، لا يمكن لاضطراب الضغط أن ينتشر في اتجاه المنبع. وهكذا ، عندما يصل السائل أخيرًا إلى الجسم فإنه يصطدم به ويضطر السائل إلى تغيير خصائصه - درجة الحرارة والكثافة والضغط ورقم ماخ - بطريقة عنيفة للغاية ولا رجعة فيها تسمى موجة الصدمة . إن وجود موجات الصدمة، إلى جانب تأثيرات الانضغاط للسوائل ذات السرعات العالية (انظر رقم رينولدز )، هو الاختلاف المركزي بين أنظمة الديناميكا الهوائية فوق الصوتية وتحت الصوتية.

تدفق أسرع من الصوت

في الديناميكا الهوائية، السرعات فوق الصوتية هي سرعات تفوق سرعة الصوت بدرجة كبيرة. في سبعينيات القرن العشرين، أصبح المصطلح يشير عمومًا إلى سرعات تبلغ 5 ماخ (5 أضعاف سرعة الصوت) وما فوق. النظام فوق الصوتي هو جزء من النظام فوق الصوتي. يتميز التدفق فوق الصوتي بالتدفق عالي الحرارة خلف موجة صدمة، والتفاعل اللزج، والتفكك الكيميائي للغاز.

المصطلحات المرتبطة

أنواع مختلفة من تحليل التدفق حول الجناح:
  نظرية التدفق المحتمل
  نظرية تدفق الطبقة الحدودية
  تحليل الاستيقاظ المضطرب

تنتج أنظمة التدفق غير القابلة للضغط والقابلة للضغط العديد من الظواهر المصاحبة، مثل طبقات الحدود والاضطراب.

طبقات الحدود

إن مفهوم الطبقة الحدودية مهم في العديد من المشاكل في الديناميكا الهوائية. حيث يتم تقريب اللزوجة واحتكاك السوائل في الهواء على أنهما مهمان فقط في هذه الطبقة الرقيقة. وهذا الافتراض يجعل وصف مثل هذه الديناميكا الهوائية أكثر قابلية للحل رياضيًا.

اضطراب

في الديناميكا الهوائية، تتميز الاضطرابات بتغيرات فوضوية في خصائص التدفق. وتشمل هذه الانتشار المنخفض للزخم، والحمل الحراري العالي الزخم، والتغير السريع في الضغط وسرعة التدفق في المكان والزمان. يسمى التدفق غير المضطرب بالتدفق الصفحي .

الديناميكا الهوائية في مجالات أخرى

التصميم الهندسي

الديناميكا الهوائية هي عنصر مهم في تصميم المركبات ، بما في ذلك السيارات والشاحنات على الطرق حيث يكون الهدف الرئيسي هو تقليل معامل سحب المركبة ، وسيارات السباق ، حيث يكون الهدف بالإضافة إلى تقليل السحب هو أيضًا زيادة المستوى الإجمالي للقوة السفلية . [21] الديناميكا الهوائية مهمة أيضًا في التنبؤ بالقوى والعزمات المؤثرة على السفن الشراعية . يتم استخدامه في تصميم المكونات الميكانيكية مثل رؤوس محركات الأقراص الصلبة . يلجأ المهندسون الإنشائيون إلى الديناميكا الهوائية، وخاصة المرونة الهوائية ، عند حساب أحمال الرياح في تصميم المباني الكبيرة والجسور وطواحين الهواء .

تعتبر الديناميكية الهوائية للممرات الداخلية مهمة في التدفئة والتهوية ، وأنابيب الغاز ، وفي محركات السيارات حيث تؤثر أنماط التدفق التفصيلية بشدة على أداء المحرك.

التصميم البيئي

يدرس مخططو المدن والمصممون الديناميكية الهوائية الحضرية بهدف تحسين المرافق في المساحات الخارجية، أو خلق مناخات حضرية محلية للحد من آثار التلوث الحضري. يصف مجال الديناميكية الهوائية البيئية الطرق التي تؤثر بها الدورة الجوية وميكانيكا الطيران على النظم البيئية.

يتم استخدام المعادلات الديناميكية الهوائية في التنبؤ العددي بالطقس .

التحكم بالكرة في الرياضة

تشمل الرياضات التي تكون فيها الديناميكا الهوائية ذات أهمية حاسمة كرة القدم ، وتنس الطاولة ، وكرة الكريكيت ، وكرة القاعدة ، والجولف ، حيث يستطيع معظم اللاعبين التحكم في مسار الكرة باستخدام " تأثير ماغنوس ".

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ Wragg, David W. (1974). A Dictionary of Aviation (الطبعة الأمريكية الأولى). نيويورك: Frederick Fell, Inc. ص 8. ISBN 0-85045-163-9.
  2. ^ "كيف ألهم اللقلق الإنسان على الطيران". flyingmag.com.[ رابط ميت دائم ]
  3. ^ "بدايات طاقة الرياح (1000 قبل الميلاد – 1300 بعد الميلاد) تاريخ مصور لتطور طاقة الرياح". Telosnet.com. مؤرشف من الأصل في 2010-12-02 . تم الاسترجاع في 2011-08-24 .
  4. ^ برلينر، دون (1997). الطيران: الوصول إلى السماء. دار أوليفر للنشر، ص 128. رقم ISBN 1-881508-33-1.
  5. ^ أوفيد؛ جريجوري، هـ. (2001). التحولات . سيجنت كلاسيكس. رقم ISBN 0-451-52793-3. OCLC  45393471.
  6. ^ abc Anderson, John David (1997). تاريخ الديناميكا الهوائية وتأثيرها على الآلات الطائرة . نيويورك، نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-45435-2.
  7. ^ نيوتن الأول (1726). الفلسفة الطبيعية المبادئ الرياضية، الكتاب الثاني .
  8. ^ "Hydrodynamica". موسوعة بريتانيكا الإلكترونية . تم الاسترجاع في 30 أكتوبر 2008 .
  9. ^ نافيير، CLMH (1827). "Memoire Sur les Lois du Mouvement des Fluides". مذكرات أكاديمية العلوم . 6 : 389-440.
  10. ^ ستوكس، ج. (1845). "حول نظريات الاحتكاك الداخلي للسوائل المتحركة". معاملات جمعية كامبريدج الفلسفية . 8 : 287-305.
  11. ^ "US Centennial of Flight Commission – Sir George Cayley". مؤرشف من الأصل في 20 سبتمبر 2008 . تم الاسترجاع 2008-09-10 . يُطلق أحيانًا على السير جورج كايلي، الذي ولد عام 1773، لقب أبو الطيران. كان رائدًا في مجاله، وكان أول من حدد القوى الديناميكية الهوائية الأربع للطيران - الوزن والرفع والسحب والدفع وعلاقتها. كان أيضًا أول من بنى طائرة شراعية ناجحة تحمل إنسانًا. وصف كايلي العديد من مفاهيم وعناصر الطائرة الحديثة وكان أول من فهم وشرح مفاهيم الرفع والدفع من الناحية الهندسية.
  12. ^ كايلي، جورج . "حول الملاحة الجوية" الجزء الأول محفوظ في 11 مايو 2013 على موقع واي باك مشين ، الجزء الثاني محفوظ في 11 مايو 2013 على موقع واي باك مشين ، الجزء الثالث محفوظ في 11 مايو 2013 على موقع واي باك مشين مجلة نيكلسون للفلسفة الطبيعية ، 1809-1810. (عبر وكالة ناسا ). نص خام. تم الاسترجاع: 30 مايو 2010.
  13. ^ دالمبرت، ج. (1752). مقالة عن نظرية جديدة لمقاومة السوائل .
  14. ^ كيرشوف، ج. (1869). "Zur Theorie freier Flussigkeitsstrahlen". Journal für die reine und angewandte Mathematik . 1869 (70): 289-298. دوى :10.1515/crll.1869.70.289. S2CID  120541431.
  15. ^ رايلي، لورد (1876). "حول مقاومة السوائل". المجلة الفلسفية . 2 (13): 430-441. doi :10.1080/14786447608639132.
  16. ^ رينارد ، سي. (1889). “تجارب جديدة حول مقاومة الهواء”. لايرونوت . 22 : 73-81.
  17. ^ Lanchester, FW (1907). الديناميكا الهوائية.
  18. ^ براندتل ، إل. (1919). تراجفلوجيلثيوري . غوتنغر ناخريشتن، الرياضيات الفيزيائية كلاس، 451-477.
  19. ^ أكيريت، ج. (1925). "Luftkrafte auf Flugel، die mit dergroser أيضا Schallgeschwindigkeit bewegt werden". Zeitschrift für Flugtechnik und Motorluftschiffahrt . 16 : 72-74.
  20. ^ "فهم الديناميكا الهوائية: الجدال من الفيزياء الحقيقية" دوج ماكلين جون وايلي وأولاده، 2012 الفصل 3.2 "العلاقات الرئيسية التي تتألف منها معادلات NS هي قوانين الحفاظ الأساسية للكتلة والزخم والطاقة. للحصول على مجموعة معادلات كاملة، نحتاج أيضًا إلى معادلة حالة تتعلق بدرجة الحرارة والضغط والكثافة..." https://play.google.com/books/reader?id=_DJuEgpmdr8C&printsec=frontcover&pg=GBS.PA191.w.0.0.0.151
  21. ^ ab Katz, Joseph (1991). الديناميكا الهوائية منخفضة السرعة: من نظرية الجناح إلى أساليب الألواح . سلسلة ماكجرو هيل في الهندسة الجوية والفضائية. نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 0-07-050446-6. OCLC  21593499.

قراءة إضافية

الديناميكا الهوائية العامة

  • أندرسون، جون د. (2007). أساسيات الديناميكا الهوائية (الطبعة الرابعة). ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-125408-3. OCLC  60589123.
  • بيرتين، جيه جيه؛ سميث، إم إل (2001). الديناميكا الهوائية للمهندسين (الطبعة الرابعة). برنتيس هول. رقم ISBN 0-13-064633-4. OCLC  47297603.
  • سميث، هيوبرت سي. (1991). دليل مصور للديناميكا الهوائية (الطبعة الثانية). ماكجرو هيل. رقم ISBN 0-8306-3901-2. OCLC  24319048.
  • كريج، جيل (2003). مقدمة في الديناميكا الهوائية . دار النشر ريجينراتيف. رقم ISBN 0-9646806-3-7. OCLC  53083897.

الديناميكا الهوائية دون الصوتية

  • كاتز، جوزيف؛ بلوتكين، ألين (2001). الديناميكا الهوائية منخفضة السرعة (الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 0-521-66552-3. OCLC  43970751.
  • أوبرت، إد (2009). التصميم الديناميكي الهوائي للطائرات النقلية في كتب جوجل . دلفت؛ حول الديناميكا الهوائية العملية في الصناعة وتأثيراتها على تصميم الطائرات. رقم ISBN 978-1-58603-970-7 . 

الديناميكا الهوائية فوق الصوتية

  • مولدن، تريفور هـ. (1990). أساسيات التدفق فوق الصوتي . دار نشر كريجر. رقم ISBN 0-89464-441-6. OCLC  20594163.
  • كول، جوليان د؛ كوك، ل. باميلا (1986). الديناميكا الهوائية فوق الصوتية . شمال هولندا. رقم ISBN 0-444-87958-7. OCLC  13094084.

الديناميكا الهوائية فوق الصوتية

  • فيري، أنطونيو (2005). عناصر الديناميكا الهوائية للتدفقات فوق الصوتية (طبعة فينيكس). منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-44280-2. OCLC  58043501.
  • شابيرو، آشر هـ. (1953). ديناميكيات وديناميكا حرارية لتدفق السوائل القابلة للضغط، المجلد 1. رونالد برس. رقم ISBN 978-0-471-06691-0. OCLC  11404735.
  • أندرسون، جون د. (2004). التدفق القابل للضغط الحديث . ماكجرو هيل. ISBN 0-07-124136-1. OCLC  71626491.
  • Liepmann, HW ; Roshko, A. (2002). Elements of Gasdynamics . Dover Publications. ISBN 0-486-41963-0. OCLC  47838319.
  • فون ميزس، ريتشارد (2004). النظرية الرياضية لتدفق السوائل القابلة للضغط . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-43941-0. OCLC  56033096.
  • هودج، بي كيه؛ كونيغ كيه. (1995). ديناميكيات السوائل القابلة للضغط مع تطبيقات الحاسب الشخصي . برنتيس هول. رقم ISBN 0-13-308552-X. OCLC  31662199.

الديناميكا الهوائية فوق الصوتية

تاريخ الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائية المرتبطة بالهندسة

المركبات الأرضية

  • كاتز، جوزيف (1995). ديناميكا الهواء في سيارات السباق: التصميم من أجل السرعة . دار نشر بنتلي. رقم ISBN 0-8376-0142-8. OCLC  181644146.
  • برنارد، ر.ه. (2001). التصميم الديناميكي الهوائي لمركبات الطرق (الطبعة الثانية). ميكايرو للنشر. رقم ISBN 0-9540734-0-1. OCLC  47868546.

طائرة ذات أجنحة ثابتة

  • أشلي، هولت؛ لاندال، مارتن (1985). الديناميكا الهوائية للأجنحة والأجسام (الطبعة الثانية). منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-64899-0. OCLC  12021729.
  • أبوت، إيرا هـ.؛ فون دونهوف، إيه إي (1959). نظرية أقسام الجناح: بما في ذلك ملخص لبيانات الجناح . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-60586-8. OCLC  171142119.
  • كلانسي، إل جيه (1975). الديناميكا الهوائية . دار النشر بيتمان المحدودة. رقم ISBN 0-273-01120-0. OCLC  16420565.

طائرات الهليكوبتر

  • Leishman, J. Gordon (2006). Principles of Helicopter Aerodynamics (الطبعة الثانية). Cambridge University Press. ISBN 0-521-85860-7. OCLC  224565656.
  • بروتي، رايموند دبليو. (2001). أداء المروحية واستقرارها والتحكم فيها . دار نشر كريجر. رقم ISBN 1-57524-209-5. OCLC  212379050.
  • سيدون، جيه؛ نيومان، سيمون (2001). ديناميكا هوائية أساسية للمروحيات: شرح للمبادئ الأولى في ميكانيكا الموائع وديناميكيات الطيران للمروحيات ذات الدوار الواحد . AIAA. ISBN 1-56347-510-3. OCLC  47623950.

الصواريخ

  • نيلسون، جاك ن. (1988). ديناميكا هوائية للصواريخ . AIAA. ISBN 0-9620629-0-1. OCLC  17981448.

نموذج طائرة

  • سيمونز، مارتن (1999). ديناميكا الهواء للطائرات النموذجية (الطبعة الرابعة). ترانس-أتلانتيك بابليكيشنز، إنك. رقم ISBN 1-85486-190-5. OCLC  43634314.

الفروع ذات الصلة بالديناميكا الهوائية

الديناميكا الحرارية الهوائية

  • هيرشيل، إرنست هـ. (2004). أساسيات الديناميكا الحرارية الهوائية . سبرينغر. رقم ISBN 3-540-22132-8. OCLC  228383296.
  • بيرتين، جون ج. (1993). الديناميكا الحرارية الجوية فوق الصوتية . AIAA. ISBN 1-56347-036-5. OCLC  28422796.

المرونة الهوائية

  • بيسبلينغهوف، ريموند L.؛ اشلي، هولت. هالفمان، روبرت ل. (1996). المرونة الهوائية . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-69189-6. OCLC  34284560.
  • فونج، واي سي (2002). مقدمة لنظرية المرونة الهوائية (طبعة فينيكس). منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-49505-1. OCLC  55087733.

طبقات الحدود

  • يونغ، أ.د. (1989). طبقات الحدود . AIAA. ISBN 0-930403-57-6. OCLC  19981526.
  • روزنهيد، ل. (1988). طبقات الحدود الرقائقية . منشورات دوفر. رقم ISBN 0-486-65646-2. OCLC  17619090.

اضطراب

  • تينيكس، هـ .؛ لوملي، جيه إل (1972). دورة أولى في الاضطرابات . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. رقم ISBN 0-262-20019-8. OCLC  281992.
  • البابا، ستيفن ب. (2000). التدفقات المضطربة . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 0-521-59886-9. OCLC  174790280.
تحتوي ويكيميديا ​​كومنز على وسائط متعددة متعلقة بـ الديناميكا الهوائية .
  • دليل ناسا للديناميكا الهوائية. محفوظ في 2012-07-15 على موقع واي باك مشين .
  • الديناميكا الهوائية للطلاب
  • الديناميكا الهوائية للطيارين (أرشيف)
  • الديناميكا الهوائية وضبط سيارات السباق (أرشيف)
  • مشاريع متعلقة بالديناميكية الهوائية. مؤرشفة في 2018-12-13 على موقع واي باك مشين .
  • eFluids Bicycle Aerodynamics. أرشيف 2009-12-15 على موقع Wayback Machine .
  • تطبيق الديناميكا الهوائية في الفورمولا واحد (F1) (أرشيف)
  • الديناميكا الهوائية في سباقات السيارات. أرشيف 2009-12-06 على موقع واي باك مشين .
  • الديناميكا الهوائية للطيور. أرشيف 2010-03-24 على موقع واي باك مشين .
  • مؤشر ناسا للديناميكا الهوائية
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=الديناميكا الهوائية&oldid=1254877792"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate