معامل السحب

في ديناميكا الموائع ، معامل السحب (يُشار إليه عادةً بـ:،أومعامل السحب (D) هو كمية لا بُعدية تُستخدم لتحديد مقدار السحب أو المقاومة التي يتعرض لها جسم ما في بيئة سائلة، مثل الهواء أو الماء. يُستخدم هذا المعامل في معادلة السحب ، حيث يشير انخفاض معامل السحب إلى انخفاض السحب الديناميكي الهوائي أو الهيدروديناميكي للجسم. ويرتبط معامل السحب دائمًا بمساحة سطح محددة. [ 3 ]
يشمل معامل السحب لأي جسم تأثيرات عاملين أساسيين في السحب الديناميكي للسوائل : الاحتكاك السطحي والسحب الناتج عن الشكل . كما يشمل معامل السحب لجناح هوائي أو مائي رافع تأثيرات السحب الناتج عن الرفع . [ 4 ] [ 5 ] ويشمل معامل السحب لهيكل كامل، مثل طائرة، تأثيرات السحب الناتج عن التداخل. [ 6 ] [ 7 ]
تعريف

معامل السحبيُعرَّف بأنه
أين:
- هي قوة السحب ، والتي هي بحكم تعريفها مركبة القوة في اتجاه سرعة التدفق ؛ [ 9 ]
- هي كثافة كتلة السائل؛ [ 10 ]
- هي سرعة تدفق الجسم بالنسبة للسائل؛
- هي المنطقة المرجعية
تعتمد مساحة المرجع على نوع معامل السحب الذي يتم قياسه. بالنسبة للسيارات والعديد من الأجسام الأخرى، فإن مساحة المرجع هي المساحة الأمامية المسقطة للمركبة. وقد لا تكون هذه المساحة هي مساحة المقطع العرضي للمركبة، وذلك بحسب مكان قياس المقطع العرضي. على سبيل المثال، بالنسبة للكرة(لاحظ أن هذه ليست مساحة السطح =).
بالنسبة للأجنحة الهوائية ، تُعتبر مساحة الجناح الاسمية هي المساحة المرجعية. وبما أن هذه المساحة تميل إلى أن تكون كبيرة مقارنةً بالمساحة الأمامية، فإن معاملات السحب الناتجة تميل إلى أن تكون منخفضة، وأقل بكثير من تلك الخاصة بسيارة لها نفس السحب والمساحة الأمامية والسرعة.
تستخدم المناطيد وبعض الأجسام الدورانية معامل السحب الحجمي، حيث تكون مساحة السطح المرجعية هي مربع الجذر التكعيبي لحجم المنطاد (الحجم مرفوعًا للأس 23). أما الأجسام الانسيابية المغمورة فتستخدم مساحة السطح المبلل.
جسمان لهما نفس مساحة السطح ويتحركان بنفس السرعة في سائل يتعرضان لقوى سحب تتناسب مع معاملات السحب الخاصة بكل منهما. قد تكون معاملات السحب للأجسام غير الانسيابية 1 أو أكثر، بينما تكون أقل بكثير للأجسام الانسيابية.
للتنبيه، تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن التعريف المذكور أعلاه هو التعريف التقليدي لمعامل السحب، إلا أن هناك تعريفات أخرى قد تُصادف في المراجع العلمية. والسبب في ذلك هو أن التعريف التقليدي يكون أكثر منطقية في نظام نيوتن، كما هو الحال عند أرقام رينولدز العالية، حيث يكون من المعقول قياس السحب وفقًا لتدفق الزخم عبر المساحة الأمامية للجسم. مع ذلك، توجد أنظمة تدفق أخرى؛ لا سيما عند أرقام رينولدز المنخفضة جدًا، حيث يكون من الأنسب كتابة قوة السحب على أنها تتناسب مع معامل السحب مضروبًا في سرعة الجسم (بدلًا من مربع سرعة الجسم). ومن أمثلة هذا النظام دراسة حركة جزيئات الهباء الجوي، مثل جزيئات الدخان. وهذا بدوره يؤدي إلى تعريف رسمي مختلف لـ "معامل السحب".
معادلة كوشي للزخم
في الصيغة غير البعدية لمعادلة كوشي للزخم، يُشار إلى معامل السحب السطحي أو معامل الاحتكاك السطحي بالمساحة المستعرضة (المساحة العمودية على قوة السحب)، لذلك يتم تعريف المعامل محليًا على النحو التالي:
أين:
- هو إجهاد القص المحلي ، وهو بحكم التعريف مكون الإجهاد في اتجاه سرعة التدفق المحلي ؛ [ 11 ]
- هو الضغط الديناميكي المحلي للسائل
- هي الكثافة الكتلية المحلية للسائل؛ [ 12 ]
- هي سرعة التدفق المحلية للسائل
خلفية

معادلة السحب
هي في جوهرها عبارة تنص على أن قوة السحب المؤثرة على أي جسم تتناسب طرديًا مع كثافة السائل، وتتناسب طرديًا مع مربع سرعة التدفق النسبية بين الجسم والسائل. عاملوينتج ذلك عن الضغط الديناميكي للسائل، والذي يساوي كثافة الطاقة الحركية.
قيمةلا يُعدّ ثابتًا، بل يتغير تبعًا لسرعة التدفق واتجاهه وموقع الجسم وحجمه وكثافة السائل ولزوجته . وتُدمج السرعة واللزوجة الحركية وطول مميز للجسم في كمية لا بُعدية تُسمى عدد رينولدز..وبالتالي فهي دالة لـفي التدفق القابل للانضغاط، تُعد سرعة الصوت ذات أهمية، ووهي أيضاً دالة لعدد ماخ.
بالنسبة لأشكال معينة من الأجسام، يكون معامل السحبيعتمد فقط على رقم رينولدزرقم ماخواتجاه التدفق. بالنسبة لأرقام ماخ المنخفضةمعامل السحب مستقل عن عدد ماخ. كما أنه لا يتغير بتغير عدد رينولدز.يكون معامل السحب عادةً صغيرًا ضمن نطاق عملي ذي أهمية، بينما يكون اتجاه التدفق الوارد متماثلًا تقريبًا بالنسبة للسيارات على الطرق السريعة والطائرات على سرعة الطيران. لذلك، يكون معامل السحبيمكن في كثير من الأحيان التعامل معها كثابت. [ 13 ]
لتحقيق معامل سحب منخفض لجسم انسيابي، يجب أن تبقى الطبقة الحدية المحيطة بالجسم ملتصقة بسطحه لأطول فترة ممكنة، مما يؤدي إلى منطقة اضطراب ضيقة. أما معامل السحب العالي فيؤدي إلى منطقة اضطراب واسعة. وتتحول الطبقة الحدية من انسيابية إلى مضطربة إذا كان عدد رينولدز للتدفق حول الجسم مرتفعًا بدرجة كافية. وتساهم السرعات العالية، والأجسام الأكبر حجمًا، واللزوجة المنخفضة في زيادة عدد رينولدز. [ 14 ]

أما بالنسبة للأجسام الأخرى، مثل الجسيمات الصغيرة، فلا يمكن اعتبار معامل السحبثابت، ولكنه بالتأكيد دالة لعدد رينولدز. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] عند عدد رينولدز منخفض، لا يتحول التدفق حول الجسم إلى تدفق مضطرب، بل يبقى انسيابيًا، حتى النقطة التي ينفصل عندها عن سطح الجسم. عند أعداد رينولدز منخفضة جدًا، وبدون انفصال التدفق، تكون قوة السحبيتناسب معبدلاً منبالنسبة للكرة، يُعرف هذا بقانون ستوكس . سيكون رقم رينولدز منخفضًا للأجسام الصغيرة، والسرعات المنخفضة، والسوائل عالية اللزوجة. [ 14 ]
أتُساوي القيمة 1 في حالة توقف جميع السوائل المقتربة من الجسم، مما يؤدي إلى تراكم ضغط الركود على كامل السطح الأمامي. يُظهر الشكل العلوي صفيحة مسطحة يتدفق إليها السائل من اليمين ويتوقف عندها. يُظهر الرسم البياني على يساره تساوي الضغط على كامل السطح. في صفيحة مسطحة حقيقية، يجب أن ينعطف السائل حول الجوانب، ولا يوجد ضغط الركود الكامل إلا في المركز، ويتناقص باتجاه الحواف كما في الشكل والرسم البياني السفليين. عند النظر إلى الجانب الأمامي فقط،سيكون معامل الامتصاص للوحة مسطحة حقيقية أقل من 1؛ باستثناء أنه سيكون هناك شفط على الجانب الخلفي: ضغط سلبي (مقارنة بالضغط المحيط). الإجماليغالبًا ما يُعطى معامل الانفعال للوحة مربعة مسطحة حقيقية عمودية على التدفق بقيمة 1.17. أنماط التدفق، وبالتاليبالنسبة لبعض الأشكال، يمكن أن تتغير بتغير رقم رينولدز وخشونة الأسطح.
أمثلة على معامل السحب
عام
على العموم،لا يُعدّ ثابتًا مطلقًا لشكل جسم معين، بل يتغير بتغير سرعة تدفق الهواء (أو بشكل عام بتغير رقم رينولدز).على سبيل المثال، الكرة الملساء لهايتراوح هذا من قيم عالية للجريان الصفائحي إلى 0.47 للجريان المضطرب . على الرغم من أن معامل السحب ينخفض مع زيادةتزداد قوة السحب.
| البند [ 18 ] | |
|---|---|
| 0.001 | صفيحة مسطحة ذات تدفق صفائحي موازية للتدفق () |
| 0.005 | صفيحة مسطحة مضطربة موازية للتدفق () |
| 0.1 | كرة ملساء () |
| 0.47 | كرة خشنة () |
| 0.81 | شبه منحرف مثلث (45 درجة) |
| 0.9-1.7 | شبه منحرف ذو قاعدة مثلثة (45 درجة) |
| 0.295 | رصاصة (ليست ذات شكل مخروطي ، بسرعة دون سرعة الصوت) |
| 1.0–1.1 | المتزحلق |
| 1.0–1.3 | الأسلاك والكابلات |
| 1.0–1.3 | إنسان بالغ (في وضعية الوقوف) |
| 1.1-1.3 | متزلج القفز [ 19 ] |
| 1.28 | صفيحة مسطحة عمودية على التدفق (ثلاثي الأبعاد) [ 20 ] |
| 1.3–1.5 | مبنى إمباير ستيت |
| 1.8–2.0 | برج إيفل |
| 1.98–2.05 | صفيحة مسطحة طويلة عمودية على التدفق (ثنائي الأبعاد) |
الطائرات
كما ذكر أعلاه، تستخدم الطائرات مساحة جناحها كمساحة مرجعية عند إجراء الحساباتبينما تستخدم السيارات (والعديد من الأجسام الأخرى) المساحة الأمامية المسقطة؛ لذا، لا يمكن مقارنة معاملات السحب مباشرةً بين هاتين الفئتين من المركبات. في صناعة الطيران، يُعبّر عن معامل السحب أحيانًا بوحدات السحب، حيث 1 وحدة سحب = 0.0001 من[ 21 ]
| ج د | عدد عمليات السحب | نوع الطائرة [ 22 ] |
|---|---|---|
| 0.021 | 210 | إف-4 فانتوم 2 (دون سرعة الصوت) |
| 0.022 | 220 | ليرجيت 24 |
| 0.024 | 240 | بوينغ 787 [ 23 ] |
| 0.0265 | 265 | إيرباص A380 [ 24 ] |
| 0.027 | 270 | سيسنا 172 / 182 |
| 0.027 | 270 | سيسنا 310 |
| 0.031 | 310 | بوينغ 747 |
| 0.044 | 440 | إف-4 فانتوم 2 (أسرع من الصوت) |
| 0.048 | 480 | مقاتلة إف-104 ستارفايتر |
سيارة
انسيابية وسلسة في حركة الجسم
مفهوم
لا تنتقل القوة بين سائل وجسم، عند وجود حركة نسبية، إلا عن طريق الضغط العمودي وإجهادات الاحتكاك المماسية. لذا، بالنسبة للجسم ككل، يتكون جزء السحب من القوة، المتوافق مع حركة السائل المقترب، من سحب الاحتكاك (السحب اللزج) وسحب الضغط (سحب الشكل). ويمكن ربط قوة السحب الكلية وقوى السحب المكونة لها كما يلي:
أين:
- هي مساحة سطح الجسم،
- هي المنطقة المبللة من الجسم،
- هو معامل مقاومة الضغط ،
- هو معامل الاحتكاك ،
- يمثل الضغط بعيدًا عن الجسم (لاحظ أن هذا الثابت لا يؤثر على النتيجة النهائية).
- يمثل الضغط عند السطح d S ،
- هو متجه الوحدة في اتجاه التدفق الحر
- هو متجه الوحدة في الاتجاه العمودي على سطح الجسم d S ، ويشير من السائل إلى الجسم الصلب،
- يمثل متجه الوحدة في اتجاه إجهاد القص المؤثر على سطح الجسم d S ،
- يمثل مقدار إجهاد القص المؤثر على سطح الجسم d S ،
لذا، عندما يهيمن الاحتكاك على مقاومة الهواء، يُطلق على الجسم اسم الجسم الانسيابي ، بينما في حالة هيمنة مقاومة الضغط، يُطلق عليه اسم الجسم غير الانسيابي . وبالتالي، يُحدد شكل الجسم وزاوية الهجوم نوع مقاومة الهواء. على سبيل المثال، يُعتبر الجنيح جسمًا بزاوية هجوم صغيرة بالنسبة للمائع المتدفق عليه. وهذا يعني وجود طبقات حدية متصلة به ، مما يُنتج مقاومة ضغط أقل بكثير. وتكون منطقة الاضطراب الناتجة صغيرة جدًا، وتهيمن مقاومة الاحتكاك. لذلك، يُوصف هذا الجسم (الجنيح هنا) بأنه انسيابي، بينما بالنسبة للأجسام ذات تدفق المائع بزوايا هجوم عالية، يحدث انفصال في الطبقة الحدية. ويحدث هذا بشكل رئيسي بسبب تدرجات الضغط المعاكسة في الجزء العلوي والخلفي من الجنيح .

نتيجةً لذلك، تتشكل دوامات هوائية، مما يؤدي إلى تكوّن دوامات هوائية أخرى وفقدان الضغط بسبب مقاومة الضغط. في مثل هذه الحالات، يكون سطح الجناح في حالة توقف ، وتكون مقاومة الضغط أعلى من مقاومة الاحتكاك. في هذه الحالة، يُوصف الجسم بأنه جسم غير انسيابي.
يشبه الجسم الانسيابي سمكة ( مثل التونة ) أو طائر الأوربيسا ، أو جناح طائرة بزاوية هجوم صغيرة، بينما يشبه الجسم غير الانسيابي الطوبة أو الأسطوانة أو جناح طائرة بزاوية هجوم كبيرة. وبالنسبة لمساحة أمامية وسرعة محددتين، يكون للجسم الانسيابي مقاومة أقل من الجسم غير الانسيابي. وتُعتبر الأسطوانات والكرات أجسامًا غير انسيابية لأن مقاومة الهواء يهيمن عليها مُركِّب الضغط في منطقة الدوامة عند أرقام رينولدز العالية .
لتقليل هذا الاحتكاك، يمكن إما تقليل انفصال التدفق أو تقليل مساحة السطح الملامسة للسائل (لتقليل الاحتكاك). هذا التقليل ضروري في أجهزة مثل السيارات والدراجات الهوائية وغيرها لتجنب الاهتزازات والضوضاء.
انظر أيضاً
ملحوظات
- ↑ بيكر، دبليو إي (1983). مخاطر الانفجار وتقييمها، المجلد 5. إلسيفير ساينس. ISBN 978-0-444-59988-9.
- ↑ آرونيس، أنطون ستاد (2014). الاستجابة الديناميكية لهياكل الصلب لأنابيب الرفوف لأحمال الانفجار (ملف PDF) . جامعة تشالمرز للتكنولوجيا.
- ↑ ماكورميك، بارنز و. (1979). الديناميكا الهوائية، وعلم الطيران، وميكانيكا الطيران . نيويورك: جون وايلي وأولاده، ص 24. ISBN 0-471-03032-5.
- ↑ كلانسي، إل جيه (1975). "5.18". الديناميكا الهوائية . وايلي. ISBN 978-0-470-15837-1.
- ↑ أبوت، إيرا هـ. ، وفون دونهوف، ألبرت إي.: نظرية مقاطع الأجنحة . القسمان 1.2 و1.3
- ↑ "معادلة السحب الحديثة" . Wright.nasa.gov. 25-03-2010. مؤرشف من الأصل في 02-03-2011 . تم الاطلاع عليه في 07-12-2010 .
- ↑ كلانسي، إل جيه: الديناميكا الهوائية . القسم 11.17
- ↑ هورنر، سيغارد ف. (1965). السحب الديناميكي المائع : معلومات عملية عن السحب الديناميكي الهوائي والمقاومة الهيدروديناميكية ( الطبعة الثانية). ص 3-17.
- ↑ انظر إلى قوة الرفع والاهتزاز الناتج عن الدوامات لمعرفة مكونات القوة المحتملة المتعامدة مع اتجاه التدفق
- لاحظ أنه بالنسبة للغلاف الجوي للأرض ، يمكن إيجاد كثافة الهواء باستخدام الصيغة البارومترية . تبلغ كثافة الهواء 1.293 كجم/م³ عند درجة حرارة 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) وضغط جوي واحد.
- ↑ انظر إلى قوة الرفع والاهتزاز الناتج عن الدوامات لمعرفة مكونات القوة المحتملة المتعامدة مع اتجاه التدفق
- لاحظ أنه بالنسبة للغلاف الجوي للأرض ، يمكن إيجاد كثافة الهواء باستخدام الصيغة البارومترية . تبلغ كثافة الهواء 1.293 كجم/م³ عند درجة حرارة 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) وضغط جوي واحد.
- ↑ كلانسي، إل جيه: الديناميكا الهوائية . القسمان 4.15 و5.4
- 1 2 كلانسي، إل جيه: الديناميكا الهوائية . القسم 4.17
- ↑ كليفت ر.، جريس جيه آر، ويبر إم إي: الفقاعات والقطرات والجسيمات . أكاديميك برس نيويورك (1978).
- ↑ برينز سي إل: تكنولوجيا المساحيق . 67، 1991، 87-91.
- ↑ حيدر أ.، ليفينسبيل أ.: تكنولوجيا المساحيق . 58، 1989، 63-70.
- ↑ الأشكال
- ↑ "معامل السحب" . Engineeringtoolbox.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 4 ديسمبر 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 ديسمبر 2010 .
- ↑ "تأثيرات الشكل على مقاومة الهواء" . ناسا. مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 فبراير 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 مارس 2013 .
- ↑ باشا، وا وغالي، و.س، "التنبؤ بالسحب في التدفق الانتقالي فوق الأجنحة"، مجلة الطائرات، المجلد 44، 2007، ص. 824-32.
- ↑ "اسألنا - معامل السحب ونظرية خط الرفع" . Aerospaceweb.org. 11-07-2004 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 07-12-2010 .
- ↑ "بوينغ 787 دريملاينر : تحليل" . Lissys.demon.co.uk. 21-06-2006. مؤرشف من الأصل بتاريخ 13-08-2010 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 07-12-2010 .
- ↑ "إيرباص A380" (ملف PDF) . 2005-05-02. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2015-09-23 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2014-10-06 .
مراجع
- إل جيه كلانسي (1975): الديناميكا الهوائية . دار بيتمان للنشر المحدودة، لندن، رقم ISBN 0-273-01120-0
- أبوت، إيرا هـ.، وفون دوينهوف، ألبرت إي. (1959): نظرية مقاطع الأجنحة . منشورات دوفر، نيويورك، رقم الكتاب القياسي 486-60586-8
- هورنر، د. سيغارد ف.، السحب الديناميكي للسوائل، هورنر ديناميكا الموائع، بريكتاون، نيو جيرسي، 1965.
- الجسم الخادع: http://user.engineering.uiowa.edu/~me_160/lecture_notes/Bluff%20Body2.pdf
- تأثير الأجسام غير الحادة والأجسام الانسيابية: http://www.princeton.edu/~asmits/Bicycle_web/blunt.html
- هوتشو، دبليو إتش، جانسن، إل جيه، إيملمان، إتش جيه 6 (1975): تحسين تفاصيل الجسم - طريقة لتقليل السحب الديناميكي الهوائي . SAE 760185.
- مقاومة الهواء (الفيزياء)
- هندسة الطيران والفضاء
- الأرقام اللابعدية في ميكانيكا الموائع
