درگ فشاری | هوافضای جوان

درگ فشاری

اثر کوآندا

acheon-coanda-1910-528x323

شکل (۱)

هواپیمایی که در شکل(۱) می بینید، ساخته فردی به نام کوآندا در سال ۱۹۱۰ست. ویژگی منحصر به فرد این هوایپما نسبت به هواپیماهای زمان خودش استفاده از موتور جت به جای موتور ملخیه. کوآندا زمانی که تست های این هواپیما رو انجام می داد متوجه شد که گاز داغ خروجی از موتور، خیلی نزدیک به بدنه که از جنس چوب بود، حرکت می کنه؛ در نتیجه مجبور شد شعله رو کمتر کنه تا آسیبی به هواپیما نرسه. اما مسلما این کار راه حلِ کاملی برای حل مشکل نبود. در نتیجه کوآندا و دانشمندان دیگه تلاش کردن علت تمایل گاز به حرکت روی بدنه رو پیدا کنند. همین تلاش ها باعث پیدا کردن قانونی به نام اثر کوآندا شد. توضیح این اثر به این صورته: سیالات، تمایل دارن به نزدیکترین سطحی که در کنارشون قرار داره بچسبند و به جای اینکه مسیر مستقیم اولیه ی خودشون رو دنبال کنند، هماهنگ با انحنای اون سطح حرکت می کنند.

فیلم (۱) نشون دهنده ی این اثره. همونطور که در فیلم پیداست گازهایی که در مجاورت سطح قرار ندارند یک مسیر مستقیم رو طی می کنند، اما گازهایی که در مجاورت سطح قرار دارند، به سطح چسبیده و انحنای اون رو دنبال می کنند. اثر کوآندا نتیجه ی لزج بودن سیالاته و هرچی لزجت سیال بیشتر باشه، این اثر بیشتر خودش رو نشون می ده.

 

اثر کوآندا کاربردهای زیادی در هوافضا داره. وقتی فلپ به سمت پایین حرکت می کنه، اثر کوآندا باعث می شه که هوا به جای اینکه به مسیر اولیش ادامه بده، در راستای جدیدِ تعیین شده به وسیله ی فلپ حرکت کنه و لیفت تولید کنه.

جدایش و واماندگی

فیلمی که آخر قسمت قبل قرار داده شده بود رو یادتون می یاد؟ قول داده بودم که اینجا علت سانحه رو با هم بررسی کنیم. اولین دلیلی که برای وقوع این سانحه به ذهن می رسه، خراب شدنِ موتورهاست. اما موضوع اینه که اگه موتورها خراب شده بودند، باید ابتدا سرعت حرکت هواپیما کم می شد، چون هواپیما به خاطر نیرویی که موتورها قبل از خراب شدن به اون وارد می کردند، شتاب داره و درنتیجه هواپیما انقدر ناگهانی سقوط نمی کرد. دلیل سقوط، پدیده ای به نام واماندگیه. این پدیده ی آیرودینامیکی موجب افت ناگهانی نیروی لیفت و افزایش ناگهانی نیروی درگ می شه. اما برای اینکه بفهمیم باعث افزایش کدوم نوع از نیروی درگ می شه، باید پدیده رو دقیق تر بررسی کنیم.

ایرفویل بال رو در نظر بگیرید که داره با زاویه حمله ی صفر حرکت می کنه، طبق اثر کوآندا و توضیحات مربوط به لایه مرزی سیال به سطح ایرفویل چسبیده و انحنای ایرفویل رو دنبال می کنه (شکل(۲)). فرض کنید خلبان تصمیم می گیره، سرعتش رو کم کنه و به دنبال اون برای تولید لیفت بیشتر مجبورِ زاویه ی حمله اش رو زیاد کنه. وقتی سرعت از حدی کمتر شد دیگه جریان نمی تونه انحنای ایرفویل رو دنبال کنه، در نتیجه از سطح جدا می شه. در ناحیه ی جدا شده، سیال دیگه حرکت منظم و رو به جلویی نداره و حتی جهت حرکتش تغییر می کنه و به صورت چرخشی در می یاد(فیلم(۱)). حالا اگه بازهم به افزایش زاویه حمله ادامه بدیم و ناحیه ی جدا شده بیشتر و بیشتر بشه، به خاطر بهم خوردن توزیع فشار روی ایرفویل لیفت به شدت افت می کنه، دیگه نمی تونه به جاذبه غلبه کنه و همون سانحه ای که تو فیلم دیدید اتفاق می یفته.

Untitled

شکل (۲)

 

درگ فشاری

حالا می رسیم به هدف اصلیِ این بخش یعنی توضیح درگ فشاری. درک درگ فشاری برایِ استوانه ای که در جریان قرار گرفته راحت تره پس اول با استوانه شروع می کنیم.

جریان ایده آل و غیرواقعی رو تصور کنید که در عین حال که لزجتی نداره( یعنی اصطکاک بین سطح استوانه و جریان صفره) به خاطر اثر کوآندایی که داره می تونه خیلی راحت منحنی ها رو دنبال کنه و از سطح جدا نشه. شکل (۳) نشون دهنده ی خطوطِ چنین جریانی روی استوانه ست. در این حالت هیچ نیرویی از طرف جریان به استوانه وارد نمی شه. چون از طرفی این جریان ایده آل لزجتی نداره که بخواد اصطکاکی بین سطح استوانه و جریان تولید کنه و از طرف دیگه فشار در سمت چپ و راست استوانه و بالا و پایین اون یکسانه.

300px-Potential_cylinder_svg

شکل (۳)

اما جریان ها در دنیای واقعی ایده آل نیستند و ممکنه از نقطه ای به بعد نتونند منحنی استوانه رو دنبال کنند و در نتیجه از سطح جدا می شوند . همونطور که تو شکل (۴) دیده می شه، و قبلا هم روی یک ایرفویل توضیح داده شد، در ناحیه ی جدا شده، جریان به صورت گردابه ای حرکت می کنه و فشار در اون ناحیه افت می کنه.

CylinderImage

شکل (۴)

 

در این حالت به غیر از نیروی درگی که به خاطر اصطکاک به استوانه وارد می شه، نیرویی هم به خاطر این توزیع فشار غیر یکنواخت به استوانه وارد می شه، که به اون درگ فشاری می گویند. یعنی جریانی که در سمت چپ استوانه قرار داره، به خاطر فشار بیشتر، نیرویی به سمت راست به استوانه وارد می کنه. هرچی لزجت جریان کمتر باشه، و یا سطح استوانه صاف ترباشه ناحیه ی جدا شده بزرگتر و درگ فشاری هم بیشتره. همین اتفاق ها برای یک ایرفویل هم می یفته، یعنی ناحیه ی جدا شده باعث می شه، توزیع فشارِ روی ایرفویل قبل از جدایش بهم بخوره و در نتیجه درگ فشاری تولید بشه. البته ایرفویل نسبت به استوانه در مقابل جدایش مقاوم تره. در واقع یکی از دلایلی که انتهای ایرفویل تیزه، اجتناب کردن از جدایشه.

درگ اصطکاکی، یا درگ فشاری؟ مسئله این است!

گفتیم هر چی سطح صاف تر باشه، باعث می شه درگ فشاری افزایش و درگ اصطکاکی کاهش پیدا کنه. حالا، به عنوان یه طراح، فکر می کنید اگه سطح ایرفویل رو زبرتر طراحی کنیم بهتره یا صاف تر؟ گفتیم شکل ایرفویل( که یک جسم باریکه) بر عکس استوانه( که یک جسم پخه) طوری طراحی شده که درگ فشاری کمی تولید کنه در نتیجه سهم درگ اصطکاکی تولید شده توسط ایرفویل بیشتر از درگ فشاریشه. پس باید سعی کنیم که درگ اصطکاکی رو هم پایین بیاریم و در نتیجه باید تا می تونیم، سطح رو صاف طراحی کنیم. در توپ گلف که جسم پخ محسوب می شه، درگ فشاری قسمت زیادی از درگ رو تشکیل می ده در نتیجه با زبر کردن سطح اون سعی می کنند، جدایش رو به تعویق انداخته و در نتیجه درگ فشاری رو کم کنند. شکل(۵) این موضوع رو نشون می ده. برای توپ بالایی که سطح صافی داره، جدایش زودتر اتفاق افتاده و ناحیه ی جدا شده بزرگتره، اما برای توپ دوم که سطح زبری داره، جدایش دیرتر اتفاق افتاده و در نتیجه ناحیه ی جداشده کوچکتر و درگ فشاری کمتره.

sphere-flow-comparison

شکل (۵)

 

تا حالا عبارت ” دیوار صوتی” شنیدید؟ یا “شکستن دیوار صوتی”؟ منظور از این عبارت چیه؟ تو قسمت بعدی، یکی از انواع درگ به نام درگ موجی و ارتباط اون با دیوار صوتی رو با هم بررسی می کنیم.

 

 

 


6 دیدگاه در ”درگ فشاری

  • ۲۵ شهریور ۱۳۹۴ در ۵:۲۱ ب.ظ
    پیوند یکتا

    سسلا.سایت جالبی دارید.
    درس قشنگی شده, این حرف هایی که میزنید توی آب هم ایجاد میشه؟ مثل اثر کوآندا و….

    فکر خوبی هست که توی سایت یه دیکشنری تصویری برای سایت درست کنید؟ مثلا درگ فشاری در یه خط,درگ موجی در یه خط, مداومت پروازی در یه خط و….. و همشون یه تصویر راهنما داشته باشن.

    ممنون

    پاسخ
    • ۲۸ شهریور ۱۳۹۴ در ۶:۵۳ ق.ظ
      پیوند یکتا

      ممنون:)
      بله، اثر کوآندا یا درگ در مورد آب (و بقیه ی سیالات) هم صدق می کنه.
      حتما از نظراتتون استفاده می کنیم، ممنون:)

      پاسخ
  • ۲۹ شهریور ۱۳۹۴ در ۵:۲۶ ق.ظ
    پیوند یکتا

    خیلی درس قشنگی شده , دوستش دارم.ممنونم

    پاسخ
    • ۳۰ شهریور ۱۳۹۴ در ۱۲:۴۶ ب.ظ
      پیوند یکتا

      نظر لطفتونه.
      خواهش می کنم:)

      پاسخ
  • ۱۰ بهمن ۱۳۹۴ در ۱۲:۰۲ ب.ظ
    پیوند یکتا

    خیلی عالی و روان بود….خیلی ممنون….

    پاسخ
    • ۱۱ بهمن ۱۳۹۴ در ۱۱:۱۱ ق.ظ
      پیوند یکتا

      خوشحالم که خوشتون اومده. خواهش می کنم:)

      پاسخ

پاسخ دهید

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

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.