A drag válság a test (3D vagy 2D) egy nagyon counterintuitive jelenség, ha, mint az az áramlás sebességének növekedésével a légellenállási tényező a test (és még esetleg a drag) drasztikusan csökken. Ezt a válságot az áramlás Reynolds-féle görbével ábrázolhatjuk . Ennek oka a test feletti áramlás változása, amelyet annak határrétege a lamináris állapotból a turbulens állapotba való átmenet okoz.
Ha ezt a húzóválságot először a gömbön fedezték fel, akkor fennáll az áramláson át bemutatott henger, valamint általában az összes kellően profilozott 2D és 3D test esetében is.
Úgy tűnik, hogy a gömbhúzódás válságát először GILukyanov orosz hallgató látta, aki a moszkvai egyetem szélcsatornájában kísérletezett. Tanára, Nyikolaj Zsukovszkij nagyon helyesen sejtette, hogy ez a paradoxon a "gömb különböző pontjain lévő áramvonalak különféle sebességgel történő elválasztásával" magyarázható. Úgy tűnik, Európában ugyanezt a húzóválságot figyelte meg (legalábbis minőségileg) Giulio Costanzi, a Brigada Specialisti, Rómában.
Franciaországban 1912-ben az Eiffel munkatársai különböző átmérőjű gömbök nyomvonalának mérésével észrevették, hogy ez az ösvény egy bizonyos sebességtartományon belül csökken (míg ez a sebesség nőtt, a kép ellentétes).
A szélcsatorna főmérnöke az Eiffelnek írt levelében jelentette ezt a problémát. Ez válaszol neki:
" A Augusztus 1312 / Kedves Rith úr, / megkaptam a 12-es levelét. A 24,4-es gömb 4 és 8 m közötti sebessége több mint bizarr, és az ilyen ellentmondásos tapasztalatok nem lehetnek jók. Át kell őket alakítani. Vegyél egy új 15-18 cm-es gömböt. "
Ez volt az első alkalom, mióta Eiffel és munkatársai méréseket végeztek a szélcsatornájukban, egyetlen test húzóereje olyan egyértelműen megjelent előttük, hogy nem egyszerűen kapcsolódott a sebesség négyzetéhez, bár több mérésük megmutatta, hogy ez a jelenség az orsó alakú testek súrlódása miatt létezhet. Eiffel Rithnek írt levelét elolvasva visszatérünk a gömbhúzódás válságának felfedezésének történelmi pillanatába.
Itt van (szemben) a grafikon, amely összegyűjti a három szféra ellenállási együtthatóinak görbéit modern Reynolds-számunk szerint :
A három görbe nem fedi egymást (mint a modern méréseknél), de a húzási válság ugyanabban a Reynolds-ban jól fejlődik.
A gömbhúzódási krízisnek ezt a felfedezését eleinte szintén tévesnek tekintették: Eiffel írja a GÖRFEK ELLENÁLLÁSÁRÓL A LEVEGŐ MEGJEGYZÉSÉBEN című megjegyzésében egy megjegyzést, amelyet az Académie des Sciences annak ülésén mutat be. 1912. december 30 : "A német fő aerodinamikai laboratórium, Göttingen, ennek az együtthatónak két és félszer nagyobb értéket tulajdonított [annál az értéknél, amelyet az Eiffel talált a Champ de Mars-on található laboratóriumában]. Ezenkívül közzétette, hogy az egy Magamnak adtam, nyilvánvaló hiba volt részemről, és csak téves számítás eredménye lehetett. "
Az Académie des Sciences-hoz írt feljegyzésében Eiffel a következőket írja: "Ezeket a különböző következtetéseket úgy ellenőriztem, hogy a gömböket nagyon finom szálakkal felfüggesztettem, és egy speciális távcsővel figyeltem meg azok elmozdulását a függőlegeshez képest. Felismertem ezeket az anomáliákat és megjegyezzük, hogy ott valóban két áramlási mód, a gömb körüli [levegő] szálak haladásának vizsgálatával egy nagyon vékony rúd által vezetett könnyű huzal segítségével. A kritikus sebesség alatt egy mélyedés kúp képződik a [gömb] hátulján, majdnem hossza megegyezik a gömb átmérőjével, és hasonló ahhoz, ami a lemezek hátsó részén történik. általában a szél ütötte el. Ezen kritikus sebesség felett van az új rendszer, amelynek esetében ez a kúp eltűnt, és helyébe egy régió, ahol a levegő viszonylag zavartalan. ""
1914-ben az AUTEUIL LABORATÓRIUMBAN LETÖLT LÉGREZISZTENCIÁVAL ÉS LÉGZÁSSAL KAPCSOLATOS ÚJ KUTATÁSBAN (89. o.) Eiffel visszatért erre a kérdésre: "Lord Rayleigh, a Nemzeti Fizikai Laboratórium kiemelkedő igazgatója jegyzetet küldött az Académie des Sciences (CR az Académie des Sciences du 1913. január 13), amelyben rámutatott, hogy a kritikus sebesség vd szorzata a gömb átmérőjével megközelítőleg állandó. "Pierre Rebuffet szerint Rayleigh ezen megjegyzése" kétségtelenül a Reynolds fogalmának első alkalmazása ".
Ne feledje, hogy az angolul beszélő országokban a gömb húzóválságát gyakran "Eiffel-paradoxonnak" nevezik (lásd: Drag válság ).
A gömbhöz hasonlóan az áramláson keresztül bemutatott végtelen henger is húzós válságot él át. Az a Reynolds, amelynél ez a hengerválság bekövetkezik (kritikus Reynolds), megközelítőleg megegyezik azzal, amelynél a gömb saját válságát éli meg. Ezt a hengerhúzási válságot Eiffel is tanulmányozta.
A krízis szintén megfelel Strouhal válságának (ez nagyon világos módja annak észlelésének). Ahogy a gömbhöz, a mérnökök ezért a hengernek tulajdonítják a kettőt : a szubkritikus (1,2 körüli) és a szuperkritikus (0,2 körüli) értéket.
Az első "fúvók" hőskora óta a kutatók folyamatosan finomították a gömb méréseit a lehetséges Reynolds teljes tartományában . Ezeket a méréseket megnehezíti a gömbök visszafogásának nehézsége (e gömböktől lefelé egy visszatartó csípő jelenléte elegendő az áramlás jelentős módosításához). Clift, Grace és Weber létrehozta a gömb "standard" görbéjét a teljes lehetséges Reynolds- tartományban ; ez a görbe tíz egyszerű matematikai regresszióból áll (piros görbe a szemközti grafikonon).
Természetesen a gömb azon felül, hogy függ a Reynolds-tól, az áramlás turbulenciájától is függ (ennek a grafikonnak a vörös görbéje nulla) és a gömb érdességétől (ez magyarázza, például ennek a grafikonnak a görbéi, amelyek a sportlabdákra vonatkoznak - golf, tenisz vagy futball - amelyek többé-kevésbé durvaak. A nem turbulens áramlásban viszont a gömb kritikus Reynolds-ja általában 350 000 körülinek tekinthető. Az áramlás turbulenciája, valamint a gömb érdessége előre jelzi a húzóválságot (azaz okot ez a válság egy gyengébb Reynoldsnál jelentkezik). A mérnökök kettőt tulajdonítanak a sima gömbnek , a szubkritikusnak (0,5) és a szuperkritikusnak (körülbelül 0,07). A kis szuperkritikus fennsík után a görbe emelkedést mutat (ezt "transzkritikus" vagy "hiperkritikus" rendszernek hívják, de az utóbbi rendszernek megfelelő Reynoldok gyakran kívül esnek a Reynolds-on, amely a mindennapokban elérhető.
A gömb és a henger húzási rohamai a 3D és 2D testhúzási rohamok archetípusai. Minden kellően profilozott test húzási válságot él át (kép ellentétes).
Az első világháború idején Max. M. Munkot , az L. Prandtl munkatársát arra bízták, hogy készítsen jelentést ennek a húzási válságnak a problémáiról a támaszok (vagy árbocok) és a kábelek számára, amelyek az akkori két- és háromsíkú szárnyai között virágoztak. Munk 1917 júniusi jelentésében kifejtette: „Különösen a sebesség csökkenése (például amikor egy repülőgép vízszintes szintsebességről lassabb emelkedési sebességre változik) hirtelen megnövelheti a„ drag ”tényezőt, és gyakran akár maga a húzóerő jelentős növekedése ”.
A szemközti grafikon különböző vastagságú szimmetrikus profilok húzási válságát rajzolja az áramlásuk hosszanti Reynolds-féle szerint (nulla előfordulás esetén). A henger húzási válsága jelenik meg ezen a grafikonon, akárcsak a legnagyobb vastagság szerint bemutatott elliptikus metszetű hengeré. Ezen a grafikonon megjegyezzük, hogy például a 12% relatív vastagságú profilok (a repülésben szokásos vastagság) alacsony Reynolds esetén nagyon fontos ellenállást eredményeznek: ezért speciális profilokat kell használni alacsony Reynolds repüléseknél. (repülőgép-modellek, drónok, emberi hajtású repülőgépek ).
Az EIFFEL AERODINAMIKAI LABORATÓRIUMÁBAN A Háború idején végzett munkák összefoglalójában Gustave Eiffel rámutat azonban, hogy „nincs szükség nem kúpos vezetékekre és kábelekre a [húzási válság] szemlélésére. Ez azt jelenti, hogy ezek a testek egy Reynolds-t túl gyengének mutatnak ahhoz, hogy képesek legyenek megismerni egy húzási válságot (szuperkritikus üzemmódban); valóban, egy 6 mm átmérőjű kábelnél ez a válság csak 500 m / s sebességgel, vagyis a hangsebesség felett történne ...
Hasonlóan ezekhez a 2D karosszériákhoz, a 3D karosszériák is (például a légi járművek léghajói és a kerékpárhuzatok a könnyű repülésben) ugyanazt a húzóválságot mutatják a gyenge Reynolds számára.
A gömbhúzás lefoglalása az archetipikus húzási roham, amely megfelelően profilozott testekkel (3D testekkel, például ellipszoidokkal vagy kisebb húzótestekkel , és 2D testekkel, például hengerrel, profilos burkolatokkal vagy szárnyprofilokkal) fordul elő .
A Reynolds növekedése során bekövetkezett hirtelen csökkenés fő magyarázatát Ludwig Prandtl ragyogóan javasolta 1927-ben. A Prandtl óriási ugrása az egész teret (a légkört, az óceánokat stb.) Megnyitotta a felfedezett dimenzió nélküli szám előtt. néhány évtizeddel korábban Osborne Reynolds a csövekbe zárt áramlásokban. Itt van ez a magyarázat L. Prandtl-tól:
A húzóválság az e gömb felszínén létező határréteg lamináris rezsimből turbulens rezsimbe való átmenetének tudható be .
Tekintsük a szférát szubkritikus (vagy "első rendszer") szférában: Ebben a rezsimben az áramlás elválasztása a középpontban lévő szögben történik a ~ 82 ° -os leállási ponttól. Mivel ezen a ~ 82 ° -os szögben a gömb határrétege lamináris állapotban van, ezt a szubkritikus elválasztást néha „lamináris elválasztásnak” nevezik.
Azonban minél jobban növekszik az áramlás Reynolds-értéke, annál inkább bekövetkezik a határréteg átmenete (a lamináris rendszertől a turbulens rezsimig) a leállási pont közelében; következésképpen egy bizonyos Reynolds-nál a határréteg-átmenet a ~ 82 ° előtt következik be, ahol a szubkritikus leválás (lamináris leválás) történik. A határréteg tehát ezen ~ 82 ° előtt turbulens lesz. De a turbulens határréteg figyelemre méltó tulajdonsága, hogy sokkal jobban ellenáll a szétválasztásnak, mint a lamináris határréteg: az elválasztás tehát ~ 120 ° -os szögbe fog visszahúzódni, ami a szférát a szuperkritikus rezsimbe (vagy a második rezsimbe) helyezi.
Általánosságban elmondható, hogy az áramlás szétválasztása a testen annak a túlnyomásnak a peremrétegbe való behatolásának köszönhető, amely a lefelé irányuló áramlatból származik (szemléletes ábra). A turbulens határrétegben meglévő sebességprofil azonban "teljesebb" és energikusabb, mint a lamináris határréteg sebességprofilja. Ennek eredményeként a turbulens határréteg jobban ellenáll a lefelé áramló túlnyomás behatolásának és ezért az elválasztásnak.
Sokat egyszerűsítve minden úgy történik, mintha a turbulens határréteg viszkózusabb vagy ragadósabb lenne, mint a lamináris határréteg: az áramlás elválasztása hátrafelé tolódik.
Felismerve, hogy nehéz volt elhinni, hogy a vonóerő csökkenése elérhető a határréteg turbulens állapotban való áthaladásával (a lamináris áramlást gyakran kevesebb ellenállást eredményező áramlásnak tekintik), Prandtl megtervezte a most híres kísérletet, A határréteg átmenetét a gömb első féltekéjére helyezett turbulátor huzal használja: ez a huzal kiváltja a határréteg turbulens állapotba való átmenetét, és a gömb egyik jelentősen csökken.
Egy másik jelenség (a határréteg-átmenet kivételével) a gömbhúzódás válságának egymást követő csökkenésében játszik szerepet : ez a másik jelenség a meglévő holtvíz (vagy recirkulációs) zóna jobb újracsomósodása. a szemközti diagram). A gömb szubkritikus rendszerében az ebben a holtvíz-övezetben uralkodó átlagos nyomási együttható közel -0,3. A szuperkritikus rendszerben a holtvíz zónában uralkodó (nagy mértékben csökkent) átlagos nyomási együttható pozitív és +0,3 körül forog. Következésképpen a gömb lefelé történő visszakompressziója sokkal jobb: Ezután megjegyezhetjük, hogy szuperkritikus kritikában az elhalt víz zónája előre tolja a gömböt (míg az alkritikában hátrafelé szívja a gömböt) (ez függetlenül a nyomás integrációjától) eloszlás a gömb többi részén).
A kritikus Reynolds-nak, a Reynolds-nak több meghatározása létezik, amely jellemzi a szubkritikus rendszer és a szféra szuperkritikus rendszere közötti átmenetet: A szokásos definíció a NACA által használt ; ez a Reynolds, ahol a gömb a értéke 0,3 (ez az érték megközelítőleg középen helyezkedik el az első rezsim 0,5 értéke és a második rezsim 0,07 értéke között). Egy másik meghatározás az, hogy által használt Hoerner: Ez a Reynolds, ahol a bázis nyomás együttható nulla; valójában ez ~ -0,3-ról ~ + 0,3-ra változik, amikor a sebességet megváltoztatják. Ezek a definíciók meglehetősen kevés kritikai Reynoldst adnak.
Számos kísérletet végeztek a tökéletesen nyugodt levegőben mozgó sima gömb kritikus Reynolds-jának meghatározására (ez azért van, mert a szélcsatornákban mért kritikus Reynolds azok maradék turbulenciájában szenved); ezek a kísérletek például abból álltak, hogy egy gömböt vontattak a nyugodt reggeli levegőben egy repülőgép alatt (egy autogyro a szemközti képen). Lásd még ezt a képet, amely ugyanazokat a kritikus Reynolds-méréseket mutatja a hajótest próbatankjának vizében.