تبلیغات
مهندسی مکانیک و هوافضا - چرا توپ گلف را زبر می سازند؟
هر آنچه که یک مهندس بخواهد اینجا هست!
 
آخرین مطالب
 
محبوبترین ها ی سایت
چرا توپ گلف را زبر می سازند؟

در حالیکه بسیاری از افراد
اعتقاد دارند که  بازی گلف یکی از ورزشهای کم تماشاگر و جذاب است در عین حال برای مهندسین هوافضا این بازی نه بعنوان ورزش بلکه به لحاظ شک توپ گلف به آن علاقمند هستند.

خیلی از افرادی که گلف بازی می کنند حتی نمی دانند که چرا توپ گلف به صورت تورفتگی هایی در سطح آن ساخته می شود.

قبل از توضیح هدف از ایجاد تورفتگیها در سطح توپ بایستی ویژگیهای آئرودینامیکی یک جسم کروی شکل مثل یک توپ پینگ را بدانیم. اگر در یک دنیای فرضی بدون هرگونه اصطکاکی زندگی کنیم، جریان هوا اطراف یک جسم کروی صاف شبیه به آنچه که در شکل (شکل شماره ۲) نشان داده شده است رفتار خواهد کرد. در این شکل زاویه q موقعیت امتداد سطح کره را نشان می دهد. لبه
ابتدائی کره که شروع برخورد جریان ورودی است در q=0 درجه است درحالیکه لیه انتهایی در q=180 درجه است. موقعیت  q=90 درجه سطح بالای کره، q=270 سطح پائین کره و q=360 درجه گرداگرد سطح پشتی تا لبه شروع کره را نشان می دهد.
توجه داشته باشید که در این موقعیت فرضی جریان هوا در اطراف کره یک الگوی کاملا متقارن را ایجاد کرده است. الگوی خطی اطراف سمت جلویی که از ۲۷۰ درجه تا ۹۰ درجه است، مشابه الگوی جریان در قسمت پشتی کره از ۹۰ درجه تا ۲۷۰ درجه است.

 

(a) Ideal frictionless flowfield around a sphere and (b) the resulting pressure distribution

شکل ۲-  (a) محدوده جریان بدون اصطکاک فرضی اطراف یک جسم کروی و (b) توزیع فشار ناشی از آن

تصویر پائینی در این شکل توزیع فشار را در گرداگرد سطح کره که از طریق ضریب بدون بعد فشار Cp بیان می شود، نشان می دهد. مقادیر مثبت (+) Cp نشان دهنده وجود فشار بالاست درحالیکه مقادیر منفی Cp فشار پائین را نشان می دهد. بین محدوده های با فشار بالا و محدوده های با فشار پائین اختلاف وجود دارد که باعث ایجاد نیروهای آئرودینامیک بر روی بدنه یک جسم شبیه از جا کندن و کشش می گردد.
به ادامه ی مطلب مراجعه کنید

هرچند این الگوی جریان فرضی مسائل جالبی را به ما گوشزد می کند. باید توجه داشت که فشار در قسمت جلویی کره یا در q=0  بالاست.
وجود این مقدار فشار بالا نشان می دهد که فشرده شدن هوای ورودی در قسمت جلو باعث ایجاد نیروی کشش (نیروی مقاوم) می گردد. با اینحال فشار در قسمت پشت کره یا 
q=180 نیز بالا بوده و کاملا با فشار قسمت جلوی کره برابر است. وجود چنین فشار
بالایی به شکل واقعی باعث ایجاد ضربه یا کشش منفی می گردد که نیروی مقاوم موجود در بخش جلویی کره را خنثی می کند. بعبارت دیگر این وضعیت تئوریکی این موضوع را القا می کند که هیچگونه نیروی کشش بر روی سطح کره وجود ندارد .
اینموضوع در اوایل برای محققین آئرودینامیک گیج کننده بود بدلیل اینکه با اندازه گیریهای آزمایشگاهی که نشان دهنده تولید کننده کشش بود دارای تناقضبود.  ناسازگاری بین تئوری و آزمایشات یکی از بزرگترین معماهای اواخر قرن نوزدهم بود که بعنوان پارادکسآلمبرت می شناختند و بخاطر ریاضیدان و فیزیکدان مشهور Jean le Rond d’Alembert (1717-1783)   کسی که برای اولین بار وجود اختلاف را کشف کرد نامگذاری شده است. دلیلتئوری فرضی آلمبرت برای رد رفتار واقعی آئرودینامیکی از یک جسم کروی اینستکه او از تاثیر اصطکاک در محاسباتش صرفنظر کرد. محیط جریان واقعی اطراف یکجسم کروی به نظر خیلی متفاوت تر از پیش بینی های تئوری وی می رسد بدلیلاینکه اصطکاک باعث پدیده شناخته شده ای به نام جدایش جریان می گردد. این اثر را می توان با مطالعه و بررسی نمودار زیر از جریان واقعی اطراف یک جسکروی صاف بهتر درک نمود. در این جا می توان مشاهده کرد که محیط جریان در اطراف جسم کروی خیلی متقارن نیست. درحالیکه جریان در اطراف کره فرضی در امتداد سطح بیرونی ادامه پیدا می کند، جریان واقعی خیلی طولانی نخواهد بود. وقتی جریان هوا امتداد سطح را طی می کند، می گوئیم که جریان صورت گرفته است. نقطه ای که جریان از سطح جدا می شود، نقطه جدایش نامیده می شود و جریان پائین دست این نقطه بعنوان جریان جدا شده شناخته می شود. محدوده جریان جدا شده  از طریق جریان های چرخشی و غیر ماندگار که باعث ایجاد گرداب می شود شناخته می شود.

 

(a) Actual separated flowfield around a sphere and (b) the resulting pressure distribution

شکل ۳-  (a) محدوده جریان جدا شده واقعی اطراف یک جسم کروی و (b) توزیع فشار ناشی از آن

 

 عامل این جدایش را می توان قسمت بالای توزیع فشار در اطرف جسم کروی مشاهده کرد. همانطور که جریان به سمت پائین دست از موقعیت  q=90° یاq=270° حرکت می کند با افزایش فشار مواجه می شود. زمانیکه جریان با افزایش فشار همراه
است، با یک گرادیان فشار منفی مواجه هستیم. تغییر در فشار معکوس است بدلیل اینکه باعث می شود جریان هوا کند شده و مومنتوم را از دست بدهد. 
همانطور که افزایش فشار ادامه می یابد، جریان همچنان کن تر شده تا اینکه سرعتش به
صفر می رسد. و این بدین دلیل است که جریان مومنتومی را به سمت جلو نداشته و لذا از سطح جدا می شود.

با
جدایی جریان از سطح نتیجه توزیع فشار همانند امتداد خط چین نشان داده شده
در شکل نخواهد بود. درعوض جریان جدا شده یک محدوده با فشار پائین را بدنبال
آن ایجاد می کند. این رفتار را در سمت دیگر جسم کروی از 
۹۰° < q < 270°می بینیم. در اینجا، توزیع واقعی فشار، که با خط پیوسته نشان داده شده است، منفی باقی می ماند. فشار در قسمت پیشانی بالا بوده هرچند که برای یک جسم کروی فرضی است. حال که فشار در پیشانی خیلی بیشتر از مقدار آن در بخش پشتی  است، نتیجتا یک نیروی کششی بر جسم کروی وارد می شود. با درنظر گرفتن اثر اصطکاک انطباق تئوری و آزمایش اثبات می گردد.

این توضیحات منجر به یک نتیجه مهم می گردد: نیروی رانشی موجود بر روی جسم کروی با جدایی جریان از قسمت پیشانی آن ایجاد می شود. درصورتیکه بتوانیم  بطریقی این جدایی جریان را به حداقل برسانیم، نیروی درگ حاصل شده توسط جسم کروی به شکل محسوسی کاهش می یابد. ان تاثیر را می توان در نتایج آزمایشگاهی مشابه شکل زیر مشاهده کرد.

Variation of drag coefficient with Reynolds number for a sphere

شکل ۴- تغییرات ضریب درگ با عدد رینولدز در یک جسم کروی شکل

 این نمودار نشان می دهد که چگونه نیروی درگ از یک جسم کروی با عدد رینولدز تغییر می کند. عدد رینولدز (Re)  یکی از پارامترهای بدون بعد مهمی است که اندازه یک جسم را با شرایط جریان مرتبط می کند و با معادله زیر نشان داده می شود:

که:

r= چگالی اتمسفر

V¥= سرعت

l= طول مشخصه( در حالت جسم کروی شکل، این متغیر قطر آن منظور می شود)

m= لزجت (یا اصطکاک)

بعبارت دیگر هر دو جسم کروی که دارای عدد رینولدز مساوی هستند، بایستی دارای خصوصیات آئرودینامیکی مشابهی باشند  حتی
اگر این دو جسم کروی شکل دارای اندازه های متفاوت و سرعتهای متفاوتی
باشند. شکل فوق نشان می دهد که یک تغییر عمده در نیروی درگ برروی یک جسم
کروی صاف در عدد رینولدز برابر با 
۳x105 وجود دارد. برای مقادیر عدد رینولدز کمتر از آن ضریب درگ در مقدار ۰٫۵ ثابت می ماند. و برای مقادیر عدد رینولدز بیشتر از آن مجددا ضریب درگ در مقدار ۰٫۱ ثابت می شود.

دلیل
اینکه مقادیر خاصی از اعداد رینولدز باعث ایجاد کاهش زیاد در ضریب درگ می
گردد؟ این موضوع خاطر نشان می سازد که در این نقطه بحرانی هوایی که در
اطراف جسم کروی جریان دارد یک تغییر عمده را ایجاد می کند. یکی از عوامل
عمده که تحت تاثیر جدایش جریان قرار می گیرد، رفتار لایه مرزی است. لایه
مرزی یک لایه نازکی از هواست که در محدوده بسیار نزدیک به سطح یک جسم در
حال حرکت قرار می گیرد. در داخل این لایه است که گرادیان فشار معکوس توسعه
یافته و باعث می شود جریان از سطح جدا گردد.

در
اعداد رینولدز پائین لایه مرزی در حالت خیلی صاف قرار می گیرد که آرام
نامیده می شود. لایه های مرزی آرام بطور طبیعی مطلوب هستند بدلیل اینکه
نیروی رانش را بر روی اغلب شکلها کاهش می دهند. متاسفانه آرام خیلی شکننده و
قابل انفصال از سطح یک جسم هستن و این زمانیکه با یک گرادیان منفی فشار
مواجه می شوند به سادگی اتفاق می افتد. این جدایی جریان باعث چه عواملی می
شوند که نیروی رانشی در مقادیر پائین تر از اعداد رینولدز بحرانی همچنان
بالا باقی می مانند.

هرچند،
در این مقادیر اعداد رینولدز لایه مرزی از حالت آرام به آشفته تبدیل می
شود. نقطه این تبدیل که در لایه مرزی اتفاق می افتد، نقطه انتقالی نامیده
می شود. یک لایه مرزی آشفته باعث اختلاط هوا در نزدیکی سطح می گردد که بطور
طبیعی منجر به ایجاد نیروی رانشی بالا می گردد. هرچند که مزیت آشفتگی
اینست که سرعت جریان هوا افزایش یافته و مومنتوم بیشتری را در جهت جلو
ایجاد می کند. نتیجتا، لایه مرزی در برابر گرادیان منفی فشار قبل از اینکه
جدایی جریان از سطح اتفاق بیفتد مقاومت می کند. 

 Flow separation on a sphere with a laminar versus turbulent boundary layer

شکل ۵- جدایش جریان بر روی یک جسم کروی شکل در جریان با لایه مرزی آرام و آشفته

 

تفاوت
در محیط جریان در اطراف یک جسم کروی صاف و زبر را می توان در شکل مشاهده
کرد. از آنجائیکه لایه مرزی آرام اطراف یک جسم کروی صاف خیلی سریع جدا می
شود، باعث ایجاد جریانهای گردابی زیادی را در قسمت پشتی جسم کروی می گردد.
این گردابهای بزرگ محدوده با فشار پائین را به حداکثر رسانده و بنابراین
منجر به حداکثر اختلاف در فشار بین قسمت پیشانی و عقب جسم کروی می گردد.
همانگونه که مشاهده می شود، این اختلاف باعث ایجاد نیروی درگ بالا مشابه
آنچه که در مقادیر اعداد رینولدز پائینتر از نقطه انتقالی می بینیم، می
گردد.

بعبارت
دیگر انتقال به لایه مرزی آشفته مقدار انرژی را برای اینکه جریان چسبیده
به قسمت سطح به سمت قسمت انتهایی ادامه دهد افزایش می دهد. و از آنجائی که
جدایش جریان به تاخیر می افتد، مقدار محدوده گردابهای ایجاد شده نازکتر می
گردد. این گردابهای کم ضخامت محدوده با فشار پائین را در قسمت انتهائی کاهش
داده و اختلاف بین فشار بین قسمت پیشانی و عقب جسم کروی را کاهش می دهد.
این حداقل اختلاف در فشار نیروی درگ کمتری را در مقایسه با آنچه که در
مقادیر بالاتر از اعداد رینولدز انتقالی مشاهده کردیم ایجاد می کند.

این
نتایج نشان می دهد که یک لایه مرزی آشفته شکل گرفته در قسمت پیشانی به
شکبل محسوسی نیروی درگ جسم کروی را کاهش می دهد. برای یک جسم کروی با قطر
معین، یک طراح فقط دو راه برای رسیدن به این هدف دارد: ۱) مقدار سرعت جریان
را بر روی سطح جسم کروی برای افزایش عدد رینولدز به مقادیر بزرگتر از عدد
رینولدز انتقالی افزایش دهد یا ۲) سطح را بمنظور ایجاد آشفتگی زبر بسازد.
مورد دومی بعنوان برهم زدن لایه مرزی نامیده می شود.

در
مورد توپهای گلف افزایش سرعت یک انتخاب نیست بطوریکه یک گلف باز فقط می
تواند با سرعت زیاد ضربه وارد کند که این سرعت برای افزایش عدد رینولدز
کافی نیست. بنابراین برهم زدن لازه مرزی تنها راه حل برای کاهش درگ روی توپ
گلف است. هدف ایجاد تورفتگی ها فقط برای ایجاد سطح زبر است که بتواند
انتقال به لایه مرزی آشفته را زودتر انجام دهد. این آشفتگی کمک می کند که
جریان همچنان بر روی سطح توپ باقیمانده و اندازه محدوده جریانهای گردابی را
کاهش داده که منجر به کاهش نیروی درگی که هنگام پرتاب ایجاد می شود می
گردد. زمانیکه نیروی درگ کاهش یافت توپ می تواند به فاصله دورتری پرتاب
گردد. تعدادی از سازندگان توپهای گلف شروع به ایجاد تورفتگیهایی با گوشه
های تیزتر از تورفتگیهای گرد کردند زمانیکه محققین نشان دادند که این اشکال
گوشه دار نیروی درگ را بیشتر کاهش می دهند.

دلیل
اینکه تو رفتیگیها را در دیگر اجسام شبیه بالها نمی بینیم اینست که این
شکلهای خاص از لایه مرزی فقط بر روی یک جسم بدون گوشه (نوک) شبیه به یک جسم
کروی یا استوانه ای خوب کار می کنند. بیشترین شکل غالب از نیروی درگ بر
روی این نوع از اجسام از طریق فشار ایجاد می شود. اغلب اشکال خطی مثل اجسام
آئرودینامیکی مورد استفاده در بالها توسط نوع متفاوت از درگ با نام درگ
اصطکاکی پوستی شناخته می شوند. این اجسام خطی شبیه شکل، شبیه شکل قطره اشک
هستند که باعث ایجاد گرادیان فشار منفی با یک شیب بسیار ملایم می شوند. و
این گرادیان شیب فشار بسیار پائین باعث می شود جریان بیشتر بر روی سطح حرکت
کرده و از جدایش جریان جلوگیری گردد و یا به تاخیر بیندازد. در اینصورت
گردابهای ایجاد شده بسیار کوچک شده و نیروی درگ فشاری کمتری را باعث می
شود.

 

Comparison of flow separation and drag on blunt and streamlined shapes

شکل ۶- مقایسه جدایش جریان و نیروی درگ در اجسام لبه پهن و خطی

 

 

هرچند
برای انجام دادن چنین کاری ابزاری را بطور معمول برروی بالهای هواپیما
مورد استفاده قرار می دهند که باعث ایجاد تاثیر مشابه با تورفتگیهای
استفاده شده در توپهای گلف می گردد. همچنین بواسطه این ابزارها آشفتگی به
جهت تاخیر در جدایش جریان ایجاد می شود که هدف از آن کاهش نیروی درگ نیست
بلکه برای افزایش بالا رفتن هواپیماست. یکی از معمولترین این ابزارها
مولدهای گرداب  
Vortex Generator می باشد.

مولدهای
گرداب غالبا در امتداد قسمت بیرونی بال به منظور رسیدن به لایه مرزی آشفته
است که مومنتوم جریان را به سمت جلو افزایش می دهد. همانند مورد توپ گلف،
این لایه مرزی آشفته به جریان کمک می کند تا بر گرادیان منفی فشار غلبه
کرده و جریان در یک فاصله طولانی تری مماس بر سطح بال حرکت کند.

A Gloster Javelin showing the three sets of vortex generators located along the outer portion of the wing


 

Flow visualization test on the leading edge extension of an F-18




مرتبط با: مهندسی هوافضا ,
می توانید دیدگاه خود را بنویسید
پژمان سه شنبه 12 خرداد 1394 04:58 ق.ظ
وبلاگ خیلی قشنگی داری ولی حیف نیسته در کنار چنین وبلاگی کسب درآمد نداشته باشی
مثل آب خوردن
فقط روی لینک ها کلیک کن تا مبلغ هر کلیک را دریافت کنی.
کم کم با درآمدی که جمع میکنی زیرمجموعه بخر تا درآمد بیشتری داشته باشی
یا با درآمدی که کسب کردی کارت شارژ بخری.
راستی بابت هر زیرمجموعه مستقیم که از لینک معرف توی سایت ثبت نام کند 400 تومان دریافت میکنی.
این فرصت را از دست نده همین امروز اقدام کن.
http://dbux.ir

پشتیبانی 24 ساعته شبانه روز از طریق ایمیل یاهو آی دی و شماره همراه
سکه طلا چهارشنبه 30 اردیبهشت 1394 10:16 ب.ظ
www.iAlexa.ir

افزایش بازدید سایت شما
افزایش بازدید وبلاگ شما

بازدید واقعی و ایرانی و تضمینی

به همراه قرعه کشی سکه طلا

امتحانش مجانیه

www.iAlexa.ir
سکه طلا چهارشنبه 30 اردیبهشت 1394 10:16 ب.ظ
www.iAlexa.ir

افزایش بازدید سایت شما
افزایش بازدید وبلاگ شما

بازدید واقعی و ایرانی و تضمینی

به همراه قرعه کشی سکه طلا

امتحانش مجانیه

www.iAlexa.ir
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر