الديناميكا الهوائية

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
تُظهر الصورة دراسة أجرتها وكالة ناسا حول اضطراب الهواء في جزيرة والوبس عام ١٩٩٠. وقد تشكلت دوامة هوائية نتيجة مرور جناح طائرة، كما يتضح من الدخان. وتُعد الدوامات الهوائية إحدى الظواهر العديدة المرتبطة بدراسة الديناميكا الهوائية.

الديناميكا الهوائية ( من اليونانية القديمة ἀήρ ( أهر ) بمعنى " هواء " و δυναμική ( دوناميك ) بمعنى " ديناميكا " ) هي دراسة حركة الهواء ، وخاصةً عند اصطدامه بجسم صلب ، كجناح الطائرة . [ 1 ] وهي تشمل مواضيع من مجال ديناميكا الموائع ، وتحديدًا فرعها ديناميكا الغازات ، وتُعدّ مجالًا هامًا في علم الطيران . غالبًا ما يُستخدم مصطلح الديناميكا الهوائية كمرادف لديناميكا الغازات، والفرق بينهما هو أن "ديناميكا الغازات" تُطبّق على دراسة حركة جميع الغازات، ولا تقتصر على الهواء. بدأ البحث الرسمي في الديناميكا الهوائية بمعناها الحديث في القرن الثامن عشر، على الرغم من تسجيل ملاحظات حول مفاهيم أساسية، مثل مقاومة الهواء، قبل ذلك بكثير. ركزت معظم الجهود المبكرة في مجال الديناميكا الهوائية على تحقيق الطيران بأجسام أثقل من الهواء ، وهو ما أثبته أوتو ليلينتال لأول مرة عام 1891. [ 2 ] ومنذ ذلك الحين، شكل استخدام الديناميكا الهوائية من خلال التحليل الرياضي والتقريبات التجريبية وتجارب أنفاق الرياح والمحاكاة الحاسوبية أساسًا منطقيًا لتطوير الطيران بأجسام أثقل من الهواء، بالإضافة إلى عدد من التقنيات الأخرى. وقد ركزت الدراسات الحديثة في مجال الديناميكا الهوائية على قضايا تتعلق بالتدفق الانضغاطي والاضطراب والطبقات الحدية ، وأصبحت ذات طبيعة حسابية متزايدة .  

تاريخ

يعود تاريخ الديناميكا الهوائية الحديثة إلى القرن السابع عشر فقط، لكن البشر استغلوا قوى الديناميكا الهوائية لآلاف السنين في المراكب الشراعية وطواحين الهواء، [ 3 ] وتظهر صور وقصص الطيران في جميع أنحاء التاريخ المسجل [ 4 ] بما في ذلك أسطورة إيكاروس وديدالوس اليونانية القديمة . [ 5 ] وتظهر المفاهيم الأساسية للاستمرارية ، والسحب ، وتدرجات الضغط في أعمال أرسطو وأرخميدس . [ 6 ]

في عام 1726، كان السير إسحاق نيوتن أول من وضع نظرية مقاومة الهواء، [ 7 ] مما جعله من أوائل علماء الديناميكا الهوائية. وفي عام 1738، تبعه عالم الرياضيات الهولندي السويسري دانيال برنولي بكتابه "الهيدروديناميكا" الذي وصف فيه علاقة أساسية بين الضغط والكثافة وسرعة التدفق في حالة التدفق غير القابل للانضغاط ، والمعروفة اليوم بمبدأ برنولي ، والذي يوفر إحدى طرق حساب قوة الرفع الديناميكية الهوائية. [ 8 ] وفي عام 1757، نشر ليونارد أويلر معادلات أويلر الأكثر عمومية ، والتي يمكن تطبيقها على كل من التدفقات القابلة للانضغاط وغير القابلة للانضغاط. وفي النصف الأول من القرن التاسع عشر، تم توسيع معادلات أويلر لتشمل تأثيرات اللزوجة، مما أدى إلى ظهور معادلات نافيير-ستوكس . [ 9 ] [ 10 ] تُعد معادلات نافيير-ستوكس المعادلات الحاكمة الأكثر عمومية لتدفق الموائع، ولكن يصعب حلها للتدفق حول جميع الأشكال باستثناء أبسطها.

تُعرض نسخة طبق الأصل من نفق الرياح الذي صممه الأخوان رايت في مركز فرجينيا للطيران والفضاء في هامبتون . وكانت أنفاق الرياح أساسية في تطوير قوانين الديناميكا الهوائية والتحقق من صحتها.

في عام ١٧٩٩، كان السير جورج كايلي أول من حدد القوى الديناميكية الهوائية الأربع للطيران ( الوزن ، والرفع ، والسحب ، والدفع )، بالإضافة إلى العلاقات بينها، [ ١١ ] [ ١٢ ] وبذلك وضع حجر الأساس لتحقيق الطيران بأجسام أثقل من الهواء خلال القرن التالي. وفي عام ١٨٧١، أنشأ فرانسيس هربرت وينهام أول نفق هوائي ، مما أتاح قياسات دقيقة للقوى الديناميكية الهوائية. وقد طوّر جان لو رون دالمبير [ ١٣ ] ، وغوستاف كيرشوف [ ١٤ ] ، واللورد رايلي نظريات السحب . [ ١٥ ] وفي عام ١٨٨٩، أصبح تشارلز رينارد ، مهندس الطيران الفرنسي ، أول من تنبأ بشكل معقول بالقدرة اللازمة للطيران المستدام. [ 16 ] كان أوتو ليلينتال ، أول من حقق نجاحًا باهرًا في رحلات الطائرات الشراعية، أول من اقترح تصميم أجنحة رقيقة ومنحنية تُنتج قوة رفع عالية ومقاومة هواء منخفضة. وبناءً على هذه التطورات، بالإضافة إلى الأبحاث التي أجراها الأخوان رايت في نفق الرياح الخاص بهما، حلّقا بأول طائرة بمحرك في 17 ديسمبر 1903.

خلال فترة الرحلات الأولى، وضع كلٌ من فريدريك دبليو لانشستر [ 17 ] ومارتن كوتا ونيكولاي جوكوفسكي ، كلٌ على حدة ، نظرياتٍ تربط دوران تدفق المائع بالرفع. ثم طور كوتا وجوكوفسكي نظرية الجناح ثنائي الأبعاد. وبناءً على عمل لانشستر، يُنسب إلى لودفيج براندتل الفضل في تطوير الرياضيات [ 18 ] الكامنة وراء نظريات الجناح الرقيق وخط الرفع، بالإضافة إلى عمله على الطبقات الحدية .

ملصق لوزارة إنتاج الطائرات حول الديناميكا الهوائية

مع ازدياد سرعة الطائرات، بدأ المصممون يواجهون تحديات تتعلق بانضغاطية الهواء عند سرعات تقارب سرعة الصوت. وتؤدي الاختلافات في تدفق الهواء في ظل هذه الظروف إلى مشاكل في التحكم بالطائرة، وزيادة في مقاومة الهواء نتيجة للموجات الصدمية ، وخطر انهيار الهيكل بسبب الرفرفة المرنة الهوائية . سُميت نسبة سرعة التدفق إلى سرعة الصوت برقم ماخ، نسبةً إلى إرنست ماخ الذي كان من أوائل من درسوا خصائص التدفق فوق الصوتي . وقد طور ماكورن رانكين وبيير هنري هوغونيو، بشكل مستقل، نظرية خصائص التدفق قبل وبعد الموجة الصدمية ، بينما قاد جاكوب أكيريت العمل الأولي لحساب الرفع والسحب للأجنحة فوق الصوتية. [ 19 ] وقدّم ثيودور فون كارمان وهيو لاتيمر درايدن مصطلح "التدفق العابر للصوت" لوصف سرعات التدفق بين رقم ماخ الحرج ورقم ماخ 1، حيث تزداد مقاومة الهواء بسرعة. أدى الارتفاع السريع في مقاومة الهواء إلى اختلاف آراء خبراء الديناميكا الهوائية والطيارين حول ما إذا كان الطيران الأسرع من الصوت ممكناً حتى تم كسر حاجز الصوت في عام 1947 باستخدام طائرة بيل إكس-1 .

بحلول الوقت الذي تم فيه اختراق حاجز الصوت، كان فهم علماء الديناميكا الهوائية لتدفقات الهواء دون الصوتية وفوق الصوتية المنخفضة قد نضج. وقد حفزت الحرب الباردة تصميم سلسلة متطورة باستمرار من الطائرات عالية الأداء. بدأت ديناميكا الموائع الحسابية كمحاولة لحساب خصائص التدفق حول الأجسام المعقدة، وسرعان ما تطورت إلى الحد الذي أصبح فيه بالإمكان تصميم طائرات كاملة باستخدام برامج الحاسوب، مع إجراء اختبارات في نفق الرياح تليها اختبارات طيران لتأكيد تنبؤات الحاسوب. وقد نضج فهم الديناميكا الهوائية فوق الصوتية وفوق الصوتية الفائقة منذ ستينيات القرن الماضي، وتحولت أهداف علماء الديناميكا الهوائية من دراسة سلوك تدفق الموائع إلى هندسة مركبة تتفاعل بشكل يمكن التنبؤ به مع تدفق الموائع. إن تصميم الطائرات للظروف فوق الصوتية وفوق الصوتية، فضلاً عن الرغبة في تحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية للطائرات الحالية وأنظمة الدفع، لا يزال يحفز البحوث الجديدة في الديناميكا الهوائية، بينما يستمر العمل على المشكلات المهمة في نظرية الديناميكا الهوائية الأساسية المتعلقة باضطراب التدفق ووجود وتفرد الحلول التحليلية لمعادلات نافيير-ستوكس.

المفاهيم الأساسية

القوى المؤثرة على طائرة تعمل بمحرك في طيران أفقي غير متسارع

يُمكّن فهم حركة الهواء حول جسم ما (والتي تُسمى غالبًا مجال التدفق) من حساب القوى والعزوم المؤثرة عليه. في العديد من مسائل الديناميكا الهوائية، تُعدّ القوى الأساسية للطيران، وهي: الرفع ، والسحب ، والدفع ، والوزن ، هي القوى محل الاهتمام . ومن بين هذه القوى، يُعتبر الرفع والسحب قوتين ديناميكيتين هوائيتين، أي القوى الناتجة عن تدفق الهواء فوق جسم صلب. غالبًا ما يستند حساب هذه الكميات إلى افتراض أن مجال التدفق يتصرف كوسط متصل. تتميز مجالات التدفق المتصلة بخصائص مثل سرعة التدفق ، والضغط ، والكثافة ، ودرجة الحرارة ، والتي قد تكون دوالًا للموقع والزمن. يمكن قياس هذه الخصائص بشكل مباشر أو غير مباشر في تجارب الديناميكا الهوائية، أو حسابها باستخدام معادلات حفظ الكتلة، والزخم ، والطاقة في تدفقات الهواء. تُستخدم الكثافة، وسرعة التدفق، وخاصية إضافية هي اللزوجة ، لتصنيف مجالات التدفق.

تصنيف التدفق

تُستخدم سرعة التدفق لتصنيف التدفقات وفقًا لنظام السرعة. التدفقات دون الصوتية هي حقول تدفق تكون فيها سرعة الهواء دائمًا أقل من سرعة الصوت المحلية. تشمل التدفقات فوق الصوتية مناطق التدفق دون الصوتي ومناطق 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. أما التصنيف الرابع، وهو التدفق فوق الصوتي، فيشير إلى التدفقات التي تكون فيها سرعة التدفق أكبر بكثير من سرعة الصوت. ويختلف علماء الديناميكا الهوائية حول التعريف الدقيق للتدفق فوق الصوتي.

يُراعي التدفق الانضغاطي تغير الكثافة داخل التدفق. غالبًا ما تُعتبر التدفقات دون الصوتية غير انضغاطية، أي يُفترض أن الكثافة ثابتة. أما التدفقات فوق الصوتية والتدفقات العابرة للصوت فهي انضغاطية، والحسابات التي تتجاهل تغيرات الكثافة في هذه المجالات التدفقية ستؤدي إلى نتائج غير دقيقة.

ترتبط اللزوجة بقوى الاحتكاك في التدفق. في بعض حقول التدفق، تكون تأثيرات اللزوجة ضئيلة للغاية، ويمكن إهمالها بأمان في الحلول التقريبية. تُسمى هذه التقريبات بالتدفقات غير اللزجة. أما التدفقات التي لا تُهمل فيها اللزوجة فتُسمى بالتدفقات اللزجة. وأخيرًا، يمكن تصنيف مسائل الديناميكا الهوائية أيضًا حسب بيئة التدفق. يدرس علم الديناميكا الهوائية الخارجية التدفق حول الأجسام الصلبة ذات الأشكال المختلفة (مثل التدفق حول جناح الطائرة)، بينما يدرس علم الديناميكا الهوائية الداخلية التدفق عبر الممرات داخل الأجسام الصلبة (مثل التدفق عبر محرك نفاث).

افتراض الاستمرارية

على عكس السوائل والمواد الصلبة، تتكون الغازات من جزيئات منفصلة تشغل جزءًا صغيرًا فقط من حجمها. وعلى المستوى الجزيئي، تتكون حقول التدفق من تصادمات العديد من جزيئات الغاز الفردية فيما بينها، وتصادماتها مع الأسطح الصلبة. مع ذلك، في معظم تطبيقات الديناميكا الهوائية، يُتجاهل الطابع الجزيئي المنفصل للغازات، ويُفترض أن حقل التدفق يتصرف كوسط متصل . يسمح هذا الافتراض بتحديد خصائص المائع، مثل الكثافة وسرعة التدفق، في كل مكان ضمن نطاق التدفق.

تعتمد صحة فرضية الاستمرارية على كثافة الغاز والتطبيق المعني. ولكي تكون هذه الفرضية صحيحة، يجب أن يكون متوسط ​​طول المسار الحر أصغر بكثير من مقياس طول التطبيق. على سبيل المثال، تتعامل العديد من تطبيقات الديناميكا الهوائية مع الطائرات التي تحلق في ظروف جوية عادية، حيث يكون متوسط ​​طول المسار الحر في حدود الميكرومترات، بينما يكون حجم الجسم أكبر بكثير. في هذه الحالات، يتراوح مقياس طول الطائرة من بضعة أمتار إلى بضعة عشرات من الأمتار، وهو أكبر بكثير من متوسط ​​طول المسار الحر. بالنسبة لهذه التطبيقات، تُعد فرضية الاستمرارية مناسبة. إلا أن هذه الفرضية أقل صحة في حالة التدفقات ذات الكثافة المنخفضة للغاية، كتلك التي تواجهها المركبات على ارتفاعات شاهقة (مثل 90  كيلومترًا  ) [ 6 ] أو الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض . في هذه الحالات، تُعد الميكانيكا الإحصائية طريقة أكثر دقة لحل المشكلة من ديناميكا الهواء المستمرة. يمكن استخدام رقم كنودسن لتوجيه الاختيار بين الميكانيكا الإحصائية والصياغة المستمرة للديناميكا الهوائية.

قوانين الحفاظ على البيئة

يُتيح افتراض استمرارية الموائع حلّ مسائل الديناميكا الهوائية باستخدام قوانين حفظ الموائع . وتُستخدم ثلاثة مبادئ للحفظ:

قانون حفظ الكتلة
يتطلب قانون حفظ الكتلة ألا يتم إنشاء الكتلة أو تدميرها داخل التدفق؛ والصياغة الرياضية لهذا المبدأ تُعرف باسم معادلة استمرارية الكتلة .
قانون حفظ الزخم
يمكن اعتبار الصياغة الرياضية لهذا المبدأ تطبيقًا لقانون نيوتن الثاني . لا يتغير الزخم داخل التدفق إلا بفعل القوى الخارجية، والتي قد تشمل قوى سطحية مثل قوى اللزوجة ( الاحتكاك )، وقوى داخلية مثل الوزن . يمكن التعبير عن مبدأ حفظ الزخم إما بمعادلة متجهة أو بفصلها إلى ثلاث معادلات قياسية (مركبات س، ص، ع).
حفظ الطاقة
تنص معادلة حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تُخلق ولا تُفنى داخل التدفق، وأن أي إضافة أو طرح للطاقة إلى حجم في التدفق ناتج عن انتقال الحرارة ، أو عن العمل داخل وخارج المنطقة المعنية.

تُعرف هذه المعادلات مجتمعةً باسم معادلات نافيير-ستوكس ، مع أن بعض الباحثين يُعرّفون المصطلح ليشمل معادلة (معادلات) الزخم فقط. لا يوجد حل تحليلي معروف لمعادلات نافيير-ستوكس، ويتم حلها في الديناميكا الهوائية الحديثة باستخدام تقنيات حسابية . ولأن الطرق الحسابية التي تستخدم الحواسيب فائقة السرعة لم تكن متاحة تاريخيًا، ولأن التكلفة الحسابية العالية لحل هذه المعادلات المعقدة متاحة الآن، فقد تم ولا يزال يتم استخدام تبسيطات لمعادلات نافيير-ستوكس. معادلات أويلر هي مجموعة من معادلات الحفظ المماثلة التي تُهمل اللزوجة، ويمكن استخدامها في الحالات التي يُتوقع فيها أن يكون تأثير اللزوجة ضئيلاً. تؤدي تبسيطات أخرى إلى معادلة لابلاس ونظرية التدفق الكامن . بالإضافة إلى ذلك، تُعد معادلة برنولي حلاً أحادي البعد لكل من معادلات حفظ الزخم والطاقة.

يُستخدم قانون الغاز المثالي أو معادلة حالة أخرى مماثلة غالبًا بالتزامن مع هذه المعادلات لتشكيل نظام محدد يسمح بإيجاد حلول للمتغيرات المجهولة. [ 20 ]

فروع الديناميكا الهوائية

النمذجة الحاسوبية لتدفق الهواء فوق نفاثة

تُصنَّف مسائل الديناميكا الهوائية وفقًا لبيئة التدفق أو خصائصه، بما في ذلك سرعة التدفق ، والانضغاطية ، واللزوجة. يدرس علم الديناميكا الهوائية الخارجية التدفق حول الأجسام الصلبة ذات الأشكال المختلفة. ومن أمثلة ذلك تقييم قوى الرفع والسحب على الطائرات، أو الموجات الصدمية المتكونة أمام مقدمة الصواريخ. أما علم الديناميكا الهوائية الداخلية ، فيدرس التدفق عبر الممرات في الأجسام الصلبة. فعلى سبيل المثال، يشمل دراسة تدفق الهواء عبر محرك نفاث أو عبر أنبوب تكييف الهواء .

يمكن تصنيف مسائل الديناميكا الهوائية أيضًا وفقًا لما إذا كانت سرعة التدفق أقل من سرعة الصوت ، أو قريبة منها، أو أعلى منها . تُسمى المسألة دون صوتية إذا كانت جميع السرعات فيها أقل من سرعة الصوت، وعبر صوتية إذا كانت السرعات فيها أقل من سرعة الصوت وأعلى منها (عادةً عندما تكون السرعة المميزة قريبة من سرعة الصوت)، وفوق صوتية عندما تكون سرعة التدفق المميزة أكبر من سرعة الصوت، وفوق صوتية فائقة عندما تكون سرعة التدفق أكبر بكثير من سرعة الصوت. يختلف علماء الديناميكا الهوائية حول التعريف الدقيق للتدفق فوق الصوتي؛ إذ يعتبر تعريفٌ عام التدفقات التي يزيد عدد ماخ فيها عن 5 تدفقات فوق صوتية. [ 6 ]

يُحتّم تأثير اللزوجة على التدفق تصنيفًا ثالثًا. قد لا تُلاحظ في بعض المسائل سوى تأثيرات لزوجة ضئيلة جدًا، وفي هذه الحالة يُمكن اعتبار اللزوجة مهملة. تُسمى التقريبات لهذه المسائل بالتدفقات غير اللزجة . أما التدفقات التي لا يُمكن إهمال لزوجتها فتُسمى بالتدفقات اللزجة.

الديناميكا الهوائية غير القابلة للانضغاط

التدفق غير القابل للانضغاط هو تدفق تكون فيه الكثافة ثابتة في الزمان والمكان. مع أن جميع الموائع الحقيقية قابلة للانضغاط، إلا أنه غالبًا ما يُقارب التدفق بأنه غير قابل للانضغاط إذا كان تأثير تغيرات الكثافة يُحدث تغييرات طفيفة فقط في النتائج المحسوبة. ويزداد احتمال صحة هذا الافتراض عندما تكون سرعات التدفق أقل بكثير من سرعة الصوت. وتكون تأثيرات الانضغاطية أكثر وضوحًا عند السرعات القريبة من سرعة الصوت أو التي تتجاوزها. ويُستخدم عدد ماخ لتقييم إمكانية افتراض عدم قابلية التدفق للانضغاط، وإلا فيجب تضمين تأثيرات الانضغاطية.

التدفق دون سرعة الصوت

يصف علم الديناميكا الهوائية دون الصوتية (أو منخفضة السرعة) حركة الموائع في التدفقات التي تقل سرعتها عن سرعة الصوت في جميع أنحاء التدفق. تتفرع هذه التدفقات إلى عدة فروع، ولكن ثمة حالة خاصة تظهر عندما يكون التدفق غير لزج وغير قابل للانضغاط وغير دوراني . تُسمى هذه الحالة بالتدفق الكامن ، وتسمح بأن تكون المعادلات التفاضلية التي تصف التدفق نسخة مبسطة من معادلات ديناميكا الموائع ، مما يتيح لمهندس الديناميكا الهوائية مجموعة من الحلول السريعة والسهلة. [ 21 ]

عند حلّ مسألة دون سرعة الصوت، يتخذ مهندس الديناميكا الهوائية قرارًا بشأن ما إذا كان سيُدرج تأثيرات الانضغاطية. الانضغاطية هي وصف لمقدار تغير الكثافة في التدفق. عندما تكون تأثيرات الانضغاطية على الحل ضئيلة، يُمكن افتراض ثبات الكثافة. في هذه الحالة، تُصبح المسألة مسألة ديناميكا هوائية غير قابلة للانضغاط عند السرعات المنخفضة. أما عندما يُسمح للكثافة بالتغير، فيُطلق على التدفق اسم التدفق القابل للانضغاط. في الهواء، عادةً ما تُهمل تأثيرات الانضغاطية عندما لا يتجاوز عدد ماخ في التدفق 0.3 (حوالي 102 متر  في الثانية أو 366 كيلومترًا  في الساعة عند  16  درجة مئوية). عند تجاوز عدد ماخ 0.3، يجب وصف تدفق المسألة باستخدام ديناميكا هوائية قابلة للانضغاط.

الديناميكا الهوائية القابلة للانضغاط

وفقًا لنظرية الديناميكا الهوائية، يُعتبر التدفق قابلاً للانضغاط إذا تغيرت كثافته على طول خط انسيابي . وهذا يعني أنه - على عكس التدفق غير القابل للانضغاط - تُؤخذ تغيرات الكثافة في الاعتبار. وبشكل عام، يكون هذا هو الحال عندما يتجاوز عدد ماخ في جزء من التدفق أو كله 0.3. قيمة 0.3 لعدد ماخ هي قيمة اعتباطية إلى حد ما، ولكنها تُستخدم لأن تدفقات الغاز التي يقل عدد ماخ فيها عن هذه القيمة تُظهر تغيرات في الكثافة أقل من 5%. علاوة على ذلك، يحدث أقصى تغير في الكثافة بنسبة 5% عند نقطة الركود (النقطة على الجسم حيث تكون سرعة التدفق صفرًا)، بينما تكون تغيرات الكثافة حول بقية الجسم أقل بكثير. تُعد التدفقات فوق الصوتية، والتدفقات التي تتجاوز سرعة الصوت، والتدفقات فائقة السرعة، جميعها تدفقات قابلة للانضغاط.

التدفق فوق الصوتي

يشير مصطلح "السرعة فوق الصوتية" إلى نطاق سرعات تدفق الهواء التي تقل قليلاً عن سرعة الصوت المحلية وتزيد عنها (والتي تُعتبر عمومًا بين 0.8 و1.2 ماخ ). ويُعرَّف هذا النطاق بأنه نطاق السرعات بين رقم ماخ الحرج ، حيث تصبح بعض أجزاء تدفق الهواء فوق الطائرة أسرع من الصوت ، وسرعة أعلى، عادةً ما تكون قريبة من 1.2 ماخ ، حيث يكون تدفق الهواء بأكمله أسرع من الصوت. وبين هاتين السرعتين، يكون جزء من تدفق الهواء أسرع من الصوت، بينما لا يكون الجزء الآخر كذلك.

التدفق فوق الصوتي

تُعرف مسائل الديناميكا الهوائية فوق الصوتية بأنها تلك التي تنطوي على سرعات تدفق تتجاوز سرعة الصوت. ويُعد حساب قوة الرفع على متن طائرة الكونكورد أثناء التحليق مثالاً على مسائل الديناميكا الهوائية فوق الصوتية.

يختلف سلوك التدفق فوق الصوتي اختلافًا كبيرًا عن التدفق دون الصوتي. تتفاعل السوائل مع فروق الضغط؛ فتغيرات الضغط هي الطريقة التي يُبلَغ بها السائل للاستجابة لبيئته. لذلك، بما أن الصوت في الواقع عبارة عن فرق ضغط متناهي الصغر ينتشر عبر السائل، يمكن اعتبار سرعة الصوت في ذلك السائل أقصى سرعة يمكن أن تنتقل بها "المعلومات" في التدفق. يتجلى هذا الاختلاف بوضوح في حالة اصطدام سائل بجسم ما. أمام ذلك الجسم، يتراكم ضغط ركود في السائل حيث يؤدي الاصطدام إلى توقف السائل المتحرك. في السوائل التي تتحرك بسرعة دون صوتية، يمكن أن ينتشر اضطراب الضغط هذا عكس اتجاه التدفق، مما يغير نمط التدفق أمام الجسم ويعطي انطباعًا بأن السائل "يعرف" بوجود الجسم من خلال تعديل حركته ظاهريًا والتدفق حوله. أما في التدفق فوق الصوتي، فلا يمكن لاضطراب الضغط أن ينتشر عكس اتجاه التدفق. وهكذا، عندما يصل السائل أخيرًا إلى الجسم، يصطدم به، مما يُجبره على تغيير خصائصه - درجة الحرارة ، والكثافة ، والضغط ، ورقم ماخ - بطريقة عنيفة للغاية وغير قابلة للانعكاس تُعرف بالموجة الصدمية . ويُعد وجود الموجات الصدمية، إلى جانب تأثيرات انضغاط السوائل ذات سرعة التدفق العالية (انظر رقم رينولدز )، الفرق الرئيسي بين أنظمة الديناميكا الهوائية فوق الصوتية ودون الصوتية.

التدفق فوق الصوتي

في الديناميكا الهوائية، تُعرف السرعات فوق الصوتية بأنها سرعات تتجاوز سرعة الصوت بكثير. في سبعينيات القرن الماضي، أصبح المصطلح يُشير عمومًا إلى سرعات تبلغ 5 ماخ (خمسة أضعاف سرعة الصوت) وما فوق. يُعدّ نظام السرعات فوق الصوتية جزءًا من نظام السرعات فوق الصوتية. يتميز التدفق فوق الصوتي بتدفق ذي درجة حرارة عالية خلف موجة الصدمة، والتفاعل اللزج، والتفكك الكيميائي للغاز.

المصطلحات ذات الصلة

تحليل أنواع مختلفة من تدفق الهواء حول جناح الطائرة:

تنتج أنظمة التدفق غير القابلة للانضغاط والقابلة للانضغاط العديد من الظواهر المرتبطة بها، مثل الطبقات الحدية والاضطراب.

الطبقات الحدية

يُعدّ مفهوم الطبقة الحدية ذا أهمية بالغة في العديد من مسائل الديناميكا الهوائية. إذ يُفترض أن لزوجة الهواء واحتكاكه لا يؤثران إلا في هذه الطبقة الرقيقة. هذا الافتراض يجعل وصف الديناميكا الهوائية أسهل بكثير من الناحية الرياضية.

اضطراب

في الديناميكا الهوائية، تتميز الاضطرابات بتغيرات عشوائية في خصائص التدفق. وتشمل هذه التغيرات انخفاض انتشار الزخم، وارتفاع حمل الزخم، والتغير السريع في الضغط وسرعة التدفق مكانيًا وزمنيًا. أما التدفق غير المضطرب فيُسمى التدفق الصفائحي .

الديناميكا الهوائية في مجالات أخرى

التصميم الهندسي

تُعدّ الديناميكا الهوائية عنصرًا هامًا في تصميم المركبات ، بما في ذلك سيارات الطرق والشاحنات حيث يتمثل الهدف الرئيسي في تقليل معامل السحب ، وسيارات السباق حيث يتمثل الهدف ، بالإضافة إلى تقليل السحب، في زيادة مستوى قوة الضغط السفلية . [ 21 ] كما تُعدّ الديناميكا الهوائية مهمة في التنبؤ بالقوى والعزوم المؤثرة على السفن الشراعية . وتُستخدم في تصميم المكونات الميكانيكية مثل رؤوس محركات الأقراص الصلبة . ويلجأ مهندسو الإنشاءات إلى الديناميكا الهوائية، وخاصة المرونة الهوائية ، عند حساب أحمال الرياح في تصميم المباني الكبيرة والجسور وتوربينات الرياح .

تُعد الديناميكا الهوائية للممرات الداخلية مهمة في التدفئة/التهوية ، وأنابيب الغاز ، وفي محركات السيارات حيث تؤثر أنماط التدفق التفصيلية بشدة على أداء المحرك.

التصميم البيئي

يدرس مخططو المدن ومصمموها ديناميكيات الهواء في المناطق الحضرية بهدف تحسين المرافق في المساحات الخارجية، أو إنشاء مناخات محلية حضرية للحد من آثار التلوث الحضري. ويصف مجال ديناميكيات الهواء البيئية الطرق التي تؤثر بها حركة الغلاف الجوي وميكانيكا الطيران على النظم البيئية. وتُستخدم معادلات ديناميكيات الهواء في التنبؤ العددي بالطقس .

التحكم بالكرة في الرياضة

تشمل الرياضات التي تعتبر فيها الديناميكا الهوائية ذات أهمية بالغة كرة القدم ، وتنس الطاولة ، والكريكيت ، والبيسبول ، والجولف ، حيث يمكن لمعظم اللاعبين التحكم في مسار الكرة باستخدام " تأثير ماغنوس ".

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وراغ، ديفيد و. (1974). قاموس الطيران (  الطبعة الأمريكية الأولى). نيويورك: فريدريك فيل، ص  8. ISBN 0-85045-163-9.
  2. ↑ "كيف ألهم اللقلق الطيران البشري" . flyingmag.com.
  3. ↑ «بدايات طاقة الرياح (1000 ق.م. - 1300 م): تاريخ مصور لتطور طاقة الرياح» . Telosnet.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2010-12-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2011-08-24 .
  4. ↑ برلينر، دون (1997). الطيران: السعي نحو السماء . دار أوليفر للنشر، ص 128. ISBN  1-881508-33-1.
  5. ↑ أوفيد؛ غريغوري، هـ. (2001). التحولات . سيغنيت كلاسيكس. ISBN 0-451-52793-3. OCLC 45393471 . 
  6. 1 2 3 أندرسون، جون ديفيد (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. ↑ "الهيدروديناميكا" . موسوعة بريتانيكا على الإنترنت . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-10-2008 .
  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 الجمعية الفلسفية في كامبريدج . 8 : 287-305 .
  11. ↑ " لجنة الاحتفال بالذكرى المئوية للطيران في الولايات المتحدة - السير جورج كايلي" . مؤرشف من الأصل في 20 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 10 سبتمبر 2008. يُطلق على السير جورج كايلي، المولود عام 1773، لقب أبو الطيران. كان رائدًا في مجاله، وهو أول من حدد القوى الديناميكية الهوائية الأربع للطيران - الوزن، والرفع، والسحب، والدفع - وعلاقتها ببعضها. كما كان أول من بنى طائرة شراعية ناجحة لنقل البشر. وصف كايلي العديد من مفاهيم وعناصر الطائرة الحديثة، وكان أول من فهم وشرح مفاهيم الرفع والدفع بمصطلحات هندسية.
  12. ↑ كايلي، جورج . "حول الملاحة الجوية" الجزء 1 ، مؤرشف بتاريخ 11 مايو 2013 في أرشيف الإنترنت ، الجزء 2 ، مؤرشف بتاريخ 11 مايو 2013 في أرشيف الإنترنت ، الجزء 3، مؤرشف بتاريخ 11 مايو 2013 في أرشيف الإنترنت . مجلة نيكلسون للفلسفة الطبيعية ، 1809-1810. (عبر ناسا ). النص الأصلي . تاريخ الاسترجاع: 30 مايو 2010.
  13. ^ دالمبيرت، ج. (1752). مقال عن النظرية الجديدة 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، اللورد (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. ↑ لانشستر، إف دبليو (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: الاستدلال من الفيزياء الحقيقية" دوغ ماكلين، جون وايلي وأولاده، 2012، الفصل 3.2: "العلاقات الرئيسية التي تشكل معادلات نافيير-ستوكس هي قوانين الحفظ الأساسية للكتلة والزخم والطاقة. وللحصول على مجموعة معادلات كاملة، نحتاج أيضًا إلى معادلة حالة تربط درجة الحرارة والضغط والكثافة..." https://play.google.com/books/reader?id=_DJuEgpmdr8C&printsec=frontcover&pg=GBS.PA191.w.0.0.0.151
  21. 1 2 كاتز، جوزيف (1991). ديناميكا الهواء عند السرعات المنخفضة: من نظرية الجناح إلى طرق الألواح . سلسلة ماكجرو هيل في هندسة الطيران والفضاء. نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 0-07-050446-6. OCLC 21593499 . 

للمزيد من القراءة

الديناميكا الهوائية العامة

الديناميكا الهوائية دون سرعة الصوت

  • كاتز، جوزيف؛ بلوتكين، ألين (2001). ديناميكا الهواء عند السرعات المنخفضة (  الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-66552-3. OCLC 43970751 . 
  • أوبيرت، إد (2009). التصميم الديناميكي الهوائي لطائرات النقل، متوفر على كتب جوجل . دلفت؛ يتناول هذا الكتاب الديناميكا الهوائية العملية في الصناعة وتأثيرها على تصميم الطائرات. ISBN 978-1-58603-970-7.

الديناميكا الهوائية فوق الصوتية

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

الديناميكا الهوائية فوق الصوتية

الديناميكا الهوائية فائقة السرعة

تاريخ الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائية المتعلقة بالهندسة

المركبات البرية

الطائرات ذات الأجنحة الثابتة

  • أشلي، هولت؛ لانداهل، مارتن (1985). ديناميكا الهواء للأجنحة والأجسام (  الطبعة الثانية). منشورات دوفر. ISBN 0-486-64899-0. OCLC 12021729 . 
  • أبوت، إيرا هـ.؛ فون دونهوف، أ. إي. (1959). نظرية مقاطع الأجنحة: بما في ذلك ملخص لبيانات الجنيحات . منشورات دوفر. ISBN 0-486-60586-8. OCLC 171142119 . {{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  • كلانسي، إل جيه (1975). الديناميكا الهوائية . دار بيتمان للنشر المحدودة. رقم ISBN 0-273-01120-0. OCLC 16420565 . 

طائرات الهليكوبتر

  • ليشمَن، ج. جوردون (2006). مبادئ ديناميكا الهواء للمروحيات (  الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-85860-7. OCLC 224565656 . 
  • بروتي، ريموند و. (2001). أداء المروحيات، استقرارها، والتحكم بها . دار نشر كريجر. ISBN 1-57524-209-5. OCLC 212379050 . 
  • سيدون، ج.؛ نيومان، سيمون (2001). أساسيات ديناميكا الهواء للمروحيات: شرح للمبادئ الأساسية في ميكانيكا الموائع وديناميكا الطيران للمروحية ذات الدوار الواحد . AIAA. ISBN 1-56347-510-3. OCLC 47623950 . 

الصواريخ

  • نيلسون، جاك ن. (1988). ديناميكا هوائية للصواريخ . المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. رقم ISBN 0-9620629-0-1. OCLC 17981448 . 

طائرة نموذجية

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

فروع ذات صلة في الديناميكا الهوائية

الديناميكا الهوائية الحرارية

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

المرونة الهوائية

الطبقات الحدية

  • يونغ، أ.د. (1989). الطبقات الحدية . المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. رقم ISBN 0-930403-57-6. OCLC 19981526 . 
  • روزنهيد، ل. (1988). طبقات الحدود الصفائحية . منشورات دوفر. ISBN 0-486-65646-2. OCLC 17619090 . 

اضطراب