La résistance à l'écoulement est un problème de grande envergure. La consommation de carburant d'une voiture à grande vitesse provient principalement de la résistance de l'air plutôt que de la résistance au frottement du sol. La raison pour laquelle le smog peut être "suspendu" dans l'air est également due à la résistance à l'écoulement. Tout cela illustre l'importance de la résistance à l'air.
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Résistance différentielle à la pression et résistance au frottement
Du point de vue de la force, la résistance de l'objet est l'action directe du fluide sur sa surface. Ce qui est perpendiculaire à la surface de l'objet est la pression du fluide, et la résistance générée par celui-ci est appelée résistance à la pression différentielle ; ce qui est parallèle à la surface de l'objet est la force de cisaillement visqueuse du fluide, et la résistance générée par celle-ci est appelée résistance de frottement. En dehors de ces deux forces, il n'y a pas d'autre force. Par conséquent, la résistance totale d'un objet est la force résultante de la résistance à la différence de pression et de la résistance au frottement. La résistance à la différence de pression est étroitement liée à la forme de l'objet et la résistance au frottement est principalement liée à la surface de l'objet.
Certains endroits disent qu'en plus de la résistance à la différence de pression et de la résistance au frottement, il existe une résistance induite, une résistance aux ondes de choc, etc., ce qui est un malentendu. En fait, la résistance induite et la résistance aux ondes de choc peuvent être attribuées à la résistance à la différence de pression et à la résistance au frottement (principalement à la résistance à la différence de pression).
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résistance de forme résistance postérieure
On sait depuis l'Antiquité que les objets se déplaçant dans un fluide subiront une résistance, et la résistance est étroitement liée à la forme de l'objet. Mais la théorie originale de la mécanique des fluides est arrivée à la conclusion opposée. Sur la base des lois du mouvement des fluides d'Euler et Bernoulli, si la viscosité du fluide est ignorée, le fluide ne produira pas de résistance aux objets de toute forme qui s'y déplacent.
Il semble que la résistance soit entièrement causée par la viscosité, mais la viscosité de l'air est très faible et la résistance de frottement produite par celui-ci est bien inférieure à la résistance aérodynamique mesurée réellement. Cette contradiction est connue dans l'histoire sous le nom de "Paradoxe de D'Alembert" car elle a été proposée par le mathématicien français D'Alembert.
Ce n'est que lorsque Prandtl a proposé la théorie de la couche limite que les gens ont vraiment compris l'essence de la résistance à l'écoulement. La résistance à la différence de pression est le composant principal de la résistance aérodynamique, tandis que pour les objets généraux, la résistance à la différence de pression est principalement due à la séparation de la couche limite.
Les premiers (peut-être beaucoup de gens le pensent maintenant) basés sur une sorte de "bon sens", croyaient que la forme de la partie avant de l'objet détermine la taille de la résistance, et la résistance sera petite si la partie avant est plus nette . Avec la théorie de la couche limite, il est plus important de découvrir la forme de l'arrière de l'objet. Parce que la forme du dos de l'objet détermine où la couche limite se sépare et donc la répartition de la pression sur la surface de l'objet.
Les poissons et les oiseaux communs sont des corps profilés relativement parfaits, avec des têtes rondes et des queues pointues.
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Résistance de forme Résistance frontale
Bien que la forme de l'arrière de l'objet soit décisive pour la quantité de traînée, la forme de l'avant est également importante. Par exemple, si l'avant de l'objet est carré, le fluide se séparera tôt au niveau des angles vifs et la forme soigneusement conçue de l'arrière perdra son sens. Pour les camions circulant actuellement sur l'autoroute, l'optimisation de la forme qui a été obtenue est principalement concentrée sur la partie avant, et la partie arrière est limitée par la forme du conteneur, donc moins de travail a été effectué. Pour les objets se déplaçant à une vitesse transsonique, l'onde de choc générera une résistance supplémentaire, de sorte que la partie avant est conçue dans une forme très pointue, de sorte que l'angle du cône de l'onde de choc soit plus petit pour réduire la résistance.
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Résistance aux ondes de choc
Lorsque la vitesse du flux entrant approche ou dépasse la vitesse du son, des ondes de choc seront générées, ce qui apportera une résistance supplémentaire aux ondes de choc. Essentiellement, la résistance aux ondes de choc est également une sorte de résistance à la différence de pression, qui est causée par une récupération de pression insuffisante dans la moitié arrière de l'objet en raison de l'existence d'ondes de choc. En négligeant la perte visqueuse, lorsqu'il n'y a pas d'onde de choc, la décélération du flux d'air dans la seconde moitié de l'objet correspond à une montée en pression Δp1 ; lorsqu'il y a une onde de choc, le flux d'air perd partiellement une partie de l'énergie mécanique en traversant l'onde de choc, et la montée en pression Δp2 correspondant à la même décélération sera inférieure à Δp1. Par conséquent, lorsqu'il y a une onde de choc, la pression dans la moitié arrière de l'objet est un peu plus faible, ce qui est la source de la résistance à l'onde de choc. Le fait de rendre le bord avant de l'objet pointu peut réduire l'angle du cône de choc, réduisant ainsi la perte causée par l'onde de choc et réduisant également la résistance à l'onde de choc. Lorsque le navire se déplace à la surface de l'eau, il génère des ondes de surface et a également une résistance aux vagues, il doit donc être pointu, tandis que le sous-marin voyageant sous l'eau est arrondi.
Utiliser la perte d'énergie pour expliquer la résistance aux ondes de choc n'est pas assez direct. Après tout, la pression et la force visqueuse à la surface d'un objet sont les facteurs qui déterminent directement l'ampleur de la résistance. Ensuite, la résistance aux ondes de choc s'explique par le changement de la pression de surface de l'objet.
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Effet de la forme et de la qualité de surface sur la traînée
La réduction de la résistance est un thème éternel de la mécanique des fluides. L'utilisation de profilés peut réduire efficacement la résistance à la pression différentielle, principalement parce qu'il n'y a pas de séparation de couche limite sur la surface d'un corps profilé bien conçu, réduisant ainsi la résistance à la pression différentielle.
En plus de la forme, la rugosité de la surface d'un objet affecte également la traînée. Généralement, plus la surface est lisse, plus la résistance au frottement est faible, mais parfois la surface de l'objet est intentionnellement rugueuse, de sorte que la couche limite devient turbulente pour empêcher la séparation, réduisant ainsi considérablement la résistance différentielle de pression.
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Résumer
Lors de l'analyse de la résistance aérodynamique d'un objet, l'habitude de la mécanique des fluides est de la diviser selon la forme de la force. La résistance causée par la pression agissant verticalement sur la surface de l'objet est appelée résistance à la pression différentielle, tandis que la résistance causée par la force de frottement parallèle à la surface de l'objet est appelée résistance de frottement. Puisqu'il n'y a pas d'autre force que ces deux forces sur la surface d'un objet, tout type de résistance est soit une résistance à la différence de pression, soit une résistance au frottement, soit les deux.
La résistance à la différence de pression causée par la séparation du flux et la résistance à la différence de pression causée par l'onde de choc sont les principaux facteurs affectant la résistance aérodynamique des objets.
Les objets subsoniques à faible résistance ont des têtes rondes et des queues pointues, tandis que les objets supersoniques à faible résistance ont des extrémités pointues.
