Aerodinamik

Aerodinamik, hareket eden katı kütlelerin havayla etkileşimlerini inceleyen bilim dalıdır. Aerodinamik sözcüğü Yunanca'dan gelmiş olup bu bilim dalı havanın hareketi ile ilgilidir. Parçalı olarak katı bir cisim ile irtibata geçmiş olması, havanın hareketi ve uçağın kanadı gibi, buna örnek olarak gösterilebilir. Aerodinamik akışkan dinamiği ve gaz dinamiğinin bir alt dalıdır ve aerodinamiğin birçok bakış açısı, teorisi bu alanlarda ortaktır. Aerodinamik genellikle gaz dinamiği için kullanılır; gaz dinamiğinin aerodinamikten farkı, tüm gazlar için çalışması ve aerodinamik gibi yalnızca hava ile sınırlanmamış olmasıdır.
Modern olarak resmi aerodinamik çalışmaları on sekizinci yüzyılda başladı; önemli konseptlerin gözlemleri olmasına karşın, aerodinamik sürükleme gibi, çok daha önceden kaydedilmişti. İlk aerodinamik çalışmaları havadan ağır olma deneyi olarak Wilbur ve Orville Wright tarafından 1903'te yapılmıştı. Bunlardan sonra aerodinamiğin matematiksel analizleri, deneysel yakınsamalar, rüzgar tünelleri deneyleri ve bilgisayar canlandırmaları hala süren bilimsel temelleri oluşturdu. Günümüzde sürmekte olan aerodinamik çalışmaları sıkıştırılabilir akım, türbülans ve sınırlandırılmış tabakalar hakkında olmaktadır.
Çalışma alanları
Özellikle uçakların, roketlerin ve füzelerin havadaki hareketlerini belirleyen ilkeleri açıklar. Ayrıca otomobillerin, hızlı trenlerin, gemilerin tasarımıyla, köprülerin ve çok yüksek yapıların şiddetli rüzgara dayanabilecek biçimde inşa edilmeleriyle ilgilenir.
Aerodinamik yaptığı uygulamalarla uzay mühendisliğinde çok önemlidir. Otomobilleri de içeren birçok kayda değer faktörde ve araç tasarımında etkilidir. Gemicilikte araca etki eden kuvvet ve momentlerin önceden belirlenmesinde çok önemlidir. İnşaat mühendisleri köprüler ve binalardaki rüzgar birikmesini bulmak için aerodinamik ve aeroelastiklik kullanırlar. Şehir aerodinamiği şehir planlamacılarına çok yardımcı olur ve tasarımcılar dış mekanlardaki konforu arttırır.
Aerodinamiğe etki eden atmosferik şartlar
Hematolojik karakter
Havanın ağırlığı
Yoğunluk basınçla doğru orantılıdır.
Yoğunluk sıcaklık ile ters orantılıdır.
Havanın ağırlığı deniz seviyesinde; 1.29 kg dir.
Havanın basıncı
Standart atmosfer
Havanın rutubeti
Havanın sühuneti
Aerodinamik karakter
Havanın yapışkanlığı
Havanın sıkışması
Havanın elastikiyeti
Havanın enerjisi
Havanın direnci
Tarihi
Modern aerodinamik 18. yüzyıla dayanmaktadır, fakat aerodinamik kuvvetler insanlar tarafından tekneler ve rüzgar değirmenleri için binlerce yıl konuşulmuştur ve bunun hakkındaki görüntüler ve hikayeler tarihe kaydedilmiştir. Buna örnek, antik Yunan efsanelerinden İkarus ve Daidalos'tadır. Aristotales ve Arşimet tarafından ortaya çıkarılan sürdülebilirlik, sürükleme ve basınç gradyanları aerodinamiğin önemli konseptlerinden birkaçıdır.
1726'da, Sör Isaac Newton hava direncini ortaya atmış ilk kişi oldu ve bu aynı zamanda Newton'un aerodinamik ile uğraşan ilk bilim insanı olarak anılmasının sebebidir. Alman ve İsviçreli matematikçi Daniel Bernoulli Newton'u 1738'de hidrodinamikte ortaya attığı sonuçlarla izledi. 1757'de, Leonard Euler ilk genel Euler denklemlerini ortaya koydu. Bu denklemler sıkıştırılabilir ve sıkıştırılamaz akımları açıklamaktaydı. Eular denklemleri 1800'lerdeki viskoziteyi de kapsayarak içine aldı ve Navier-Stokes denklemlerini ortaya attı. Navier-Stokes denklemleri çözmesi çok zor olan akışkan akımını kapsayan denklemlerdir.
1799'da, Sör George Cayley "uçuştaki dört aerodinamik kuvveti nitelendiren insan" sıfatını kazandı. 1781'de, Francis Herbert Wenham ilk rüzgar tünelini inşa etti. Bu tüneller aerodinamik kuvvetlerin yüksek kesinlikle ölçülmesini sağladı. Sürükleme teorileri Jean le Rond d'Alembert, Gustav Kirchoff ve Lord Rayleigh tarafından geliştirildi. 1889'da Charles Renard uçuşu gerçekleştirmek için gerekli olan gücü tahmin eden ilk kişi oldu. Otto Lilienthal başarılı bir şekilde planörle uçuşu gerçekletiren ilk kişi oldu. Bu temeller üstüne inşa edilmiş ve rüzgar tünelleri tarafından test edilmiş bir biçimde, Wright kardeşler 17 Aralık 1903'te ilk uçağı gökyüzü ile buluşturdu.
İlk uçuşların olduğu dönemde, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta, ve Nikolai Zhukovsky bir şeyi havalandırabilmek için gerekli olan sirkülasyonun nasıl olması gerektiğini teorik olarak bulmuşlardır. Kutta ve Zhukovsky iki boyutlu kanat teorisinin üstüne daha çok gittiler. Ludwig Prandtl Lanchester'ın yaptığı işi genişleterek kaldırma çizgilerinin arkasındaki matematiği çıkardı.
Uçağın hızı arttıkça, tasarımcılar ses hızına yakın ya da ses hızından büyük olan hızlarda havanın sıkıştırılabilirliğiyle ilgili sorunlarla karşılaşmaya başladılar. Bu şartlar altında hava akımlarındaki farklılıklar uçak kontrol sorunları nedeniyle şok dalgalarının artması, sürüklenme ve aeroelastik çarpıntı nedeniyle yapısal tehlikelere yol açtı. Ses hızına akış hızının oranı, ses hızı üzerindeki akımın özelliklerini araştırmak için öncelikle Ernst Mach, sonra Mach sayısı seçildi. Jakob Ackeret süpersonik airfoils kaldırma ve sürükleme hesaplanması üzerinde ilk çalışmaları idare ederken William John Macquorn Rankine ve Pierre Henri Sismik hızlardan türetilen, bağımsız, bir şok dalgası öncesi ve sonrası akış özellikleri için teorisini geliştirdi. Theodere von Karman ve Hugh Latimer Dryden transsonik terimini açıkladılar. Bu sürüklemenin hızlı bir şekilde olduğu bir yerdi. Sürüklemenin hızlı artışı supersonik uçuşların başarılı olup olamayacağı konusunda tartışmalara yol açtı. Ses bariyeri ilk olarak 1947'de Bell X-1 uçağı kullanılarak aşıldı.
Zamanla ses bariyeri kırıldı, çoğu subsonik ve düşük süpersonik aerodinamik bilgileri olgunlaştı. Soğuk savaş performans uçaklarının evriminde çok büyük bir ateşleyici olmuştur. Ayrıca bilgisayarlı akışkan dinamiği kompleks nesneler etrafında oluşan akış özelliklerini çözmek için olan bir çalışma olarak başlamıştır ve tünel testleriyle geliştirilmesi süren bilgisayarlı akışkan dinamiği, prensipleri kullanan araştırmalar olarak halen sürdürülmektedir. Süpersonik ve hipersonik bilgiler aerodinamiğin olgunlaşmasında 1960'lara kadar yardım etmiştir. Aerodinamikle çalışan bilim insanlarının dikkatleri "havanın nasıl hareket ettiği" sorusundan "havanın akışıyla nasıl araçlar üretebilir" sorusuna kaydı. Süpersonik ve hipersonik koşullarda bir uçak tasarlamak, aerodinamiğin uçak sistemlerindeki verimliliği ile aerodinamik hakkında yeni araştırmalar yapmayı ateşledi. Temel aerodinamik prensiplerinde olan önemli problemlerdeki çalışmalar sürmektedir.
Önemli konseptler
Bir nesnenin etrafındaki havanın hareketini anlayabilmek bu nesneye etki eden momentleri ve etki eden kuvvetlerin hesaplanmasını mümkün kılar. Birçok aerodinamik problemde, şu kuvvetler uçuşun önemli kuvvetlerindendir: kaldırma, sürükleme, ağırlık ve savurma. Bunlardan kaldırma ve sürükleme aerodinamik kuvvetlerdir. Yani, katı bir nesneye hava akımından oluşan kuvvetlerdir. Bu birimleri hesaplamak hava akışının sürekli olduğunu varsayarak hesaplanır. Devamlılık; akış alanları, hız, basınç, yoğunluk ve sıcaklık gibi birimlerle tanımlanır. Bu özellikler aerodinamik deneylerde doğrudan ya da doğrudan olmayan bir biçimde kütle korunumu, momentum korunumu ve hava akımındaki enerjiden ölçülür. Yoğunluk; hız ve ek özellik olan viskozite, akım alanlarını sınıflamada kullanılır.
Akım sınıflandırılması
Akış hızı hız rejimine göre akımlarını sınıflandırmak için kullanılır. Ses altı akımları tüm akışı boyunca hava hızının ses hızına yerel altında olan akış alanlardır. Transonic akış akımlarının ses altı bölgeleri ve akış hızı ses hızından daha büyük olduğu bölgeleri de içerir. Süpersonik akışlar, "akış hızı her ses hızından daha büyük olan akışlar" olarak tanımlanmıştır. Dördüncü bir sınıflandırmada hipersonik akış, akış hızı ses hızından çok daha büyüktür. Aerodinamikçiler hipersonik akış kesin tanımına katılmıyorlar.
Sıkıştırılabilirlik bir sorun olup, akışın değişen bir yoğunluğa sahip olup olmadığını belirtir. Yoğunluğunun sabit olduğu, yani subsonik akışların genellikle sıkıştırılamaz olduğu varsayılır. Transonik ve süpersonik akımlar sıkıştırılabilir ve hesaplamaları yaparken bu akış, alanlarda yoğunluk değişiklikleri ihmali sonucu yanlış sonuçlar verecektir.
Viskozite bir akış olup sürtünme kuvvetleri ile ilişkilidir. Bazı akım alanlarında, viskoz etkileri çok küçüktür, bu yüzden viskoz etkileri hesap esnasında ihmal edebilir. Bu yaklaşımlara "sürtünmesiz akımlar" denir. İhmal edilmeyen viskozite akımlarına "viskoz akışlar" denir. Son olarak, aerodinamik sorunlar da akış çevre tarafından sınıflandırılabilir. İç aerodinamik katı nesneler ile, dış aerodinamik ise geçitlerden içeriye olan akışlar ile ilgilenir. Çeşitli şekillerdeki katı nesneler etrafında akış olur (örneğin bir uçak kanadı).
Devamlılık varsayımı
Sıvılardan ve katılardan farklı olarak, gazlar gaz ile dolu hacminin sadece küçük bir kısmını işgal eden farklı moleküllerden oluşur. Moleküler düzeyde, akış alanlarında, gaz molekülleri ile gaz molekülleri ve katı yüzeyleri arasında birçok bireysel çarpışmaları oluşur. Bununla birlikte birçok aerodinamik uygulamada, bu gazların farklı molekülerdeki yapısı göz ardı edilir ve akım alanı bir bütün olarak davranmış varsayılır. Bu varsayım, yoğunluk ve hız gibi akışkan özellikleri herhangi bir akış içinde tanımlanmasını sağlar.
Sürekli varsayımın geçerliliği gazın yoğunluğu ve söz konusu uygulamaya bağlıdır. Sürekli varsayımın geçerli olması için, ortalama serbest yolun uzunluğu, söz konusu uygulamanın süresi ve ölçeği çok daha küçük olmalıdır. Örneğin, çok sayıda uygulamada aerodinamik ortalama serbest yolu uzunluğu mikrometre mertebesinde olduğundan, uçak; atmosferik koşullarda uçma ile ilgilidir. Bu gibi durumlarda, uçağın ölçek uzunluğu birkaç metre arasındaki ortalama serbest yolu uzunluğu çok daha büyüktür. Bu uygulamalar için, süreklilik varsayımı tutar. Süreklilik varsayımı Düşük Dünya yörüngesinde, yani son derece düşük yoğunluklu çok yüksek rakımlarda (örneğin 300.000 ft/90 km), araçlar tarafından karşılaşıldığı gibi akımlar, yüksek hızda giden araçlar için daha az geçerlidir. Bu durumlarda, istatistiksel mekanik sürekli aerodinamik daha geçerli bir yöntemdir. Knudsen sayısı istatistiksel mekanik ve aerodinamik sürekli formülasyon arasındaki tercih kılavuzu için kullanılabilir.
Korunum yasaları
Aerodinamik problemler akışkan dinamiklerinde korunum yasalarını akışkan devamlılığına uygulayarak çözülür. Ayrıca üç korunum yasası kullanılır:
1. Kütlenin korunumu : Akışkan dinamiğinde, bu prensipin matematiksel ifadesi kütlenin devamlılığı denklemleri olarak bilinir ve bu denklemler akış içindeki kütlenin yaratılamayacağı ve yok edilemeyeceği prensiplerine dayanır.
2. Momentumun korunması: Akışkan dinamiğinde, bu prensipin matematiksel ifadesi Newton'un ikinci yasası gibi düşünülebilir. Bir akış içinde momentum sadece oluşturulan veya bağlı viskoz(sürtünme) kuvvetleri olarak yüzey kuvvetlerini, ve ağırlık gibi nesne kuvvetleri içerebilir. Momentumun korunumu ilkesi, tek bir vektör denklem ya da üç boyutlu hız vektörünün bileşenlerinden türetilen üç skalar denklemdir ve bir dizi ile ifade edilebilir. En son formunda, momentum korunumu denklemleri Navier-Stokes denklemleri olarak bilinir. Navier-Stokes denklemleri analitik çözümü bilinen ve hesaplama teknikleri kullanarak, modern aerodinamik çözülür. Çünkü bu karmaşık denklemleri çözme hesaplama maliyetinin, momentum korunumu basitleştirilmiş olarak ifade eder, özel uygulamalar için uygun olabilir. Euler denklemleri viskoz kuvvetlerin etkisinin küçük olması beklendiği durumlarda modern aerodinamikçiler tarafından yaygın olarak kullanılan viskoz kuvvetlerinin ihmali momentum korunum denklemleri tek çözümdür. Ayrıca, Bernoulli denklemi yerçekimini ihmal, ve sürtünmesiz akış momentum korunumu denklemi için bir çözümdür.
3. Enerjinin korunumu : Akış içinde enerji korunumu denklemleri enerji vardan yok edilemez ve yoktan var edilemez kavramını ortaya koyar.
Aerodinamiğin dalları
Aerodinamik sorunlar akış ortamında veya akış hızı, sıkıştırılabilirlik ve viskozite gibi akış özellikleri ile sınıflandırılır. Dış aerodinamik çeşitli şekillerde katı nesneler etrafında çalışmadır. Bir roketin burnunun önünde, bir uçak ya da şok dalgalar üzerinde kaldırma ve sürükleme dış aerodinamik örnekleridir. Dahili aerodinamik katı nesneler geçitlerden içeriye çalışmadır. Örneğin, iç aerodinamik bir jet motoru ile ya da bir havalandırma borusu aracılığıyla hava akımının çalışmasını kapsar.
Aerodinamik sorunları da ses hızına yakın veya üzerinde, akış hızı altında olup olmadığına göre sınıflandırılabilir. Sorunun tüm hızlarda ses hızından daha az ise bir problem altında ve ses hızından üzerinde iki hız(karakteristik hızı yaklaşık sesin hızı normal olarak zaman) mevcut olması durumunda, Transonic, ses altı olarak adlandırılan, süpersonik zaman akış hızı ses hızından çok daha büyük olduğu zaman akış hızı karakteristik ses hızı ve hipersonik daha büyüktür. Aerodinamikçiler hipersonik akış kesin tanımı üzerinde hemfikir olup; kaba bir tanım ile hipersonik olmak için yukarıdaki beş Mach sayısı ile düşünülmelidir.
Akışta viskozite etkisi üçüncü bir sınıflandırma belirler. Bazı problemler durumunda viskozite önemsiz olarak kabul edilebilir, ve sadece çok küçük bir yapışma etkisi ile karşılaşabilir. Bu sorunlara yaklaşımlarına ise sürtünmesiz akımlar denir. Ihmal edilemez herhangi vizkozite akımlarına ise viskoz akışlar denir.
Sıkıştırılamaz aerodinamik
Sıkıştırılamaz bir akış yoğunluğu zaman ve mekanda sabit olduğu bir akıştır. Tüm gerçek akışkanların sıkıştırılabilir olmasına rağmen çıkışları üzerine olan soruna yoğunluk değişikliklerin etkisi küçük ise, bu akış genellikle sıkıştırılamaz olarak kabul edilir. Akış hızları ses hızından önemli ölçüde daha düşük olduğunda bunun doğru olması daha muhtemeldir. Sıkıştırılabilirliğin etkileri yakın veya ses hızının üstünde hızlarda daha önemlidir. Mach sayısı sıkıştırılamazlık kabul edilebilir ya da akış sıkıştırılabilir olarak çözülmesi gerekip akış hızını değerlendirmek için kullanılır.
Subsonik akış
Akışta her yerde ses hızından çok daha düşük akımlarda Subsonik (veya düşük hız) aerodinamik akışkan hareketi çalışmalarıdır. Orada subsonik akışının çeşitli dalları vardır ama akış, viskoz olmayan yerde sıkıştırılamaz ve irrotasyonel olduğunda özel bir durum ortaya çıkar. Bu duruma Potansiyel akış denir ve akışkan dinamiği denklemlerin basitleştirilmiş bir versiyonu olarak kullanılan diferansiyel denklemler verir, böylece aerodinamikçilerinden hızlı ve kolay çözümler bir dizi için kullanılabilir yapar.
Bir ses altı sorunların çözümü için, aerodinamik tarafından yapılacak bir karar sıkıştırılabilirlik etkilerinin dahil olup olmadığıdır. Sıkıştırılabilirlik sorunun yoğunluk değişim miktarının bir açıklamasıdır. Çözüm sıkıştırılabilirliğin etkileri küçük olduğunda, aerodinamik o yoğunluğu sabit olduğunu varsaymak seçilebilir. Yoğunluk değişir ve bırakılır, sorun sıkıştırılabilirlik problemi olarak adlandırılır. Akışında Mach sayısı(60 F saatte ikinci veya 228 kilometre başına yaklaşık 335 feet(102m) (366 km)) 0,3 geçmediği zaman havada, sıkıştırılabilir etkiler genellikle göz ardı edilir. 0.3 yukarıda, sorun sıkıştırılabilir aerodinamik kullanılarak çözülmelidir.
Sıkıştırılabilir aerodinamik
Aerodinamik teorilerine göre, bir akımın izlediği çizgiye göre olan yoğunluğu sıkıştırılabilirdir. Yani, yoğunluktaki değişiklikler göz önüne alınmalıdır. Genel olarak, bu durum Mach sayısının 0.3'ü aştığı durumlardan biridir.
Transonik Akış
Transonik terimi(genellikle 0.8-1.2 Mach olarak alınmıştır) hemen altında ve ses hızının üzerinde yerel bir hız aralığına karşılık gelir. Tipik olarak hava akımı tamamen süpersonik bir Mach 1,2 civarındaki bir uçağın üzerine hava akışının bazı kısımları süpersonik kritik Mach sayısı, ve daha yüksek bir hızda, arasında hız aralığı olarak tanımlanır. Bu hızlar arasında, bazı hava akımları süpersonik bazıları değildir.
Süpersonik akış
Süpersonik aerodinamik sorunları ses hızından daha büyük bir akış hızı ile ilgili olanlardır. Seyir sırasında olan bir Concorde'a olan kaldırma hesaplaması süpersonik aerodinamik soruna bir örnek olabilir.
Süpersonik akış subsonik akışa göre çok daha farklı davranır. Akışlar basınçlardaki değişmeye tepki verirler; basınç farklılıkları bu akışkanın nasıl özelliklerinin olduğuna cevap verir. Yani ses çok küçük bir basınç farklılığında bulunan ortamda olduğundan dolayı, bilginin yayılma hızının en yüksek halini ses hızı olarak düşünebiliriz.
Hipersonik akış
Aerodinamik, hipersonik hızlarda son derece süpersonik hızları vardır. 1970'li yıllarda, bu terim genellikle yukarıdaki Mach 5 hızında ve daha yüksekleri için kullanılmıştır. Hipersonik rejim süpersonik rejiminin bir alt kümesidir. Hipersonik akışı bir şok dalgası, viskoz etkileşim ve gaz kimyasal ayrışma arkasında yüksek ısı akışı ile karakterize edilir.
Bağıl terminoloji
Sıkıştırılamaz ve sıkıştırılabilir akım sınır tabakaları ve türbilans gibi birçok bağıl fenomeni düzenler.
Sınır tabakaları
Bir sınır tabakası kavramı aerodinamik sorunlar açısından çok önemlidir. Havada viskozite ve sıvı sürtünme sadece bu ince bir tabaka belirgin olarak yaklaştırılır. Bu ilke aerodinamik çok daha uysal matematiksel yapar.
Türbülans
Aerodinamik, türbülans akışında kaotik, stokastik özellik değişiklikleri ile karakterizedir. Bu düşük ivme difüzyon, yüksek ivme konveksiyon, ve uzay ve zaman içinde basınç ve hız hızlı değişimini kapsamaktadır. Bu çalkantılı değil akış laminar akım denir.