寄生阻力

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Drag Curve 2.jpg

寄生阻力Parasitic drag)也稱附加阻力雜散阻力廢阻力,是指物體在流體中運動,由於流體黏度或壓強差所造成之阻力。寄生阻力主要可以分為形狀阻力form drag)、表面摩擦力摩擦阻力Skin friction)及干擾阻力interference drag)三種、其中形狀阻力及表面摩擦力之和也稱為型阻profile drag)。

飛機在飛行時,除了寄生阻力外,也會由於翼面產生升力而出現誘導阻力,低速時由於飛機要維持升力,需要加大攻角,而誘導阻力也隨之提高。當速度提高時,誘導阻力下降,由於物體和流體之間的相對速度提高,寄生阻力也隨之提高。若速度已到達穿音速超音速時,除了寄生阻力及誘導阻力外,還會產生波動阻力英语wave drag

其中速度提高時,誘導阻力下降,其他阻力卻隨之上昇,因此總阻力會在某一速度時出現最小值,若飛機以此速度航行,其效率會等於或接近其最佳效率。飛行員會以此速度來使滑翔距離最大化。不過若要使續航力最大化,飛機的速度需保持在需輸出功率最小的速度,此速度一般會比對應最小阻力的速度要小。在最小阻力點,零升力阻力係數英语Zero-lift drag coefficientCD,o(當升力為零時的阻力係數)會等於誘導阻力係數CD,i。但在輸出功率最小的速度,零升力阻力係數會是誘導阻力係數的三分之一。阻力可以用下式來表示:

F_{drag} = \frac{1}{2} \rho V^2 A_s C_D

其中

C_{D} = C_{D,o} + C_{D,i}

C_{D,i} = K C_L^2是誘導阻力係數

形狀阻力[编辑]

形狀及流場 形狀
阻力
摩擦
阻力
Flow plate.svg 0% 100%
Flow foil.svg ~10% ~90%
Flow sphere.svg ~90% ~10%
Flow plate perpendicular.svg 100% 0%

形狀阻力或是壓差阻力,是指因物體形狀而產生的阻力。在物體和流體之間有相對運動時,物體會影響流場的分佈,使得物體後方的流體壓強小於前方的流體壓強,因此產生形狀阻力。

由於流體和物體的速度不同,在物體邊緣會有一區域的流體速度接近物體的速度,此區域稱為邊界層,若物體截面積變化較大,會使邊界層分離的情形提早出現,邊界層分離後,物體後方的流體壓強會下降,也會增加其形狀阻力。流線型的設計會漸進的改變物體的截面積,其目的也是為了減少形狀阻力[1]。形狀阻力和速度的平方呈正比,因此在高速飛行中格外重要。

表面摩擦力[编辑]

表面摩擦力或摩擦阻力(Skin friction)是來自流體和有相對運動物體「表面」的摩擦力,和湿表面积(即物體和流體接觸的表面積)有關。表面摩擦力和寄生阻力中的其他成份類似,可以用阻力方程表示,而且大約和速度平方成正比。

表面摩擦力係數C_f可以用下式定義[2]

C_f \equiv \frac{\tau_w}{\frac{1}{2} \, \rho \, U_\infty^2}

其中

\tau_w為局部的壁剪應力
\rho為流體密度
U_\infty為自由流場的速度(一般會取不在邊界層內區域的速度)

表面摩擦力係數和動量厚度有以下的關係:

C_f = 2 \frac{d \theta}{d x}

干擾阻力[编辑]

干擾阻力是空氣流經鄰近的二物體時,二個對流場的影響互相干擾,因而產生的阻力。例如飛機的機身、機翼及引擎單獨放在流場中都會產生阻力,但將其組成一個整體後,其總阻力會比其個別阻力的和要大,干擾阻力就是說明此非線性的效果。

干擾阻力容易出現在二零件的交接處,例如飛機的機身及機翼的交接處,若在交接處增加鑲片,使其交接處也呈流線性,可以減少干擾阻力的產生[3]

相關[编辑]

腳註[编辑]

  1. ^ 王懷柱,揭開飛行的奧秘,p3-4
  2. ^ Robort W. Fox, Introduction to Fluid Mechanics, p.406
  3. ^ 王懷柱,揭開飛行的奧秘,p3-8

參考資料[编辑]

  • 王懷柱. 揭開飛行的奧秘. 台北: 全華. 2010. ISBN 978-957-21-6422-8. 
  • Robert W. Fox, Alan T.McDonald. Introduction to Fluid Mechanics. USA: John Wiley & Sons. 1994. ISBN 0-471-59274-9.