Aerodynamika

Aerodynamika je náuka, ktorá:

  • skúma silové účinky vzduchu (z gréckeho "aer"=vzduch) pri jeho pohybe (pôsobiť môže na ľubovoľné teleso - lietadlo, automobil ..., pohyb môže byť relatívny - tekutina stojí a teleso sa pohybuje)
  • tvorí jeden z teoretických základov leteckého inžinierstva (zaoberajúceho sa dizajnom a vývojom lietadiel)
  • tvorí jeden z teoretických základov pilotovania lietadiel
  • tvorí jeden z teoretických základov turbinárstva a energetiky (inžinierske odbory zaoberajúce sa tepelnými strojmi a motormi)
  • patrí do oblasti fyziky, konkrétne do mechaniky tekutín (spolu s hydrodynamikou)

Aerodynamika patrí na pomyselnú hranicu medzi fyzikálnymi a inžinierskymi disciplínami. Zaoberá sa prúdením vzduchu, teda aj ostatných stlačiteľných tekutín (plynov). Základy jej matematického aparátu sú spoločné pre celú mechaniku tekutín a sú teda aplikovateľné nielen na efektívne tvarovanie inžinierskych výtvorov (lietadlá, lode, budovy), ale aj na vysvetlenie geofyzikálnych prúdení (meteorológia, hydrológia, oceánografia, geofyzika), prúdenia vo vesmírnom priestore (astrofyzika), ale aj prúdenia v živej prírode (prúdenie krvi v srdci, pohyb mikroorganizmov).

V oblasti leteckého inžinierstva je aerodynamika nástrojom pre zistenie veľkosti síl pôsobiacich na lietadlo, na ktoré musí byť konštrukcia dimenzovaná, na pochopenie podmienok a bezpečnostných obmedzení za ktorých je lietadlo stabilné a ovládateľné, a tiež na zistenie výkonov a účinnosti.

Podľa metód, ktorými sa v aerodynamike získavajú nové poznatky, možno rozlíšiť tieto tri oblasti:

  • teoretická aerodynamika
  • experimentálna aerodynamika
  • výpočtová aerodynamika

Teoretická aerodynamika

Opiera sa o analytické metódy (matematická analýza) a zovšeobecnenia získané z experimentov v priebahu vývoja aerodynamiky. Výhodou metód teoretickej aerodynamiky je, že umožňujú z nesmierne zložitej reality prúdenia, ktorá je dôsledkom vzájomnej interakcie miliárd molekúl, vybrať tie efekty, ktoré sú pre daný prípad podstatné a skúmať ich osobitne. Tým dochádza k redukcii rádu problému a výsledkom je zjednodušený model reality, ktorý poskytuje spojité riešenie. Analytické modely poskytujú pre inžinierov aj ďalšiu výhodu - umožňujú pre zadaný výsledok určiť potrebné podmienky pre jeho dosiahnutie (tzv. reverzná úloha). Napr. pre zadanú hodnotu maximálneho vztlaku krídla určiť požadovaný tvar profilu.

Experimentálna aerodynamika

Tvorila nerozlučnú dvojicu s teoretickou aerodynamikou už od historických počiatkov vývoja aerodynamiky. Metódy experimentálnej aerodynamiky umožňujú pozorovanie reality za kontrolovaných podmienok. Obsahom experimentálnej aerodynamiky je stanovenie potrebných podmienok pre to aby boli rôzne experimenty porovnateľné, ako aj vývoj technológii pre zisťovanie potrebných vlastností prúdenia.
Medzi najznámejšie nástroje experimentálnej aerodynamiky patria aerodynamické tunely, ale patria sem aj pokusy za letu na lietadlách, alebo modeloch. Modely môžu byť schopné samostatného letu, alebo nesené pod lietadlom - vtedy hovoríme o lietajúcich laboratóriách. Aerodynamické tunely môžu mať veľmi rôzne usporiadanie, záleži od účelu (horizontálne, vývrtkové), rozsahu rýchlostí (podzvukové, transsonické, nadzvukové), alebo iných technických detailov (cirkulačné, otvorené, pretlakové ...).

Letecká fakulta vlastní dva aerodynamické tunely:

Výpočtová aerodynamika

V začiatkoch tvorila súčasť teoretickej aerodynamiky. Ručný výpočet jednoduchých modelov iba vytváral predpovede, ktoré sa museli experimentálne overovať. S nástupom počítačov a numerických metód však dospela zložitosť modelov tak ďaleko, že výsledky výpočtu sú niekedy presnejšie, než vieme dosiahnuť experimentálnymi metódami pri ešte prijateľných nákladoch. Numerické metódy sú často pružnejšie a lacnejšie ako výroba modelov a prototypov pre experimenty. Nástup numerických výpočtových metód spôsobil veľký posun vo filozofii použitia aerodynamických tunelov. Dnes sa už aerodynamické tunely nepoužívajú pri vývoji lietadiel v takom rozsahu ako predtým. Je to príliš drahé. Kde sa len dá, používajú sa numerické metódy. Experimenty v aerodynamických tuneloch sa potom používajú hlavne na vylepšovanie a verifikáciu numerických modelov, alebo ako doplnok k numerickým metódam pre tie režimy letu, kde ešte numerické metódy neposkytujú hodnoverné výsledky. S tým ako sa numerické metódy zlepšujú, zmenšuje sa aj oblasť týchto režimov, kde je experiment zatiaľ nezastupiteľný. Častokrát je limitujúcim faktorom nie to, že pre daný režim neexistuje numerická metóda, ale že súčasná úroveň počítačov neumožňuje daný režím spočítať v dostatočne krátkom čase, alebo, že požadovaný softvér a hardvér je zataiľ príliš drahý. Napriek stále zužujúcemu sa využitiu aerodynamických tunelov tieto asi úplne nevymiznú, len budú musieť byť schopné poskytovať omnoho presnejšie a detailnejšie údaje, ktoré sú potrebné pre verifikáciu, príp. kalibráciu stále lepších a lepších výpočtových metód.

Letecká fakulta vlastní dve licencie numerického softvéru Fluent 5, ktorý dokáže simulovať všetky možné kombinácie prúdení, aké sa na lietadle vyskytujú (stlačiteľné-nestalčiteľné, laminárne-turbulentné).
V prípade potreby riešiť prechod laminárnej a turbulentnej vrstvy a pri aeroelastických efektoch je možné použiť softvér Ansys CFX
Pre problémy letovej mechaniky, stability a letových výkonov je možný výpočet pomocou tzv. panelových metód.