Aerodynamiikkaa

Aerodynamiikkaa tutkitaan ilmakehän kanssa vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden liikkeen ja niihin liittyvien voimasuhteiden ymmärtämiseksi. Aerodynamiikan keskeisiä tavoitteita on selvittää, miten muoto, virtausnopeus ja ilman tiheys vaikuttavat nostovoimaan, ilmanvastukseen ja kappaleen liikerataan.

Keskeisiä käsitteitä ovat nostovoima (lift) ja ilmanvastus (drag). Nostovoima syntyy, kun ilman virtaus poikkeaa kappaleen muodosta ja paine- sekä nopeusjakaumat synnyttävät voimien eron ylä- ja alaosan välillä. Ilmanvastus koostuu laminaarisesta vastuksesta sekä turbulenssista sekä paine-eristä; osa vastuksesta johtuu nostovoiman indusoitumisesta. Nostovoiman suuruus riippuu kulmasta suhteessa virtaussuuntaan, nopeudesta ja kappaleen geometriasta.

Virtausta voidaan mallintaa sekä kokeellisesti että numeerisesti. Kokeellisia menetelmiä ovat tuuletuskammioissa ja prototyyppien testaaminen. Numeraalisessa lähestymistavassa käytetään laskennallista fluididynamiikkaa (CFD), jossa ratkaistaan Navier–Stokesin yhtälöt; Reynolds-luku kuvaa virtaustilan laminaarista tai turbulentaalista luonnetta ja vaikuttaa nostovoiman sekä ilmanvastuksen suuruuteen. Rajakerroksessa tapahtuva muutos kappaleen pinnan lähettyvillä on keskeinen osa aerodynamiikkaa; laminaarinen ja turbulenssinen virtaus voivat vaihdella olosuhteiden mukaan.

Sovellukset kattavat ilmailun, auto- ja kilpa-ajamisen, tuulivoiman sekä arkkitehtuurin suunnittelun. Aerodynamiikka on keskeinen tekijä lentokoneiden suunnittelussa sekä polttoainetehokkuuden ja turvallisuuden parantamisessa.