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[debian/openrocket] / core / doc / techdoc / skin-friction-laminar.tex
1
2
3 \subsection{Skin friction drag}
4
5 Skin friction is one of the most notable sources of model rocket
6 drag.  It is caused by the friction of the viscous flow of air
7 around the rocket.  In his thesis Barrowman presented formulae for
8 estimating the skin friction coefficient for both laminar and
9 turbulent boundary layers as well as the transition between the
10 two~\cite[pp.~43--47]{barrowman-thesis}.  As discussed above, a fully
11 turbulent boundary layer will be assumed in this thesis.
12
13 %Two calculation methods will
14 %be presented, one for ``typical'' rockets and one for those with very
15 %fine precision finish.
16
17 The skin friction coefficient $C_f$ is defined as the drag coefficient
18 due to friction with the reference area being the total wetted area
19 of the rocket, that is, the body and fin area in contact with the
20 airflow:
21 %
22 \begin{equation}
23 C_f = \frac{D_{\rm friction}}{\frac{1}{2} \rho v_0^2\;A_{\rm wet}}
24 \end{equation}
25 %
26 The coefficient is a function of the rocket's Reynolds number $R$ and
27 the surface roughness.
28 %, defined
29 %as
30 %
31 %\begin{equation}
32 %R = \frac{v_0\;L_r}{\nu}
33 %\end{equation}
34 %
35 %where $v_0$ is the free-stream velocity of the rocket, $L_r$ is the
36 %length of the rocket and $\nu$ is the local kinematic viscosity of
37 %air.  
38 The aim is to first calculate the skin friction coefficient,
39 then apply corrections due to compressibility and geometry effects,
40 and finally to convert the coefficient to the proper reference area.
41
42
43 \subsubsection{Skin friction coefficients}
44 \label{sec-skin-friction-coefficient}
45
46 The values for $C_f$ are given by different formulae depending on the
47 Reynolds number.  If $R<5\cdot10^5$ the flow is assumed to be
48 completely laminar, and the corresponding skin friction coefficient is
49 %
50 \begin{equation}
51 C_f = \frac{1.328}{\sqrt{R}}.
52 \label{eq-laminar-friction}
53 \end{equation}
54 %
55 Correspondingly, for completely turbulent flow (also for low Reynolds
56 numbers when forced by some protrusion from the surface) the
57 coefficient is given by
58 %
59 \begin{equation}
60 C_f = \frac{1}{(1.50\; \ln R - 5.6)^2}.
61 \label{eq-turbulent-friction}
62 \end{equation}
63 %
64 Above $R=5\cdot10^5$ some of the flow around the rocket is turbulent
65 and some laminar.  Measured data of the transition results in an
66 empirical formula for the transition from
67 equation~(\ref{eq-laminar-friction}) to
68 equation~(\ref{eq-turbulent-friction}) as
69 %
70 \begin{equation}
71 C_f = \frac{1}{(1.50\;\ln R - 5.6)^2} - \frac{1700}{R}.
72 \label{eq-transition-friction}
73 \end{equation}
74 %
75 This equation gives a continuation from the laminar equation.  The
76 exact point of switch to the transitional equation is the point where
77 equations (\ref{eq-laminar-friction}) and
78 (\ref{eq-transition-friction}) are equal, $R=5.39\cdot10^5$.
79
80 % Exact transition point from laminar to transitional
81 %    R = 539154
82
83
84 The above formulae assume that the surface is ``smooth'' and the
85 surface roughness is completely submerged in a laminar sublayer.  At
86 sufficient speeds even slight roughness may have an effect on the skin
87 friction.  The critical Reynolds number corresponding to the roughness
88 is given by
89 %
90 \begin{equation}
91 R_{\rm crit} = 51\left(\frac{R_s}{L_r}\right)^{-1.039},
92 \end{equation}
93 %
94 where $R_s$ is an approximate roughess height of the surface.  A few
95 typical roughness heights are presented in Table~\ref{tab-roughnesses}.
96 For Reynolds numbers above the critical value, the skin friction
97 coefficient can be considered independent of Reynolds number, and has
98 a value of
99 %
100 \begin{equation}
101 C_f = 0.032\left(\frac{R_s}{L_r}\right)^{0.2}.
102 \label{eq-critical-friction}
103 \end{equation}
104 %
105
106 % TODO: epäjatkuvuus karkeudessa
107 % mitä jos karkeus suurta?
108 % Katso Hoernerista!!
109
110
111 \begin{table}
112 \caption{Approximate roughness heights of different
113   surfaces~\cite[p.~XXX]{hoerner}}
114 \label{tab-roughnesses}
115 \begin{center}
116 \begin{tabular}{lc}
117 Type of surface & Height / \um \\
118 \hline
119 Average glass                  & 0.1 \\
120 Finished and polished surface  & 0.5 \\
121 Optimum paint-sprayed surface  & 5 \\
122 Planed wooden boards           & 15 \\
123 % planed = höylätty ???
124 Paint in aircraft mass production & 20 \\
125 Smooth cement surface          & 50 \\
126 Dip-galvanized metal surface   & 150 \\
127 Incorrectly sprayed aircraft paint & 200 \\
128 Raw wooden boards              & 500 \\
129 Average concrete surface       & 1000 \\
130 \hline
131 \end{tabular}
132 \end{center}
133 \end{table}
134
135
136 Finally, a correction must be made for very low Reynolds numbers.  The
137 experimental formulae are applicable above approximately
138 $R\approx10^4$.  This corresponds to velocities typically below 1~m/s,
139 and have therefore negligible effect on simulations.  Below this
140 Reynolds number, the skin friction coeffifient is assumed to be equal
141 as for $R=10^4$.
142
143
144 As a summary, when assuming the rocket to be finished with enough
145 precision to have a significant portion of laminar flow, the value of
146 $C_f$ is computed by
147 %
148 \begin{equation}
149 C_f = \left\{
150 \begin{array}{ll}
151 1.33\cdot10^{-2}, & \mbox{if $R<10^4$} \\
152 \mbox{Eq.~(\ref{eq-laminar-friction})}, & \mbox{if $10^4<R<5.39\cdot10^5$} \\
153 \mbox{Eq.~(\ref{eq-transition-friction})}, & \mbox{if 
154       $5.39\cdot10^5 < R < R_{\rm crit}$} \\
155 \mbox{Eq.~(\ref{eq-critical-friction})}, & \mbox{if $R>R_{\rm crit}$}
156 \end{array}
157 \right. .
158 \end{equation}
159 %
160 When assuming a fully turbulent flow, $C_f$ is computed by
161 %
162 \begin{equation}
163 C_f = \left\{
164 \begin{array}{ll}
165 1.48\cdot10^{-2}, & \mbox{if $R<10^4$} \\
166 \mbox{Eq.~(\ref{eq-turbulent-friction})}, & \mbox{if $10^4<R<R_{\rm crit}$} \\
167 \mbox{Eq.~(\ref{eq-critical-friction})}, & \mbox{if $R>R_{\rm crit}$}
168 \end{array}
169 \right. .
170 \end{equation}
171 %
172 These formulae are plotted in Figure~\ref{fig-skinfriction-plot}.
173
174 \begin{figure}
175 \centering
176 \epsfig{file=figures/drag/skinfriction.eps,width=11cm}
177 \caption{Skin friction coefficient of fully laminar
178   (Eq.~(\ref{eq-laminar-friction})), fully turbulent
179   (Eq.~(\ref{eq-turbulent-friction})), transitional
180   (Eq.~(\ref{eq-transition-friction})) and roughness-limited
181   (Eq.~(\ref{eq-critical-friction})) boundary layers.}
182 \label{fig-skinfriction-plot}
183 % TODO: kuva matlabilla, kapeampi pystysuunnassa
184 \end{figure}
185
186
187 \subsubsection{Compressibility corrections}
188
189 The laminar skin friction coefficient is constant at both subsonic and
190 low supersonic speeds, ${C_f}_c = C_f$.  However, at subsonic speeds
191 the smooth turbulent value of equation~(\ref{eq-turbulent-friction})
192 and the roughness-limited value of
193 equation~(\ref{eq-critical-friction}) must be corrected with
194 %
195 \begin{equation}
196 {C_f}_c = C_f\; (1-0.1\, M^2).
197 \end{equation}
198 %
199 In supersonic flow, the smooth turbulent skin friction coefficient
200 must be corrected with
201 %
202 \begin{equation}
203 {C_f}_c = \frac{C_f}{(1+0.15\, M^2)^{0.58}}
204 \end{equation}
205 %
206 and the roughness-limited value with
207 %
208 \begin{equation}
209 {C_f}_c = \frac{C_f}{1 + 0.18\, M^2}.
210 \end{equation}
211 %
212 However, the corrected roughness-limited value should not be used if
213 it would yield a value smaller than the corresponding smooth turbulent
214 value.  In order not to cause discontinuities, the transition point
215 from of laminar to turbulent corrections and from subsonic to
216 supersonic is done gradually over a suitable Reynolds number or Mach
217 number range.
218
219
220
221 \subsubsection{Skin friction drag coefficient}
222 \label{sec-skin-friction-drag}
223
224 After correcting the skin friction coefficient for compressibility
225 effects, the coefficient can be converted into the actual drag
226 coefficient.  This is performed by scaling it to the correct reference
227 area.  The body wetted area is corrected for its cylindrical geometry,
228 and the effect of finite fin thickness which Barrowman handled
229 separately is also included~\cite[p.~55]{barrowman-thesis}.  The total
230 friction drag coefficient is then
231 %
232 \begin{equation}
233 (C_D)_{\rm friction} = {C_f}_c \; \frac{
234   \del{1 + \frac{1}{2f_B}} \cdot A_{\rm wet,body} + 
235   \del{1 + \frac{2t}{\bar c}} \cdot A_{\rm wet,fins}}
236    {\Aref}
237 \label{eq-friction-drag-scale}
238 \end{equation}
239 %
240 where $f_B$ is the fineness ratio of the rocket, and $t$ the thickness
241 and $\bar c$ the mean aerodynamic chord length of the fins.  The
242 wetted area of the fins $A_{\rm wet,fins}$ includes both sides of the
243 fins.
244
245