(495) 766-86-01603-971-803
Мы работаем по выходным - тел. 8-926-197-21-13
 

Схема аэродинамической трубы


3. Аэродинамические трубы

Главным методом исследования является метод испытаний в аэродинамических трубах. Аэродинамическая труба представляет собой физический прибор, позволяющий получить в рабочей части, где располагаются исследуемые модели, равномерный прямолинейный установившийся поток воздуха определенной скорости.

В основу эксперимента с использованием аэродинамических труб (АДТ) положен принцип обращения движения, согласно которому картина взаимодействия тела и потока, его обтекающего, не изменяется от того, набегает поток на неподвижное тело или тело движется в неподвижной среде.

По конструктивным признакам аэродинамические трубы можно разбить на два класса:

а) трубы незамкнутого типа;

б) трубы замкнутого типа (с замкнутым потоком).

В зависимости от скорости потока в рабочей части АДТ делятся на:

а) дозвуковые 0 < M < 0,8; обычно в этом интервале чисел М выделяют диапазон малых дозвуковых скоростей, соответствующий числам Маха M < 0,3, при которых газовый поток можно считать потоком несжимаемой жидкости;

б) трансзвуковые 0,8 < M < 1,2;

а) сверхзвуковые 1,2 < M < 5;

а) гиперзвуковые M > 5.

По виду рабочей части аэродинамические трубы делятся на трубы с открытой рабочей частью и трубы с закрытой рабочей частью (рис.2). Встречаются трубы с герметической камерой вокруг рабочей части (камера Эйфеля).

В зависимости от продолжительности работы различают АДТ периодического (кратковременного) действия и непрерывного действия.

3.2. Дозвуковые аэродинамические трубы

На рис.3 приведена схема дозвуковой незамкнутой АДТ. Из рисунка видно, что вентилятор 6, приводимый во вращение электродвигателем 7, засасывает в трубу воздух через сопло 1. Поток воздуха, пройдя спрямляющую решетку (хонейкомб) 2 и сетку 3, становится плоскопараллельным и входит в рабочую часть 4, где установлена испытуемая модель. Из рабочей части поток попадает в диффузор 5 и затем выбрасывается в окружающее пространство.

На рис. 4 представлена схема простейшей аэродинамической трубы прямого действия с открытой рабочей частью, работающей в режиме нагнетания. Основным требованиям к трубе является получение качественного потока. Выполнение этого требования в полном объеме является наибольшей трудностью при создании трубы. Прямолинейность и равномерность потока обеспечивается главным образом, геометрической формой внутреннего контура, стенок и внутренних устройств аэродинамической трубы, обеспечением плавности аэродинамического контура в области сопла и рабочей части.

Не менее важным, но значительно более сложным по своему выполнению является требование обеспечения малой начальной турбулентности потока в рабочей части трубы (здесь– среднеквадратичная величина пульсационной составляющей скорости). Высокая степень турбулентности или завихренности потока оказывает существенное влияние на результаты опытов, а иногда искажает их, так как приводит к изменению качественного характера обтекания.

Существенным требованием к аэродинамической трубе является требование отсутствия пульсаций скорости воздушного потока. Возникновение пульсаций в основном связано с периодическими вихрями, срывающимися с различных плохо обтекаемых элементов трубы (вентиляторная установка, обтекатели, выступы) и неплавностями общего аэродинамического контура трубы. Улучшение поля скоростей и уменьшение скосов и степени турбулентности потока может быть достигнуты за счет исправления аэродинамического контура трубы, применения коллектора с двойным поджатием, установки в форкамере специальных выравнивающих устройств – хонейкомбов и детурбулизирующих сеток.

В замкнутых трубах, которые строятся как с открытой, так и с закрытой рабочей частью, поток, пройдя рабочую часть и диффузор, направляется в обратный канал и через сопло вновь возвращается в рабочую часть, т.е. поворачивает на 360о. Поворот осуществляется в четырех коленах канала. В каждом колене поток поворачивается на 90о. В этих коленах устанавливаются направляющие профилированные лопатки, которые плавно, с минимальными потерями, поворачивают поток и способствуют получению равномерного поля скоростей и давлений в рабочей части. Для устранения закрутки потока вентилятором за его рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат.

Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. В ней устанавливаются хонейкомб и детурбулизирующие сетки. Размеры форкамеры существенно влияют на равномерность поля скоростей в рабочей части. Чем больше форкамера, тем равномернее поле.

Хонейкомб предназначен для уменьшения скоса потока и разрушения крупных вихрей. Хонейкомб представляет собой сотообразную решетку, состоящую из ячеек длиной 5…10 калибров при толщине стенок порядка 0,3…1,5 мм. Отношение поперечного размера ячейки к поперечному размеру форкамеры выбирается в пределах 1/50 … 1/100. Хонейкомб выравнивает поток по направлению, разбивая крупные вихри, а также уменьшает неравномерность распределения продольных скоростей. В то же время он вносит возмущения в поток за счет аэродинамического следа, образующегося за стенками ячеек. Поэтому в тех трубах, где в форкамере кроме хонейкомба ничего больше не устанавлено, для успокоения возмущений необходимо увеличивать расстояние между хонейкомбом и соплом.

Детурбулизирующие сетки способствуют выравниванию поля скоростей и уменьшению начальной турбулентности потока в рабочей части трубы.

Сопло служит для формирования прямолинейного, равномерного потока в рабочей части, разгона потока воздуха от минимальной скорости на входе до расчетной скорости на выходе в рабочую часть. Поперечное сечение сопла может быть круглым, эллиптическим, прямоугольным, квадратным и восьмигранным. Дозвуковые сопла имеют вид сужающихся каналов, спрофилированных особым образом. Форма образующей сопла, его длина и степень поджатия определяют не столько величину скорости, сколько характер поля скоростей. Сопло, благодаря поджатию потока (уменьшению площади поперечного сечения на выходе из него по сравнению с площадью входа), дополнительно к перечисленным выше устройствам устраняет неравномерности распределения скоростей. Степень поджатия потока определяется как . Неравномерность скорости в рабочей части враз меньше неравномерности скорости на входе в сопло. Поджатие потока в сопле способствует уменьшению турбулентности потока в рабочей части.

Рабочая часть – это пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливаются модели для испытания, здесь же располагаются аэродинамические весы и другие приборы. Газовый поток в рабочей части трубы должен иметь равномерное поле скоростей и давлений. Рабочая часть может быть открытой (не иметь стенок), закрытой (ограничена стенками) или иметь вид герметической камеры (рис.2). Открытая рабочая часть обеспечивает свободный доступ к модели и удобство наблюдений. Однако трубы с открытой рабочей частью требуют дополнительной мощности на восполнение потерь, вызванных взаимодействием свободной струи с окружающим воздухом.

Для уменьшения потребной мощности привода для труб с большими скоростями (м/с) применяют закрытую рабочую часть. Аэродинамические характеристики потока в трубе с закрытой рабочей частью лучше, чем в трубе с открытой рабочей частью.

Диффузор располагается сразу за рабочей частью. Он представляет собой спрофилированный канал, который служит для уменьшения скорости потока. Дозвуковой диффузор – расширяющийся вниз по течению канал, в котором происходит торможение потока.

В качестве двигателя для вентилятора аэродинамических труб применяются электромоторы постоянного тока, которые дают возможность изменять в широких пределах число оборотов вентилятора и вместе с этим скорость потока в рабочей части.

В простейшей аэродинамической трубе (рис.4) поток в рабочей части имеет, по сравнению с трубами всасывания (с закрытой рабочей частью, рис.3) и с трубами замкнутого типа, невысокое качество и характеризуется:

  • большой неравномерностью – различие величины скорости в различных точках сечения потока в рабочей части достигает 3 … 5 %;

  • значительным скосом потока – не параллельность векторов скорости в разных точках достигает 1о … 3о;

  • повышенной начальной турбулентностью .

Однако они более простые в эксплуатации и предназначены, как правило, для получения качественной картины обтекания исследуемых тел. Поток газа, сформированный соплом АДТ с открытой рабочей частью, имеет структуру и свойства затопленной турбулентной струи.

АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКАЯ ТРУБА́

Авторы: О. В. Лыжин

АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКАЯ ТРУБА́, экс­пе­рим. ус­та­нов­ка для ис­сле­до­ва­ния яв­ле­ний и про­цес­сов, со­про­во­ж­даю­щих об­те­ка­ние тел по­то­ком га­за (обыч­но воз­ду­ха). Ис­сле­до­ва­ния в А. т. ос­но­ва­ны на прин­ци­пе об­ра­ти­мо­сти дви­же­ния, со­глас­но ко­то­ро­му пе­ре­ме­ще­ние те­ла в не­под­виж­ном воз­ду­хе мо­жет быть за­ме­не­но дви­же­ни­ем воз­ду­ха от­но­си­тель­но не­под­виж­но­го те­ла. Экс­пе­ри­мен­ты в А. т. про­во­дят, как пра­ви­ло, на гео­мет­ри­че­ски по­доб­ных мо­де­лях, ре­же на са­мих ори­ги­на­лах. В А. т. экс­пе­ри­мен­таль­но оп­ре­де­ля­ют дей­ст­вую­щие на те­ло аэ­ро­ди­на­мич. си­лы и мо­мен­ты, ис­сле­ду­ют рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ний и темп-ры по его по­верх­но­сти, ви­зуа­ли­зи­ру­ют про­цесс об­те­ка­ния те­ла по­то­ком, изу­ча­ют аэ­ро­уп­ру­гость и др.

А. т. со­дер­жит ра­бо­чую часть – пря­мо­уголь­ную или ци­лин­д­рич. ка­ме­ру, где раз­ме­ща­ет­ся мо­дель ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та, и ком­плекс уст­ройств, по­сред­ст­вом ко­то­рых в ра­бо­чей час­ти соз­да­ёт­ся рав­но­мер­ный, од­но­род­ный по­ток с за­дан­ны­ми ско­ро­стью, плот­но­стью и темп-рой га­за. По спо­со­бу об­ра­зо­ва­ния по­то­ка А. т. под­раз­де­ля­ют на ком­прес­сор­ные не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия и бал­лон­ные; по ком­по­нов­ке кон­ту­ра (пу­ти дви­же­ния по­то­ка) – на замк­ну­тые и ра­зомк­ну­тые. В ком­прес­сор­ных А. т. по­ток га­за соз­даёт­ся ком­прес­со­ром; они име­ют вы­со­кий кпд и удоб­ны в экс­плуа­та­ции, но для них тре­бу­ют­ся мощ­ные ком­прес­со­ры с боль­шим рас­хо­дом га­за. В бал­лонных А. т. газ под дав­ле­ни­ем ис­те­ка­ет из бал­ло­нов; та­кие А. т. про­ще ком­прес­сор­ных по кон­ст­рук­ции, но ме­нее эко­но­мич­ны из-за по­те­ри час­ти энер­гии по­то­ка при его ре­гу­ли­ро­ва­нии, кро­ме то­го, про­дол­жи­тель­ность их ра­бо­ты (от де­сят­ков се­кунд до неск. ми­нут) ог­ра­ни­че­на за­па­сом газa в бал­ло­нах. Замк­ну­тые А. т. по срав­не­нию с ра­зомк­ну­ты­ми име­ют бо­лее вы­со­кий кпд (за счёт ис­поль­зо­ва­ния зна­чит. час­ти ки­не­тич. энер­гии, ос­тав­шей­ся в га­зо­вом по­то­ке по­сле его про­хо­ж­де­ния че­рез ра­бо­чую часть тру­бы), но и боль­шие раз­ме­ры.

В за­ви­си­мо­сти от реа­ли­зуе­мо­го диа­па­зо­на Ма­ха чи­сел ($M$) раз­ли­ча­ют А. т. доз­ву­ко­вые ($M=$ 0,15–0,7), транс­зву­ко­вые ($M=$ 0,7–1,3), сверх­зву­ко­вые ($M=$ 1,3–5) и ги­пер­зву­ко­вые ($M=$ 5–25).

В доз­ву­ко­вых А. т. (рис. 1) ис­сле­ду­ют аэ­ро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки доз­ву­ко­вых са­мо­лё­тов, вер­то­лё­тов, а так­же ха­рак­те­ри­сти­ки сверх­зву­ко­вых са­мо­лё­тов на взлёт­но-по­са­доч­ных ре­жи­мах; с их по­мо­щью изу­ча­ют ха­рак­тер об­те­ка­ния воз­душ­ным по­то­ком ав­то­мо­би­лей и др. на­зем­ных транс­порт­ных средств, зда­ний, мос­тов, ба­шен и др. объ­ек­тов. Ра­бо­чая часть та­ких А. т. обыч­но име­ет вид ци­лин­д­ра с по­пе­реч­ным се­че­ни­ем в фор­ме кру­га, пря­мо­уголь­ни­ка или эл­лип­са. Пе­ред ра­бо­чей ча­стью на­хо­дят­ся фор­ка­ме­ра и со­пло – кон­фу­зор, обес­пе­чива­ю­щие вы­со­кую рав­но­мер­ность воз­душ­но­го по­то­ка. В на­ча­ле фор­ка­ме­ры сто­ит ре­шёт­ка из ка­либ­ро­ван­ных тру­бок для уст­ра­не­ния ско­сов по­то­ка и раз­мель­че­ния круп­ных вих­рей – хо­ней­комб. За ре­шёт­кой рас­по­ла­га­ют­ся сет­ки, вы­рав­ни­ваю­щие ско­ро­сти в по­пе­реч­ном се­че­нии по­то­ка и умень­шаю­щие тур­бу­лент­ные пуль­са­ции. Из ра­бо­чей час­ти че­рез диф­фу­зор и ко­ле­на с по­во­рот­ны­ми ло­пат­ка­ми, умень­шаю­щи­ми по­те­ри энер­гии, по­ток по­сту­па­ет в ком­прес­сор. Да­лее рас­по­ла­га­ют­ся об­рат­ный ка­нал с диф­фу­зо­ром, ко­ле­на по­во­рот­ных ло­па­ток и воз­ду­хо­ох­ла­ди­тель, под­дер­жи­ваю­щий по­сто­ян­ную темп-ру га­за в ра­бо­чей час­ти. Эл­лип­тич. се­че­ние ра­бо­чей час­ти круп­ней­шей в Рос­сии до­зву­ко­вой А. т. име­ет раз­ме­ры 12×24 м2. Мощ­ность ком­прес­со­ров доз­ву­ко­вых А. т. – от со­тен кВт до неск. де­сят­ков МВт.

Транс­зву­ко­вая ком­прес­сор­ная А. т. по схе­ме ана­ло­гич­на доз­ву­ко­вой. Для реа­ли­за­ции не­пре­рыв­но­го пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка в ней ис­поль­зу­ет­ся до­зву­ко­вое со­пло и ра­бо­чая часть с ще­ле­вы­ми или пер­фо­ри­ро­ван­ны­ми стен­ка­ми; под­би­рая фор­му и раз­мер пер­фо­ра­ции, мож­но пре­дот­вра­тить от­ра­же­ние от сте­нок волн сжа­тия и раз­ре­же­ния, воз­ни­каю­щих при об­те­ка­нии мо­дели. Пром. транс­зву­ко­вые А. т. име­ют по­пе­реч­ные раз­ме­ры ра­бо­чей час­ти до 3 м, мощ­ность ком­прес­со­ров дос­ти­га­ет 100 МВт и бо­лее. В бал­лон­ных транс­зву­ко­вых А. т. для соз­да­ния тре­буе­мо­го га­зо­во­го по­то­ка при­ме­ня­ют эжек­то­ры (рис. 2).

В сверх­зву­ко­вых А. т. для по­лу­че­ния тре­буе­мых ско­ро­стей га­за ис­поль­зу­ют сверх­зву­ко­вое со­пло (т. н. со­пло Ла­ва­ля), со­стоя­щее из су­жаю­щей­ся (доз­ву­ко­вой) и рас­ши­ряю­щей­ся (сверх­зву­ко­вой) час­тей; в ми­ни­маль­ном (кри­ти­че­ском) се­че­нии со­пла ско­рость га­за рав­на ско­рости зву­ка. Чис­ло $M$, по­лу­чае­мое в ра­бо­чей час­ти, оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем пло­ща­дей се­че­ния ра­бо­чей час­ти и кри­тич. се­че­ния со­пла. Тор­мо­же­ние сверх­зву­ко­во­го по­то­ка по­сле ра­бо­чей час­ти со­про­во­ж­да­ет­ся вол­но­вы­ми по­те­ря­ми пол­но­го дав­ле­ния, свя­зан­ны­ми с об­ра­зо­вани­ем скач­ков уп­лот­не­ния. Мощ­но­сти ком­прес­со­ров круп­ных сверх­зву­ко­вых А. т. с ха­рак­тер­ны­ми раз­ме­ра­ми по­пе­реч­но­го се­че­ния ра­бо­чей час­ти 1,5 × 2,5 м2 со­став­ля­ют 50–100 МВт. В не­замк­ну­той пря­мо­точ­ной бал­лон­ной сверх­зву­ко­вой А. т. (рис. 3) нет об­рат­но­го ка­на­ла, за­дан­ное дав­ле­ние в фор­ка­ме­ре (по ме­ре ис­те­че­ния га­за из бал­ло­нов) под­дер­жи­ва­ет­ся с по­мо­щью ре­гу­ли­рую­ще­го дрос­се­ля.

Мо­де­ли­ро­ва­ние ги­пер­зву­ко­во­го по­лё­та тре­бу­ет вос­про­из­ве­де­ния в А. т. дав­ле­ния тор­мо­же­ния до со­тен МПа и темп-ры тор­мо­же­ния до 104 К. При чис­ле МO 4,5 воз­дух в А. т. не­об­хо­ди­мо на­гре­вать для пре­дот­вра­ще­ния его кон­ден­са­ции, от­че­го су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся свой­ст­ва по­то­ка, вы­те­каю­ще­го из со­пла, и он ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски не­при­год­ным для про­ве­де­ния аэ­ро­ди­на­мич. экс­пе­ри­мен­та. Обыч­но ис­сле­до­ва­ния ги­пер­зву­ко­вых ЛА про­во­дят на ком­плек­се экс­пе­рим. ус­та­но­вок, по­сколь­ку не су­ще­ст­ву­ет А. т., ко­то­рая од­на обес­пе­чи­ла бы все не­об­ходи­мые для мо­де­ли­ро­ва­ния та­ко­го по­лё­та ус­ло­вия.

Ги­пер­зву­ко­вые бал­лон­ные А. т. «клас­сич. ти­па» по­доб­ны сверх­зву­ко­вым бал­лон­ным А. т. со вре­ме­нем дей­ст­вия по­ряд­ка де­сят­ков се­кунд. В та­ких тру­бах по­дог­рев воз­ду­ха осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в оми­че­ских, элек­тро­ду­го­вых или кау­пер­ных по­дог­ре­ва­те­лях. Мощ­ность по­дог­ре­ва­те­лей для труб с се­че­ни­ем ра­бо­чей час­ти 1 м2 cоставляет бо­лее 10 MBт. Макс. давлениe в А. т. с ду­го­вым по­до­гре­ва­телем по­ряд­ка 20 МПа, что по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать по­лёт ги­пер­зву­ко­вых ЛА толь­ко на боль­ших вы­со­тах. Боль­шой пе­ре­пад дав­ле­ний, не­об­хо­ди­мый для ги­пер­зву­ко­вых А. т., обес­пе­чи­ва­ет­ся сис­те­мой эжек­то­ров или ва­ку­ум­ной ём­ко­стью (рис. 4).

Ряд важ­ней­ших осо­бен­но­стей ги­пер­зву­ко­во­го по­лё­та мо­де­ли­ру­ет­ся в раз­лич­ных спец. га­зо­ди­на­мич. ус­та­нов­ках. Для ис­сле­до­ва­ний при боль­ших дав­ле­ни­ях тор­мо­же­ния и на­тур­ных Рей­нольд­са чис­лах ши­ро­ко при­ме­ня­ют удар­ные и им­пульс­ные А. т. со вре­ме­нем дей­ст­вия 0,005–0,1 с. Те­п­ло­за­щит­ные по­кры­тия ис­сле­ду­ют в те­п­ло­вых А. т. с элек­тро­ду­го­вы­ми по­дог­ре­ва­те­ля­ми. По­лё­ты на очень боль­ших вы­со­тах мо­де­ли­ру­ют в ва­ку­умных А. т., обес­пе­чи­ваю­щих дав­ле­ние по­ряд­ка 10–3 Па и дли­тель­ность экс­пе­ри­мен­та до 1 ча­са. Аэ­ро­аку­стич. А. т. пред­на­зна­че­ны для ис­сле­до­ва­ния влия­ния аку­стич. по­лей на проч­ность кон­ст­рук­ции изу­чае­мо­го объ­ек­та, ра­бо­ту при­бор­ных от­се­ков и др. От обыч­ных А. т. они от­ли­ча­ют­ся тем, что их ра­бо­чая часть за­щи­ще­на от внеш­них шу­мов (ра­бо­таю­щих си­ло­вых ус­та­но­вок и вен­ти­ля­то­ров А. т.), а её стен­ки по­кры­ты ма­те­риа­лом, по­гло­щаю­щим зву­ко­вые вол­ны, воз­ни­каю­щие при об­те­ка­нии мо­де­ли и ра­бо­те ус­та­нов­лен­ных на ней дви­га­те­лей.

Управ­ле­ние А. т. и об­ра­бот­ка дан­ных, по­лу­чае­мых в хо­де экс­пе­ри­мен­тов с на­тур­ны­ми объ­ек­та­ми или их мо­де­ля­ми, осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью ЭВМ.

По­яв­ле­ние и раз­ви­тие А. т. тес­но свя­за­но с раз­ви­ти­ем авиа­ции. Пер­вые А. т. по­строе­ны в 1871 В. А. Паш­ке­ви­чем в Рос­сии и Ф. Уэн­хе­мом в Ве­ли­ко­бри­та­нии, не­сколь­ко позд­нее К. Э. Ци­ол­ков­ским (1897), брать­я­ми У. и О. Райт (1901), Н. Е. Жу­ков­ским (1902) и др. В 1920–30-х гг. раз­ви­тие А. т. шло в осн. по пу­ти уве­ли­че­ния их мощ­но­сти и раз­ме­ров ра­бо­чей час­ти. В 1925 в ЦАГИ вве­де­на в дей­ст­вие круп­ней­шая для то­го вре­ме­ни А. т. С сер. 1940-х гг. на­ча­ла бы­ст­ры­ми тем­па­ми раз­ви­вать­ся ре­ак­тив­ная авиа­ция, что об­ус­ло­ви­ло соз­да­ние круп­ных транс­зву­ко­вых и сверх­зву­ко­вых А. т. В 1946 в ЦАГИ соз­да­на пер­вая в ми­ре транс­зву­ко­вая А. т. с пер­фо­ри­ро­ван­ной ра­бо­чей ча­стью, обес­пе­чив­шая прин­ци­пи­аль­но но­вые воз­мож­но­сти для про­ве­де­ния ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка. Раз­ви­тие ги­пер­зву­ко­вых А. т. и соз­да­ние спец. ги­пер­зву­ко­вых га­зо­ди­на­мич. ус­та­но­вок свя­за­но с по­яв­ле­ни­ем в 1960-х гг. бал­ли­стич. ра­кет и спус­кае­мых кос­мич. ап­па­ра­тов. С це­лью уве­ли­че­ния чи­сел Рей­нольд­са в А. т. для при­бли­же­ния к на­тур­ным зна­че­ни­ям в 1980-е гг. бы­ла реа­ли­зо­ва­на кон­цеп­ция крио­ген­ной аэ­ро­ди­на­мич. тру­бы.

3.2. Конструкции аэродинамических труб.

Аэродинамические трубы по скорости потока разделяются на дозвуковые,трансзвуковые,сверхзвуковые и гиперзвуковые;

по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается специальным компрессором, и баллонные с повышенным давлением;

по компоновке контура - на замкнутые инезамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции, а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

Простейшие схемы труб малых скоростей (работающие в условиях практической несжимаемости воздуха при скоростях до 50-60 м/сек) приведены на 3.6,

а

б

Рис. 3.6 Простейшие схемы аэродинамических труб малых скоростей

1 - рабочая часть, 2 - коллектор (а) либо сопло (б) в обоих случаях - каналы, сужающиеся по течению (конфузоры); 3 - диффузор, расширяющийся по течению; 4 - вентилятор с мотором 5; пунктиром показаны предохранительная сетка «С» и в замкнутой трубе - поворотные лопатки «Л».

Труба прямого действия Рис. 3.6,а (не замкнутая) показана с закрытой стенками рабочей частью, а замкнутая труба - с открытой рабочей частью; но первую можно сделать с открытой рабочей частью, если убрать ее стенки, заменив их герметичной камерой (показана пунктиром), а вторую - сделать с закрытой рабочей частью, если вместо свободной границы поставить стенки.

Дозвуковые аэродинамические трубы. Дозвуковая АТ постоянного действия (Рис 3.7) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника).

Рис. 3.7 Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы.

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 – компрессор,

10 – воздухоохладитель

Рабочая часть А. т. может быть закрытой или открытой, а если необходимо создать А. т. с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (высотной камерой).

Исследуемая модель 6 крепится державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам. Перед рабочей частью расположено сопло, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 7 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части. Компрессор (вентилятор) , приводимый в действие силовой установкой, компенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 8 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором. Радиатор обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А. т. Если в каком-либо сечении канала А. т. статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан.

Размеры дозвуковых А. т. колеблются от больших А. т. для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов. На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром. Существуют также разомкнутые А. т., в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных ёмкостей.

Существенной особенностью дозвуковых А. т. является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.

Сверхзвуковые аэродинамические трубы. В общих чертах схемы сверхзвуковой (см. Рис. 3.8 и 3.9) и дозвуковой А. т. аналогичны.

Рис. 3.8 Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу

Рис. 3.9 Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор

Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А. т. применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А. т. для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.

В диффузоре сверхзвуковой А. т. скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося - расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А. т. часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.

В сверхзвуковой А. т. потери энергии в ударных волнах, возникающих в диффузоре, значительно больше потерь на трение и вихреобразование. Кроме того, значительно больше потери при обтекании самой модели, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые А. т. имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, чем дозвуковые А. т.

Принцип работы аэродинамической трубы

Аэродинамической трубой называется устройство, предназначенное для создания искусственного потока воздуха. Закономерность проведения исследований в аэродинамических трубах базируется на принципе обращения движения и на законе аэродинамического подобия, позволяющего применять результаты продувок модели к натурному самолету. В зависимости от поставленной задачи аэродинамические трубы подразделяются на:

1) трубы малых скоростей;

2) трубы больших дозвуковых скоростей;

3) трубы сверхзвуковых скоростей;

4) трубы переменной плотности;

5) гигантские натурные трубы;

6) трубы спец. назначения (штопорная, дымовой канал и т.д.);

7) гиперзвуковые трубы;

8) трубы разрежённых газов, в которых используются в качестве рабочего тела гелий, воздух и азот.

Первая аэродинамическая труба была построена в России в 1887г. в городе Калуге К.Э. Циолковским.

По принципу работы аэродинамические трубы бывают:

· открытого контура;

· замкнутого контура.

Основным отличием трубы замкнутого типа от трубы прямого действия является наличие обратного канала, создающего для воздуха замкнутый путь.

У трубы замкнутого типа рабочая часть трубы может выполняться открытой.

Рассмотрим принцип работы аэродинамической трубы:

Рис. 1.16. Схема аэродинамической трубы

При включении электрического мотора (9), вентилятор (8) начинает создавать воздушный поток, который попадает в сужающуюся часть аэродинамической трубы, называющейся коллектором (2). Коллектор предназначен для увеличения скорости потока. Для того, чтобы воздух в коллекторе протекал плавно без завихрения, коллектор делают с большим отношением входной и выходной площадей поперечного сечения (5:1 и более). Для формирования плоскопараллельного потока в корпусе (1) устанавливаются спрямляющие решётки (3). В рабочей части трубы (4) на специальных аэродинамических весах (6) устанавливается исследуемая модель (5). Поток воздуха, обтекающий модель в рабочей части трубы, попадает затем в диффузор (7). Диффузор уменьшает скорость потока воздуха за рабочей частью и заторможенный поток, попадая на лопасти вентилятора, повышает его КПД.

В трубе замкнутого контура в обратном канале устанавливаются поворотные лопатки, которые служат для уменьшения потерь кинетической энергии потока в местах поворота.

Рис.1.17. Аэродинамическая труба замкнутого контура

Пройдя через поворотные решётки в обратном канале, воздух попадает в самую широкую часть трубы замкнутого контура, называемую форкамерой.

Основными характеристиками рабочей трубы являются:

· максимальная скорость в рабочей части;

· размеры рабочей части.

Аэродинамические трубы оборудуются различными измерительными приборами.

Для измерения сил и моментов, действующих на помещенное в трубу тело, служат специальные аэродинамические весы, которые могут быть одно-, двух-, трех- и шестикомпонентные.

Дата добавления: 2016-12-27; просмотров: 4820; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Похожие статьи:

АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКАЯ ТРУБА́

Авторы: О. В. Лыжин

АЭРОДИНАМИ́ЧЕСКАЯ ТРУБА́, экс­пе­рим. ус­та­нов­ка для ис­сле­до­ва­ния яв­ле­ний и про­цес­сов, со­про­во­ж­даю­щих об­те­ка­ние тел по­то­ком га­за (обыч­но воз­ду­ха). Ис­сле­до­ва­ния в А. т. ос­но­ва­ны на прин­ци­пе об­ра­ти­мо­сти дви­же­ния, со­глас­но ко­то­ро­му пе­ре­ме­ще­ние те­ла в не­под­виж­ном воз­ду­хе мо­жет быть за­ме­не­но дви­же­ни­ем воз­ду­ха от­но­си­тель­но не­под­виж­но­го те­ла. Экс­пе­ри­мен­ты в А. т. про­во­дят, как пра­ви­ло, на гео­мет­ри­че­ски по­доб­ных мо­де­лях, ре­же на са­мих ори­ги­на­лах. В А. т. экс­пе­ри­мен­таль­но оп­ре­де­ля­ют дей­ст­вую­щие на те­ло аэ­ро­ди­на­мич. си­лы и мо­мен­ты, ис­сле­ду­ют рас­пре­де­ле­ние дав­ле­ний и темп-ры по его по­верх­но­сти, ви­зуа­ли­зи­ру­ют про­цесс об­те­ка­ния те­ла по­то­ком, изу­ча­ют аэ­ро­уп­ру­гость и др.

А. т. со­дер­жит ра­бо­чую часть – пря­мо­уголь­ную или ци­лин­д­рич. ка­ме­ру, где раз­ме­ща­ет­ся мо­дель ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та, и ком­плекс уст­ройств, по­сред­ст­вом ко­то­рых в ра­бо­чей час­ти соз­да­ёт­ся рав­но­мер­ный, од­но­род­ный по­ток с за­дан­ны­ми ско­ро­стью, плот­но­стью и темп-рой га­за. По спо­со­бу об­ра­зо­ва­ния по­то­ка А. т. под­раз­де­ля­ют на ком­прес­сор­ные не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия и бал­лон­ные; по ком­по­нов­ке кон­ту­ра (пу­ти дви­же­ния по­то­ка) – на замк­ну­тые и ра­зомк­ну­тые. В ком­прес­сор­ных А. т. по­ток га­за соз­даёт­ся ком­прес­со­ром; они име­ют вы­со­кий кпд и удоб­ны в экс­плуа­та­ции, но для них тре­бу­ют­ся мощ­ные ком­прес­со­ры с боль­шим рас­хо­дом га­за. В бал­лонных А. т. газ под дав­ле­ни­ем ис­те­ка­ет из бал­ло­нов; та­кие А. т. про­ще ком­прес­сор­ных по кон­ст­рук­ции, но ме­нее эко­но­мич­ны из-за по­те­ри час­ти энер­гии по­то­ка при его ре­гу­ли­ро­ва­нии, кро­ме то­го, про­дол­жи­тель­ность их ра­бо­ты (от де­сят­ков се­кунд до неск. ми­нут) ог­ра­ни­че­на за­па­сом газa в бал­ло­нах. Замк­ну­тые А. т. по срав­не­нию с ра­зомк­ну­ты­ми име­ют бо­лее вы­со­кий кпд (за счёт ис­поль­зо­ва­ния зна­чит. час­ти ки­не­тич. энер­гии, ос­тав­шей­ся в га­зо­вом по­то­ке по­сле его про­хо­ж­де­ния че­рез ра­бо­чую часть тру­бы), но и боль­шие раз­ме­ры.

В за­ви­си­мо­сти от реа­ли­зуе­мо­го диа­па­зо­на Ма­ха чи­сел ($M$) раз­ли­ча­ют А. т. доз­ву­ко­вые ($M=$ 0,15–0,7), транс­зву­ко­вые ($M=$ 0,7–1,3), сверх­зву­ко­вые ($M=$ 1,3–5) и ги­пер­зву­ко­вые ($M=$ 5–25).

В доз­ву­ко­вых А. т. (рис. 1) ис­сле­ду­ют аэ­ро­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки доз­ву­ко­вых са­мо­лё­тов, вер­то­лё­тов, а так­же ха­рак­те­ри­сти­ки сверх­зву­ко­вых са­мо­лё­тов на взлёт­но-по­са­доч­ных ре­жи­мах; с их по­мо­щью изу­ча­ют ха­рак­тер об­те­ка­ния воз­душ­ным по­то­ком ав­то­мо­би­лей и др. на­зем­ных транс­порт­ных средств, зда­ний, мос­тов, ба­шен и др. объ­ек­тов. Ра­бо­чая часть та­ких А. т. обыч­но име­ет вид ци­лин­д­ра с по­пе­реч­ным се­че­ни­ем в фор­ме кру­га, пря­мо­уголь­ни­ка или эл­лип­са. Пе­ред ра­бо­чей ча­стью на­хо­дят­ся фор­ка­ме­ра и со­пло – кон­фу­зор, обес­пе­чива­ю­щие вы­со­кую рав­но­мер­ность воз­душ­но­го по­то­ка. В на­ча­ле фор­ка­ме­ры сто­ит ре­шёт­ка из ка­либ­ро­ван­ных тру­бок для уст­ра­не­ния ско­сов по­то­ка и раз­мель­че­ния круп­ных вих­рей – хо­ней­комб. За ре­шёт­кой рас­по­ла­га­ют­ся сет­ки, вы­рав­ни­ваю­щие ско­ро­сти в по­пе­реч­ном се­че­нии по­то­ка и умень­шаю­щие тур­бу­лент­ные пуль­са­ции. Из ра­бо­чей час­ти че­рез диф­фу­зор и ко­ле­на с по­во­рот­ны­ми ло­пат­ка­ми, умень­шаю­щи­ми по­те­ри энер­гии, по­ток по­сту­па­ет в ком­прес­сор. Да­лее рас­по­ла­га­ют­ся об­рат­ный ка­нал с диф­фу­зо­ром, ко­ле­на по­во­рот­ных ло­па­ток и воз­ду­хо­ох­ла­ди­тель, под­дер­жи­ваю­щий по­сто­ян­ную темп-ру га­за в ра­бо­чей час­ти. Эл­лип­тич. се­че­ние ра­бо­чей час­ти круп­ней­шей в Рос­сии до­зву­ко­вой А. т. име­ет раз­ме­ры 12×24 м2. Мощ­ность ком­прес­со­ров доз­ву­ко­вых А. т. – от со­тен кВт до неск. де­сят­ков МВт.

Транс­зву­ко­вая ком­прес­сор­ная А. т. по схе­ме ана­ло­гич­на доз­ву­ко­вой. Для реа­ли­за­ции не­пре­рыв­но­го пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка в ней ис­поль­зу­ет­ся до­зву­ко­вое со­пло и ра­бо­чая часть с ще­ле­вы­ми или пер­фо­ри­ро­ван­ны­ми стен­ка­ми; под­би­рая фор­му и раз­мер пер­фо­ра­ции, мож­но пре­дот­вра­тить от­ра­же­ние от сте­нок волн сжа­тия и раз­ре­же­ния, воз­ни­каю­щих при об­те­ка­нии мо­дели. Пром. транс­зву­ко­вые А. т. име­ют по­пе­реч­ные раз­ме­ры ра­бо­чей час­ти до 3 м, мощ­ность ком­прес­со­ров дос­ти­га­ет 100 МВт и бо­лее. В бал­лон­ных транс­зву­ко­вых А. т. для соз­да­ния тре­буе­мо­го га­зо­во­го по­то­ка при­ме­ня­ют эжек­то­ры (рис. 2).

В сверх­зву­ко­вых А. т. для по­лу­че­ния тре­буе­мых ско­ро­стей га­за ис­поль­зу­ют сверх­зву­ко­вое со­пло (т. н. со­пло Ла­ва­ля), со­стоя­щее из су­жаю­щей­ся (доз­ву­ко­вой) и рас­ши­ряю­щей­ся (сверх­зву­ко­вой) час­тей; в ми­ни­маль­ном (кри­ти­че­ском) се­че­нии со­пла ско­рость га­за рав­на ско­рости зву­ка. Чис­ло $M$, по­лу­чае­мое в ра­бо­чей час­ти, оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем пло­ща­дей се­че­ния ра­бо­чей час­ти и кри­тич. се­че­ния со­пла. Тор­мо­же­ние сверх­зву­ко­во­го по­то­ка по­сле ра­бо­чей час­ти со­про­во­ж­да­ет­ся вол­но­вы­ми по­те­ря­ми пол­но­го дав­ле­ния, свя­зан­ны­ми с об­ра­зо­вани­ем скач­ков уп­лот­не­ния. Мощ­но­сти ком­прес­со­ров круп­ных сверх­зву­ко­вых А. т. с ха­рак­тер­ны­ми раз­ме­ра­ми по­пе­реч­но­го се­че­ния ра­бо­чей час­ти 1,5 × 2,5 м2 со­став­ля­ют 50–100 МВт. В не­замк­ну­той пря­мо­точ­ной бал­лон­ной сверх­зву­ко­вой А. т. (рис. 3) нет об­рат­но­го ка­на­ла, за­дан­ное дав­ле­ние в фор­ка­ме­ре (по ме­ре ис­те­че­ния га­за из бал­ло­нов) под­дер­жи­ва­ет­ся с по­мо­щью ре­гу­ли­рую­ще­го дрос­се­ля.

Мо­де­ли­ро­ва­ние ги­пер­зву­ко­во­го по­лё­та тре­бу­ет вос­про­из­ве­де­ния в А. т. дав­ле­ния тор­мо­же­ния до со­тен МПа и темп-ры тор­мо­же­ния до 104 К. При чис­ле МO 4,5 воз­дух в А. т. не­об­хо­ди­мо на­гре­вать для пре­дот­вра­ще­ния его кон­ден­са­ции, от­че­го су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ют­ся свой­ст­ва по­то­ка, вы­те­каю­ще­го из со­пла, и он ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски не­при­год­ным для про­ве­де­ния аэ­ро­ди­на­мич. экс­пе­ри­мен­та. Обыч­но ис­сле­до­ва­ния ги­пер­зву­ко­вых ЛА про­во­дят на ком­плек­се экс­пе­рим. ус­та­но­вок, по­сколь­ку не су­ще­ст­ву­ет А. т., ко­то­рая од­на обес­пе­чи­ла бы все не­об­ходи­мые для мо­де­ли­ро­ва­ния та­ко­го по­лё­та ус­ло­вия.

Ги­пер­зву­ко­вые бал­лон­ные А. т. «клас­сич. ти­па» по­доб­ны сверх­зву­ко­вым бал­лон­ным А. т. со вре­ме­нем дей­ст­вия по­ряд­ка де­сят­ков се­кунд. В та­ких тру­бах по­дог­рев воз­ду­ха осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в оми­че­ских, элек­тро­ду­го­вых или кау­пер­ных по­дог­ре­ва­те­лях. Мощ­ность по­дог­ре­ва­те­лей для труб с се­че­ни­ем ра­бо­чей час­ти 1 м2 cоставляет бо­лее 10 MBт. Макс. давлениe в А. т. с ду­го­вым по­до­гре­ва­телем по­ряд­ка 20 МПа, что по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать по­лёт ги­пер­зву­ко­вых ЛА толь­ко на боль­ших вы­со­тах. Боль­шой пе­ре­пад дав­ле­ний, не­об­хо­ди­мый для ги­пер­зву­ко­вых А. т., обес­пе­чи­ва­ет­ся сис­те­мой эжек­то­ров или ва­ку­ум­ной ём­ко­стью (рис. 4).

Ряд важ­ней­ших осо­бен­но­стей ги­пер­зву­ко­во­го по­лё­та мо­де­ли­ру­ет­ся в раз­лич­ных спец. га­зо­ди­на­мич. ус­та­нов­ках. Для ис­сле­до­ва­ний при боль­ших дав­ле­ни­ях тор­мо­же­ния и на­тур­ных Рей­нольд­са чис­лах ши­ро­ко при­ме­ня­ют удар­ные и им­пульс­ные А. т. со вре­ме­нем дей­ст­вия 0,005–0,1 с. Те­п­ло­за­щит­ные по­кры­тия ис­сле­ду­ют в те­п­ло­вых А. т. с элек­тро­ду­го­вы­ми по­дог­ре­ва­те­ля­ми. По­лё­ты на очень боль­ших вы­со­тах мо­де­ли­ру­ют в ва­ку­умных А. т., обес­пе­чи­ваю­щих дав­ле­ние по­ряд­ка 10–3 Па и дли­тель­ность экс­пе­ри­мен­та до 1 ча­са. Аэ­ро­аку­стич. А. т. пред­на­зна­че­ны для ис­сле­до­ва­ния влия­ния аку­стич. по­лей на проч­ность кон­ст­рук­ции изу­чае­мо­го объ­ек­та, ра­бо­ту при­бор­ных от­се­ков и др. От обыч­ных А. т. они от­ли­ча­ют­ся тем, что их ра­бо­чая часть за­щи­ще­на от внеш­них шу­мов (ра­бо­таю­щих си­ло­вых ус­та­но­вок и вен­ти­ля­то­ров А. т.), а её стен­ки по­кры­ты ма­те­риа­лом, по­гло­щаю­щим зву­ко­вые вол­ны, воз­ни­каю­щие при об­те­ка­нии мо­де­ли и ра­бо­те ус­та­нов­лен­ных на ней дви­га­те­лей.

Управ­ле­ние А. т. и об­ра­бот­ка дан­ных, по­лу­чае­мых в хо­де экс­пе­ри­мен­тов с на­тур­ны­ми объ­ек­та­ми или их мо­де­ля­ми, осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью ЭВМ.

По­яв­ле­ние и раз­ви­тие А. т. тес­но свя­за­но с раз­ви­ти­ем авиа­ции. Пер­вые А. т. по­строе­ны в 1871 В. А. Паш­ке­ви­чем в Рос­сии и Ф. Уэн­хе­мом в Ве­ли­ко­бри­та­нии, не­сколь­ко позд­нее К. Э. Ци­ол­ков­ским (1897), брать­я­ми У. и О. Райт (1901), Н. Е. Жу­ков­ским (1902) и др. В 1920–30-х гг. раз­ви­тие А. т. шло в осн. по пу­ти уве­ли­че­ния их мощ­но­сти и раз­ме­ров ра­бо­чей час­ти. В 1925 в ЦАГИ вве­де­на в дей­ст­вие круп­ней­шая для то­го вре­ме­ни А. т. С сер. 1940-х гг. на­ча­ла бы­ст­ры­ми тем­па­ми раз­ви­вать­ся ре­ак­тив­ная авиа­ция, что об­ус­ло­ви­ло соз­да­ние круп­ных транс­зву­ко­вых и сверх­зву­ко­вых А. т. В 1946 в ЦАГИ соз­да­на пер­вая в ми­ре транс­зву­ко­вая А. т. с пер­фо­ри­ро­ван­ной ра­бо­чей ча­стью, обес­пе­чив­шая прин­ци­пи­аль­но но­вые воз­мож­но­сти для про­ве­де­ния ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти пе­ре­хо­да че­рез ско­рость зву­ка. Раз­ви­тие ги­пер­зву­ко­вых А. т. и соз­да­ние спец. ги­пер­зву­ко­вых га­зо­ди­на­мич. ус­та­но­вок свя­за­но с по­яв­ле­ни­ем в 1960-х гг. бал­ли­стич. ра­кет и спус­кае­мых кос­мич. ап­па­ра­тов. С це­лью уве­ли­че­ния чи­сел Рей­нольд­са в А. т. для при­бли­же­ния к на­тур­ным зна­че­ни­ям в 1980-е гг. бы­ла реа­ли­зо­ва­на кон­цеп­ция крио­ген­ной аэ­ро­ди­на­мич. тру­бы.

Аэродинамическая труба своими руками: сделать легко и просто

Аэродинамической трубой называется установка, в которой проводятся эксперименты и изучаются явления по обтеканию тел потоком воздуха или газа. Сделать аэродинамическую трубу в домашних условиях своими руками – вполне реально.

Как сделать такую трубу в домашних условиях

На оси нужно укрепить коромысло таким образом, чтобы одно плечо получилось коротким, а другое длинным. Вращению оси на кронштейне ничего не должно мешать, ни трение, ни что-либо другое. Кронштейн нужно приварить или привинтить к щиту с размеченной шкалой, проградуированной в граммах.

На коромысле нужно жестко закрепить вертикальный стержень, на его нижний конец так же жестко прикрепляются различные предметы. Короткое плечо коромысла уравновешивается более тяжелым грузом, которое предназначается для того, чтобы установить коромысло в нулевое положение. Длинное плечо уравновешивается грузиком поменьше, который свободно передвигается по этой части коромысла. Чтобы создать воздушный поток, можно включить пылесос или вентилятор.

Для направления потока используется труба, размер диаметра которой должен немного превышать размер диаметра тела, испытуемого в данном эксперименте. Теперь нужно подвесить предмет, установить маленький грузик на отметке в ноль и начать передвигать большой грузик по короткому плечу, стремясь, чтобы стрелка достигла отметки напротив черты. Чтобы упростить процесс регулирования коромысла, не возбраняется большой грузик выполнить на резьбе.

После уравновешивания системы можно начинать подавать воздух. При этом коромысло начнет отклоняться вверх, и нужно с помощью маленького грузика вернуть его обратно к черте. Деление напротив грузика будет показывать величину, с которой сопротивляется данное тело. Естественно, у каждого предмета будет своя величина сопротивления.

Для чистоты эксперимента необходимо придерживаться следующих условий: поток воздуха должен воздействовать на предмет с постоянной силой. Расстояние между концом трубы и местом, где тело имеет наибольшее сечение так же должно быть неизменным. Ось тела и ось трубы так же должны совпадать.

Выбирая материал для коромысла, лучше отдать предпочтение дюралюминию, что касается материала остальных деталей, то это не имеет существенного значения.

Эффект в промышленности и строительстве

Эффект, который создает аэродинамическая труба, играет большую роль в самолетостроении, ракетостроении и других областях человеческой деятельности. Она помогает определить силы при движении подводных судов. Благодаря ей становится возможным отыскать оптимальную, устойчивую и управляемую форму ракет, самолетов, космических кораблей, поездов и автомобилей. Специальные трубы используются для исследования нагревания и теплозащиты ракет, самолетов и т.д.

Все опыты с аэродинамической трубой имеют в основе принцип обратимости движения, в котором передвижение тела относительно воздушной или водной среды можно заменить движением потока воздуха, набегающего на неподвижный предмет. Как уже было сказано выше, для этого эксперимента необходимо создать постоянный поток, а так же неизменную температуру и плотность. Главное – это соблюсти условия, при которых будет возможно перенести результаты, полученные для модели в лаборатории на натуральный объект.

Если условия выполнены верно, коэффициенты аэродинамики экспериментальной модели и полноразмерного объекта будут равны между собой, а это позволит произвести расчет силы, которая будет действовать на натуральный объект (например, космический корабль).

История имитатора свободного падения

Впервые аэродинамическая труба была создана К. Э. Циолковским в 1897 году. Конечно, это был всего лишь ее прототип, в котором поток воздуха создавался центробежным вентилятором. Первая труба, имеющая разомкнутую схему, была создана англичанином Т. Стантоном в 1903 году и нашим соотечественником Н.Е. Жуковским в 1906 году.

А уже в 1909 году появилась труба разомкнутой схемы, а так же модель, имеющая свободную струю в рабочей части. В дальнейшем, с развитием таких отраслей, как артиллерия, реактивная авиация и ракетная техника, появилась сверхзвуковая аэродинамическая труба. Скорость потока воздушной массы в ее рабочей части в несколько раз превысила скорость, с которой распространяется звуковая волна.

Классификация

  1. В первую очередь их классифицируют в соответствии с диапазоном скоростей потока. Т.е. А. т. может быть дозвуковой, сверхзвуковой, трансзвуковой и гиперзвуковой.
  2. Вторая классификация учитывает тип и размер рабочей части. Т.е. А. т. может быть открытой и закрытой.
  3. Третья классификация учитывает такую характеристику, как поджатие. Ее рассчитывают путем соотношения таких величин, как площадь поперечного сечения сопла трубы и форкамеры.

Помимо этой классификации выделяют три группы А.:

  1. Высокотемпературная. Она изучает влияние высоких температур и явлений, с ним связанных. Это диссоциация и ионизация газов.
  2. Высотная. Она исследует обтекание моделей разреженным газом, т.е. имитируется полет на большой высоте.
  3. Аэроакустическая. Она исследует влияние акустических полей на устойчивость конструкции, работу различных механизмов и др.

Для исследования характеристик частей корпуса судов используются дублированные модели, это позволяет исключить протекание на поверхности разделения сред. В качестве альтернативного варианта может быть использован специальный экран, имитирующий поверхность воды.

Как еще используется аэродинамическая установка

На сегодняшний день существует такой тренажер, который называется «Вертикальная аэродинамическая труба». Ее используют для подготовки начинающих парашютистов и в качестве безопасного и удобного аттракциона для любителей экстремальных видов спорта. Что касается технической подготовки, то данный процесс призван сознательно изменить поведение спортсмена, чтобы его действия соответствовали задачам его деятельности.

Доказано, что спортсмены (и не только парашютисты) благодаря применению тренажеров повышают эффективность тренировочного процесса в несколько раз.

Тренажером, в котором наиболее точно удалось сымитировать условия свободного падения, является спортивное сооружения для подготовки парашютистов – вертикальная аэродинамическая труба. В нашей стране существует несколько таких сооружения замкнутого типа, которые пригодны для тренировок парашютистов самых разных уровней подготовки.

В чем преимущества использования аэродинамической установки

  1. Такая установка позволяет заниматься независимо от того, какие погодные условия установились на данный момент. Осуществлять полет в трубе можно в течение всего года.
  2. Установка исключает возникновение стресс-факторов, таких как высота, страх, недостаток времени. Человек может полностью сосредоточиться на том, чтобы правильно выполнять необходимые движения, не думая о своей безопасности.
  3. Тренировочный процесс идет четко по плану, теоретические и практические занятия осуществляются в одном месте.
  4. Тренировки не разорваны по времени.
  5. Полетное время заполнено самым эффективным образом.
  6. Инструктор и ученик могут видеть друг друга, общаться друг с другом. Это дает возможность тут же исправить возможные ошибки и добиться правильного исполнения движений.

Недостатки использования

  1. Чаще всего новички в парашютном спорте, занимаясь в аэродинамической трубе, не могут зафиксировать, сфокусировать взгляд. Их бегающие плавающие глаза не могут сконцентрироваться на зданиях и на необходимых действиях.
  2. Занимающийся очень часто бывает излишне напряжен, скован, а это вызывает потерю позы. Нередко он пытается оторваться от сетки и взлететь, спеша и форсируя события.
  3. Может совершать ненужные резкие движения, помогая себе руками и ногами, а так же не выдерживать заданную высоту.

5.2. Аэродинамический эксперимент

   В аэродинамике на основании принципа относительности классической механики сформулирован принцип обратимости: величина, направление и точка приложения аэродинамических сил не зависят от того, обтекается ли тело потоком воздуха, или же оно движется в неподвижном воздухе, и определяются только величиной и направлением относительной скорости тела и потока. Принцип обратимости позволяет вместо сил, действующих на реальный ЛА при его движении, рассмотреть силы, действующие на неподвижную модель ЛА, обтекаемую потоком воздуха. Если (рис. 5.1) модель самолета 1 закрепить на системе динамометров и направить на неподвижную модель поток воздуха со скоростью Vм, то динамометр 2 покажет подъемную силу Ya м, а динамометр 3 - силу сопротивления модели Xa м.

Page 2

 Рис. 5.2. Принципиальная схема аэродинамической трубы:1-рабочая часть трубы; 2-аэродинамические весы; 3-испытываемая модель; 4-дифузор; 5-защитная сетка; 6-вентилятор; 7-электромотор; 8-система поворотных лопаток; 9-спрямляющая решетка; 10-конфузор.


Смотрите также