Исследования, проводимые в аэродинамических трубах

Натурные и летные испытания позволяют выдержать полное динамическое подобие, но их главный недостаток состоит в том, что, помимо дороговизны и сложности, затруднено, а иногда и невозможно проведение исследований многочисленных вариантов ЛА и взаимного влияния его отдельных элементов.

Эти трудности позволяет преодолеть применение аэродинамических труб, представляющих собой специальный физический прибор, создающий в одном из своих элементов искусственный равномерный установившийся прямолинейный поток воздуха (газа) определённой скорости.

Эксперименты, проводимые в аэродинамических трубах, можно условно разделить на четыре группы.

1. Определение аэродинамических сил и моментов для исследования влияния формы тела и его ориентации в пространстве на аэродинамические характеристики, расчёта прочности конструкции и лётных свойств ЛА. Эти эксперименты проводятся на моделях, число которых значительно (10 и более) и являются неотъемлемой частью проектирования любого ЛА.

2. Разработка новых схем ЛА и получение их оптимальных характеристик. Это исследования в области управления пограничным слоем, поиски новых видов конструкций элементов ЛА (крыльев, стабилизаторов, винтов и т.п.), компоновочных схем (переменная стреловидность и обратная стреловидность крыльев и т.п.).

3. Исследования, связанные с функционированием воздушных машин – газовых турбин, компрессоров, вентиляторов и т.п., различных двигателей – поршневых, турбореактивных, прямоточных.

4. Экспериментальные исследования, связанные с перспективами дальнейшего развития ЛА. Это изучение физических явлений, возникающих при больших числах Маха, высоких температурах; изучение пограничных слоёв, волновых явлений, плазмы. Эти эксперименты часто проводятся для подтверждения новых теорий и гипотез. Для их реализации используется специальное экспериментальное оборудование, ударные трубы, баллистические установки, плазмотроны.

Так как от степени соответствия условий проведения экспериментов реальным условиям зависит точность и достоверность получаемой информации, то к аэродинамическим трубам предъявляются следующие основные требования:

1. Обеспечение равномерного прямолинейного потока воздуха. В хороших аэродинамических трубах отклонение величины скорости в рабочей части от среднего значения составляет ±0,5-0,7%, а отклонение скорости от осевого значения - ±0,25%.

2. Обеспечение малой начальной турбулентности потока в рабочей части трубы. Достигается это постепенным увеличением скорости потока в трубе до рабочего значения и отсутствием элементов, возмущающих поток. Степень турбулентности обычно характеризуется отношением среднеквадратичной величины пульсационной скорости к средней скорости потока - . Для современных труб ε = 0,3 – 1,95 %, что обеспечивает значения критических чисел Рейнольдса для шара . Косвенно о степени турбулизации потока в трубах судят по результатам измерения коэффициента лобового сопротивления шара очень чувствительного к величине ε.

3. Обеспечение отсутствия пульсаций скорости воздушного потока, связанного с крупномасштабной турбулентностью, возникновение котороой связано с периодическими вихрями, срывающимися с плохо обтекаемых элементов трубы.

Даже при соблюдении условий подобия результаты испытаний в любой аэродинамической трубе нуждаются во введении поправок, связанных с конкретными условиями. Эти поправки учитывают следующие факторы:

1. Влияние “пустой” трубы, связанное с неравномерным полем скорости при отсутствии модели.

2. Влияние элементов, поддерживающих модель в потоке – подвесок, стоек и т.п.

3. Влияние границ потока, которое сводится к тому, что модель обтекается потоком, параметры которого отличны от параметров потока в безграничном пространстве. При этом может возникать затенение потока, появление градиентов давления и подъёмной силы.

Помимо рассмотренных требований, предъявляемых к аэродинамическим трубам, их энергетическое совершенство (по сути коэффициент полезного действия) определяется коэффициентом качества λ_Т, введённым Н.Е. Жуковским. Он представляет собой отношение полезной аэродинамической мощности (кинетической энергии потока) к мощности привода N:

.

Так как часть кинетической энергии потока получается за счёт его сужения, то есть преобразования потенциальной энергии в кинетическую, то величина λ_Т может быть больше единицы, и для хороших аэродинамических труб составляет 3-4.

Дата добавления: 2014-01-07