к.т.н. и д. Гадаборшева Т. Б., с. Самохвалова Е.С.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, улица Академическая,1, Волгоград, 400074, Россия

Краткий обзор экспериментальных установок для исследования аэродинамических характеристик различных объектов.

Аннотация

В статье рассматриваются виды аэродинамических установок, применяемые в исследованиях над различными видами объектов, которые в свою очередь находят практическое применение в повседневной жизни.

УДК 697.921.2

Ключевые слова: установка, исследование характеристик, объект.

Keywords: installation , studying of characteristics, object.

Аэродинамическая труба  — это техническое устройство (установка), предназначенное для моделирования воздействия среды на движущиеся и стационарные в ней тела.Являетсяосновным оборудование аэродинамических центров и лабораторий. Принцип обратимости движения, согласно которому перемещение тела в неподвижном воздухе может быть заменено движением воздуха относительно неподвижного тела, при соблюдении условий подобия теории позволяет получать значение силовых и тепловых нагрузок, действующих на испытываемую модель (объект).

В настоящее время существует множество видов и конструкций аэродинамических труб. Они классифицируются по мощности, по скорости создаваемого потока, по площади рабочего пространства и по определению рабочих параметров исследуемых объектов: влажности, ионизации, температуры, прочности и т.д.

В основном аэродинамические трубы (сложные установки, конструкции, сооружения) делятся на дозвуковые, звуковые, с открытой рабочей частью, замкнутые, высотные, вертикальные, трансзвуковые, ударные,и электродуговые и т.д.

Основной рабочей частью всех аэродинамических труб является рабочая камера, в которой моделируется условия необходимые для определения исследуемых параметров объектов. Моделируются скорость воздушного потока, температурная среда, влажность, ударные волны, звук, сила тока, дуговой разряд и т.д.

Первые в мире аэродинамические трубы были построены 1871 году членом Совета Королевского авиационного общества Великобритании ФрэнсисомГербертомУэнхемом (FrancisHerbertWenham) и русским военным инженером В. А. Пашкевичем. Уэнхем использовал свою аэродинамическую трубу для исследований несущих свойств крыла, тогда как труба Пашкевича предназначалась для определения аэродинамических характеристик артиллерийских снарядов.

В 1897 году К. Э. Циолковский построил прототип аэродинамической трубы собственной конструкции с открытой рабочей частью, использовав поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора, и впервые в России применил этот агрегат для изучения эффектов, проявляющихся при обтекании твёрдых тел (самолётов, автомобилей, ракет) воздушным потоком, сохранившийся фрагмент которой представлен на Фото.1.Фото.1Дом-музей Циолковского (фрагмент аэродинамической трубы)

Под руководством Н. Е. Жуковского при механическом кабинете Московского университета в 1902 году была сооружена аэродинамическая труба, в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/с.

Первая аэродинамическая труба разомкнутой схемы была создана Т.Стантоном в Национальной физической лаборатории в Лондоне в 1903 году., вторая — Н. Е. Жуковским в Москве в 1906 году.

Первая замкнутая аэродинамическая труба построена в 1909 году в Гёттингене Людвигом Прандтлем, вторая — в 1910 году Т. Стантоном.

Первая аэродинамическая труба со свободной струей в рабочей части была построена Гюставом Эйфелем в Париже на Марсовом поле в 1909 году.

Дальнейшее развитие лабораторно-исследовательской базы шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель).

В 1934 году в районе Берлина построена Большая аэродинамическая труба (Адлерсхоф) для аэродинамического моделирования. В трубе диаметром от 8,5 до 12 м размещались части самолётов и изучалось воздействие на них горизонтальных воздушных потоков. Особенностью данной аэродинамической трубы является бетонное сооружение «Zeiss-Dywidag» с толщиной стенок всего 8 сантиметров. В настоящее время сохраняется как памятник промышленной архитектуры в составе Аэродинамического парка[1].

В октябре-ноябре 1941 года из Москвы доставили часть демонтированного оборудования и техническую документацию на первоочередные сооружения, аэродинамической трубы типа Т-103 ЦАГИ, в Новосибирске. Первое здание СибНИА им. С.А. Чаплыгина – часть нынешнего корпуса №1, где поместили аэродинамическую трубу Т-203, построили в 1943 году. В конце того же года в трубе провели первые эксперименты [2]. Фрагмент показан на Рис.2, после капитального ремонта данная труба Т-203 с открытой рабочей частью и скоростью воздушного потока, достигшей 90м/с [3].

Рис.2. фрагмент аэродинамической трубы Т-203

Развитие аэродинамики, как прикладной науки существенно расширило номенклатуру проектируемых и строящихся аэродинамических труб. Наиболее распространенными являются дозвуковые с открытой частью рабочей поверхности. К ней относится и аэродинамическая труба Жуковского (Т-103 ЦАГИ). Дозвуковая постоянного действия (Рис.3) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника). Исследуемая модель 2 крепится специальными державками к стенке рабочей части аэродинамической трубы или к аэродинамическим весам 3. Перед рабочей частью расположено сопло 4, обеспечивающее поток газа с заданными и постоянными по сечению величинами скорости, плотности и температуры. Для выравнивания потока перед соплом, гашения вращательных скоростей и уменьшения турбулентности служит хонейкомб (выравнивающая решётка) 5.Диффузор 6 уменьшает скорость и повышает давление потока, выходящего из рабочей части. Компрессор (вентилятор) 7, приводимый в действие силовой установкой 8, компенсирует потери энергии, направляющие лопатки 9 уменьшают потери; 12 - обратный канал. Радиатор 10 обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части. Если в кольце сечения канала аэродинамической трубы статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливается клапан 11.

Рис3.Дозвуковая аэродинамическая труба.

Основными параметрами которой, являются:

- скорость потока 10-80м/с

- число Reна 1 м до 5,5*10⁶

- полное давление атмосферное

- скоростной напор до 4,0 кПа

- температура торможения окружающей среды

- диапазон углов атаки (α) -16⁰-54⁰

-диапазон углов скольжения (β) ±24⁰

Размеры рабочей части: сечение сопла(эллипс) 4,0х2,33 м и длина рабочей части 3,8м.

Данный типаэродинамических труб предназначен для исследования аэродинамических характеристик различных объектов стационарного типа и моделей летательных аппаратов на режимах взлета, посадки и малых скоростей полета. Воздушный поток в трубе создается вентилятором, приводимым в движение двумя электродвигателями постоянного тока общей мощностью 4400 кВт. Основные испытания проводятся с использованием электромеханических весов на специальной платформе. Кроме весовых испытаний, в аэродинамической трубе проводятся различные аэро-физические исследования. Контроль, регистрация, сбор и обработка результатов испытаний производятся  управляющим комплексом в процессе эксперимента. В трубе на штатной ленточной подвеске испытываются модели с площадью крыла до 0.8 м2, размахом до 2.5 м и длиной до 2.5 м.

Преимущества аэродинамической трубы Т-103 в обеспечении проведения следующих видов испытания и исследований:

- определение суммарных аэродинамических характеристик моделей с помощью шестикомпонентных электромеханических весов,

- в том числе при моделировании влияния работы двигателей,

- тензометрические измерения аэродинамических нагрузок на органах управления выполняются отдельно или одновременно с весовыми измерениями полной модели;

-измерение распределения давления по поверхности модели с использованием электронных модулей;

- измерения полей скоростей вблизи моделей;

- различные способы визуализации течения на поверхности модели и вблизи нее;

-исследования характеристик статической и динамической аэроупругости на специальных моделях;

-исследования траектории отделения динамически подобных моделей;

-определение аэродинамических коэффициентов демпфирования на специальной установке для определения вращательных производных;

-испытание моделей с имитацией струй реактивных двигателей холодным сжатым воздухом;

-исследование течений в каналах воздухозаборников. [4].

В настоящее время для научно-исследовательских работ и в других отраслях, довольно широко применяются вертикальные аэродинамические трубы. Они делятся на два типа:

- с нижним расположением винта (наддувающие),

- с верхним расположением винта (высасывающие)

Наддувающие трубы — самые простые. Двигатель через редуктор приводит в движение большой винт, установленный под сеткой. Рабочая зона обычно не ограничена ничем. Человек вылетевший из потока падает на сетку или на надувные подушки вокруг рабочей зоны. Такие трубы могут быть мобильными, часто используются для различных шоу и аттракционов, хорошо привлекают внимание.

Трубы с верхним расположением винта как правило монтируются в специально построенном здании. Сверху рабочей зоны, огороженной прозрачной стенкой устанавливаются 2 или 4 двигателя с винтами, которые высасывают воздух, проходящий через рабочую зону. В таких трубах поток совершенно одинаковый по всей рабочей зоне. Трубы могут быть открытого и закрытого типа. В трубе закрытого типа воздух циркулирует по замкнутому циклу, это предпочтительно в странах с холодным климатом.

Для создания потока используется один или несколько электрических или дизельных двигателей. Средняя скорость потока в трубах составляет от 190 до 260 км/ч, а минимальная скорость потока для отрыва взрослого человека в «балахоне» составляет около 130 км/ч. [5].

Рис.4 Вертикальная аэродинамическая „штопорная“ труба Т-105 в ЦАГИ(1941 год постройки)

Одним из основных преимуществ сверхзвуковых аэродинамических трубнепрерывного действия, осуществляемых по схеме, аналогичной схеме дозвуковой трубы (Рис.3), является возможность проведения опытов значительной продолжительности. Однако для решения множествазадач аэродинамики это преимущество не является решающим. Недостатки таких конструкций - необходимость создания энергетических установок большой мощности и трудности, возникающие при числах М>4 вследствие быстрого роста необходимой степени сжатия компрессора.

Рис. 5. Схема ударной аэродинамической трубы

Ударная аэродинамическая труба (Рис.5) состоит из двух цилиндрических ёмкостей 1(емкость разгоняющего газа) и 2(емкость рабочего газа), сверхзвукового сопла 3 и вакуумированного газгольдера 4. Мембраны 5 и 6 отделяют разгоняющий газ от рабочего, а рабочий - от сопла. В начале эксперимента давление и температура разгоняющего газа в отсеке 1повышаются до значений, существенно превышающих соответствующие величины рабочего газа в отсеке2. Мембрана 5 разрушается, и разгоняющий газ, отделённый от рабочего тела контактной поверхностью, устремляется в отсек 2, при этом в рабочем газе возникает ударная волна. Скорость движения ударной волны I значительно больше скорости движения контактной поверхности II. Проходя по рабочему газу, ударная волна повышает в нём давление и температуру и сообщает ему скорость, равную скорости движения контактной поверхности.

Аэроакустические аэродинамические трубы предназначены для исследования влияния акустических полей напрочность конструкций изучаемого изделия, работу приборных отсеков и т. п. В большинстве случаев рассматривается воздействие акустического поля, возникающего при работе двигателей и обтекании поверхностей испытуемого объекта. Аэроакустическаяаэродинамическая труба отличаются от обычных тем, что их конструкция предусматривает специальные мероприятия, препятствующие проникновению в рабочую часть акустических полей, связанных с работой силовой установки и вентиляторов аэродинамической трубы. Стенки рабочей части покрывают звукопоглощающим материалом, чтобы они не отражали звуковые волны, возникающие при обтекании модели и работе установленных на ней двигателей.Аэроакустические аэродинамические трубы - один из видов аэродинамических труб специального назначения, предназначенных для решения конкретных аэродинамических задач. К такого рода аэродинамических труб относятся также штопорные, малотурбулентные аэродинамические трубы, установки для испытания воздушно-реактивных двигателей, воздухозаборников, сопел и др.

Импульсные аэродинамические трубы (Рис. 6) значительно более компактны. Они состоят из разрядной камеры 1, отделённой от сверхзвукового сопла 4 мембраной 3. Рабочий газ, выходящий из сопла, проходит рабочую часть 5, где установлена модель 6, и поступает в откачанный газгольдер 7. Перед запуском установки давление в камере 1 повышается до заданной величины и между электродами 2производится разряд батареи конденсаторов. Сила тока в разряде достигает 10⁶ А. Давление и температура в камере возрастают, мембрана 3 разрывается и начинается течение газа, давление и температура которого в камере 1 достигают в начальный момент 4500 К и 1,5*10⁸ Па. Время эксперимента τ ~10 мс. В процессе эксперимента температура и давление в камере монотонно убывают, а в рабочем газе присутствуют продукты уноса электродов. Увеличение эрозии электродов ограничивает возможности дальнейшего повышения параметров в камере. [6]

Рис.6 Импульсная аэродинамическая труба

Исследования на рассматриваемых установках позволили получить на основании единой методики новые научные результаты, как в аэродинамике, так и в других областях.

Сейчас наиболее частым способом быстрой проверки конструкции стационарных устройств, является применение дымовой камеры. Пример одной из представлен на Рис.7, в которой визуально определяется изменение направление движения воздушных потоков, обтекающих исследуемые объекты.

Рис.7 Дымовая камера фирмыUNIWERSAL

В данном устройстведым производится генератором. Эта камера находится под испытываемыми устройствами, которые соединены с ней при помощи вытяжных отверстий. Правильно сконструированный объект создает в струях обтекающего его ветра вакууметрическое давление, которое позволяет засасывать задымленный воздух из дымовой камеры и выбрасывать наружу. Такие испытания производятся так же при различных скоростях воздуха, а также для различных направлений ветра.Измерения параметров течения, коэффициента полезного действия вентилятора и расходуемой мощности двигателя выполнены на стандартном испытательном стенде, таком же, как для группы вентиляторов, работающих на засос со свободным выходом воздуха. Вентилятор крепится всасывающим патрубком к измерительному каналу. Эффективность измеряется при помощи импульсных отверстий на симуляционном канале. Падение давления на расходомере и в импульсных отверстиях измерялось аккумуляторным микроманометром. Вход в канал дросселировался диафрагмами различного диаметра для получения ряда точек характеристики. Мощность измерялась при помощи системы электрических измерительных устройств: ваттметров, амперметров, вольтметров, объединенных в системе Арона.

Авторы для определения основных характеристик исследуемых объектов (дефлекторов) использовали следующую экспериментальную установку. На Рис.8 представленааэродинамическая труба для продувки дефлектора (описано более подробно Гадаборшева Т.Б., Самохвалова Е.С.,2014г.)

Рис 8.Аэродинамическая труба для продувки дефлектора

1- коллектор

2- воздуховод

3- вентилятор

4- диафрагма

5- дефлектор

6- терморезистор

7- микроамперметр

8- источник питания

9- термоанемометр ТТМ-2

10- спрямляющий элемент (струевыпрямитель)

Изучая исследуемую проблематику, авторами было определено, что развитие лабораторно-экспериментальной базы (аэродинамических труб) позволяет более полно и глубоко изучать конструкции различных объектов, определяя возможные пути их усовершенствования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1) «Википедия», статья «Аэродинамическая труба»[Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%FD%F0%EE%E4%E8%ED%E0%EC%E8%F7%E5%F1%EA%E0%FF_%F2%F0%F3%E1%E0

2) «Новосибирская газета», вопрос «Кто создал аэродинамическую трубу»[Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://www.metronsk.ru/vopros/6131/

3) «livejournal», В.Махоровстатья «Сибирский научно-исследовательский институт авиации (СибНИА им. С.А.Чаплыгина)»[Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://dedmaxopka.livejournal.com/59515.html?thread=2021755

4) «ЦАГИ», Экспериментальная база – Аэродинамическая труба Т-103. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://www.tsagi.ru/experimental_base/aerodinamicheskaya-truba-t-103/

5) «Википедия», статья «Вертикальные аэродинамические трубы»[Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%E5%F0%F2%E8%EA%E0%EB%FC%ED%E0%FF_%E0%FD%F0%EE%E4%E8%ED%E0%EC%E8%F7%E5%F1%EA%E0%FF_%F2%F0%F3%E1%E0

6) «Энциклопедия физики и техники», статья «Аэродинамическая труба»[Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0239.html

7) «Википедия», статья «Дефлектор» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E5%F4%EB%E5%EA%F2%EE%F0

«Установка для исследования характеристик дефлектора» Гадаборшева Т.Б., Самохвалова Е.С., Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук №03(62), март 2014г.,ЧастьI, ISSN 2073-0071.