Дозвуковая и трансзвуковая аэродинамическая труба

Дозвуковые аэродинамические трубы используются для работ при малых числах Маха , со скоростями на испытательном участке до 480 км/ч (~134 м/с, М=0,4). Они могут быть типа с открытым обратным потоком (также известного как тип Эйфеля ) или с закрытым обратным потоком (также известный как тип Прандтля ). В этих туннелях используются большие осевые вентиляторы для перемещения воздуха и увеличения динамического давления, преодолевая вязкостные потери. Принципы проектирования дозвуковых аэродинамических труб основаны на уравнении неразрывности и принципе Бернулли , которые позволяют рассчитывать важные параметры, такие как степень сжатия туннеля.

Трансзвуковые аэродинамические трубы (0,75 < M < 1,2) спроектированы по тем же принципам, что и дозвуковые трубы, но создают дополнительные проблемы, в первую очередь из-за отражения ударных волн от стенок рабочей секции. Чтобы смягчить это явление, используются перфорированные или щелевые стенки для уменьшения отражения ударов. При трансзвуковых испытаниях как число Маха , так и число Рейнольдса имеют решающее значение и должны быть правильно смоделированы. Это часто требует использования крупномасштабных установок и/или аэродинамических труб под давлением или криогенных аэродинамических труб . Эти туннели имеют решающее значение для изучения аэродинамических свойств объектов на скоростях, приближающихся к скорости звука и превосходящих их , таких как высокоскоростные самолеты и космические корабли на критических этапах полета.

Низкий дозвуковой туннель

Тихоходные аэродинамические трубы используются для работ при очень малых числах Маха , со скоростями на испытательном участке до 480 км/ч (~134 м/с , М =0,4). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Они могут быть типа с открытым возвратом (также известного как тип Эйфеля , см. рисунок ) или с закрытым возвратом (также известный как тип Прандтля , см. рисунок ) с воздухом, перемещаемым с помощью силовой установки, обычно состоящей из больших осевых вентиляторов, которые увеличить динамическое давление для преодоления вязких потерь.

Открытая аэродинамическая труба

Схема открытой аэродинамической трубы с закрытым испытательным участком

Принцип работы основан на непрерывности и уравнении Бернулли :

Уравнение непрерывности имеет вид:

$AV=constant\Rightarrow {\frac {dA}{A}}=-{\frac {dV}{V}}$

Уравнение Бернулли гласит:

$P_{total}=P_{static}+P_{dynamic}=P_{s}+{\frac {1}{2}}\rho V^{2}$

Подстановка Бернулли в уравнение непрерывности дает:

$V_{m}^{2}=2{\frac {C^{2}}{C^{2}-1}}{\frac {P_{settl}-p_{m}}{\rho }}\approx 2{\frac {\Delta p}{\rho }}$

Коэффициент сжатия аэродинамической трубы теперь можно рассчитать по формуле: $C={\frac {A_{settl}}{A_{m}}}$

Закрытая аэродинамическая труба

Схема закрытой (обратной) аэродинамической трубы

В аэродинамической трубе с обратным потоком обратный канал должен быть правильно спроектирован, чтобы уменьшить потери давления и обеспечить плавный поток в испытательной секции. Режим сжимаемого течения: Опять же с законом неразрывности, но теперь для изэнтропического потока дает:

$-{\frac {d\rho }{\rho }}=-{\frac {1}{a^{2}}}{\frac {dp}{\rho }}=-{\frac {1}{a^{2}}}{\frac {-\rho VdV}{\rho }}={\frac {V}{a^{2}}}dV$

Одномерная площадь-скорость известна как:

${\frac {dA}{A}}=(M^{2}-1){\frac {dV}{V}}$

Минимальная площадь A, где M=1, также известная как площадь звукового горла , равна идеальному газу:

$\left({\frac {A}{A_{throat}}}\right)^{2}={\frac {1}{M^{2}}}\left({\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right)^{\frac {\gamma +1}{\gamma -1}}$

Трансзвуковой туннель

Высокие дозвуковые аэродинамические трубы (0,4 < М < 0,75) и трансзвуковые аэродинамические трубы (0,75 < М < 1,2) спроектированы по тем же принципам, что и дозвуковые аэродинамические трубы. Наибольшая скорость достигается на тестовом участке. Число Маха составляет примерно 1 при совмещении дозвуковой и сверхзвуковой областей течения. Испытания на околозвуковых скоростях создают дополнительные проблемы, в основном из-за отражения ударных волн от стенок испытательной секции (см. рисунок ниже или увеличьте изображение большого пальца справа). Поэтому для уменьшения отражения ударов от стен необходимы перфорированные или щелевые стены. Поскольку происходят важные вязкие или невязкие взаимодействия (например, ударные волны или взаимодействие пограничного слоя), как число Маха, так и число Рейнольдса важны и должны быть правильно смоделированы. Используются крупномасштабные установки и/или аэродинамические трубы под давлением или криогенные.

сопло де Лаваля

С помощью звукового горла поток можно ускорить или замедлить. Это следует из одномерного уравнения площади и скорости. Если требуется ускорение до сверхзвукового потока, сужающееся-расширяющееся сопло требуется . В противном случае: