Аэродинамическая труба

Аэродинамическая труба НАСА с масштабной моделью МД-11. широкофюзеляжного авиалайнера

16-футовая сверхзвуковая аэродинамическая труба на базе ВВС Арнольд , 1960 год.

Модель Cessna с пузырьками, наполненными гелием, показывающими пути на законцовках крыла. вихрей

Аэродинамические трубы — это машины, в которых объекты удерживаются неподвижно внутри трубы, а вокруг нее обдувается воздух для изучения взаимодействия между объектом и движущимся воздухом. Они используются для проверки аэродинамических эффектов самолетов , ракет , автомобилей и зданий . Размеры различных аэродинамических труб варьируются от менее фута в поперечнике до более 100 футов (30 м), и воздух в них может двигаться со скоростями от легкого бриза до гиперзвуковых скоростей.

Обычно большие вентиляторы перемещают воздух через аэродинамическую трубу, при этом испытуемый объект удерживается неподвижно. Объектом может быть объект аэродинамических испытаний, такой как цилиндр или аэродинамический профиль, отдельный компонент самолета, небольшая модель транспортного средства или, в самых больших туннелях, даже полноразмерное транспортное средство. В ходе этих испытаний можно получить различные измерения. Аэродинамические силы можно измерить как на всем объекте, так и на отдельных его компонентах. Давление воздуха в разных точках можно измерить с помощью датчиков. В воздушный поток можно добавить дым, чтобы показать путь, который воздух проходит вокруг объекта. Или к определенным частям можно прикрепить небольшие нити, чтобы показать поток воздуха в этих точках.

Самые ранние аэродинамические трубы были изобретены в конце XIX века, на заре авиационных исследований, как часть усилий по разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха. Аэродинамическая труба изменила привычную ситуацию. Вместо того, чтобы воздух стоял неподвижно, а самолет двигался, объект будет оставаться неподвижным, а воздух будет двигаться вокруг него. Таким образом, стационарный наблюдатель мог изучать летающий объект в действии и измерять действующие на него аэродинамические силы.

Развитие аэродинамических труб сопровождало развитие самолета. Большие аэродинамические трубы были построены во время Второй мировой войны, а по мере разработки сверхзвуковых самолетов для их испытаний строились сверхзвуковые аэродинамические трубы. Во время холодной войны испытания в аэродинамической трубе считались стратегически важными для разработки самолетов и ракет.

Другие проблемы также изучаются с помощью аэродинамических труб. Влияние ветра на искусственные конструкции необходимо изучать, когда здания становятся достаточно высокими, чтобы подвергаться значительному влиянию ветра. Очень высокие здания представляют собой большие поверхности для ветра, и возникающим силам приходится противостоять внутренней конструкции здания, иначе здание рухнет. Определение таких сил требовалось до того, как строительные нормы и правила могли определить требуемую прочность таких зданий, и эти испытания продолжают использоваться для больших или необычных зданий.

Впервые испытания в аэродинамической трубе были применены к автомобилям еще в 1920-х годах. на таких автомобилях, как Rumpler Tropfenwagen , а позднее Chrysler Airflow . Первоначально автопроизводители тестировали масштабные модели своих автомобилей, но позже были построены полномасштабные автомобильные аэродинамические трубы. Начиная с 1960-х годов испытания в аэродинамической трубе начали получать широкое распространение в автомобилях . не столько для определения аэродинамических сил, как у самолета, сколько для повышения топливной эффективности транспортных средств за счет уменьшения аэродинамического сопротивления. В этих исследованиях взаимодействие между дорогой и транспортным средством играет значительную роль, и это взаимодействие необходимо учитывать при интерпретации результатов испытаний. В реальном мире автомобиль движется, а дорога и воздух неподвижны. При испытании в аэродинамической трубе дорога также должна проходить мимо транспортного средства вместе с обдувом его воздухом. Это было достигнуто с помощью движущихся лент под испытательным автомобилем для имитации движущейся дороги, и очень похожие устройства используются при испытаниях в аэродинамической трубе конфигураций взлета и посадки самолета.

В аэродинамических трубах также изучалось спортивное оборудование, включая клюшки для гольфа, мячи для гольфа, бобслеи, велосипедисты и шлемы гоночных автомобилей. Аэродинамика шлема особенно важна в гоночных автомобилях с открытой кабиной, таких как Indycar и Formula One. Чрезмерная подъемная сила, действующая на шлем, может вызвать значительную нагрузку на шею водителя, а разделение потока на задней стороне шлема может вызвать турбулентное колебание и, таким образом, ухудшение зрения водителя на высоких скоростях.

Достижения в области вычислительной гидродинамики (CFD) моделирования на высокоскоростных цифровых компьютерах снизили потребность в испытаниях в аэродинамической трубе, но не устранили их полностью. Многие реальные проблемы до сих пор не могут быть смоделированы с помощью CFD достаточно точно, чтобы исключить необходимость физических испытаний в аэродинамических трубах.

Измерение аэродинамических сил

Скорость воздуха и давление в аэродинамических трубах измеряются несколькими способами.

Скорость воздуха через рабочий участок определяется принципом Бернулли . Измерение динамического давления , статического давления и (только для сжимаемого потока ) повышения температуры в воздушном потоке. Направление воздушного потока вокруг модели можно определить с помощью пучков пряжи, прикрепленных к аэродинамическим поверхностям. Направление воздушного потока, приближающегося к поверхности, можно визуализировать, установив резьбу в воздушном потоке впереди и позади испытательной модели. Дым или пузырьки жидкости могут попасть в поток воздуха перед тестовой моделью, а их путь вокруг модели можно сфотографировать (см. Измерение скорости изображения частиц ).

Аэродинамические силы на тестовой модели обычно измеряются с помощью балочных весов , соединенных с тестовой моделью с помощью балок, струн или тросов.

Распределение давления по тестовой модели исторически измерялось путем сверления множества небольших отверстий вдоль пути воздушного потока и использования многотрубных манометров для измерения давления в каждом отверстии. Распределение давления удобнее измерять с помощью краски, чувствительной к давлению , в которой более высокое локальное давление определяется пониженной флуоресценцией краски в этой точке. Распределение давления также можно удобно измерять с помощью чувствительных к давлению прижимных ремней — недавней разработки, в которой несколько сверхминиатюрных модулей датчиков давления интегрированы в гибкую полоску. Полоса прикреплена к аэродинамической поверхности скотчем и посылает сигналы, изображающие распределение давления по ее поверхности.

Распределение давления на испытательной модели также можно определить путем выполнения исследования следа , при котором либо используется одна трубка Пито для получения нескольких показаний после испытательной модели, либо манометр с несколькими трубками устанавливается ниже по потоку и снимаются все его показания. .

Аэродинамические свойства объекта не могут оставаться одинаковыми для масштабной модели. Однако, соблюдая определенные правила подобия, можно добиться весьма удовлетворительного соответствия аэродинамических свойств масштабной модели и полноразмерного объекта. Выбор параметров сходства зависит от цели теста, но наиболее важными условиями, которые необходимо удовлетворить, обычно являются:

• Геометрическое сходство: все размеры объекта должны быть пропорционально масштабированы.
• Число Маха : отношение скорости полета к скорости звука должно быть идентичным для масштабированной модели и реального объекта (иметь одинаковое число Маха в аэродинамической трубе и вокруг реального объекта не равносильно одинаковой скорости полета).
• Число Рейнольдса : соотношение сил инерции и сил вязкости должно сохраняться. Этот параметр трудно удовлетворить с помощью масштабированной модели, и он привел к разработке герметичных и криогенных аэродинамических труб, в которых вязкость рабочей жидкости может быть значительно изменена, чтобы компенсировать уменьшенный масштаб модели.

В некоторых конкретных тестовых случаях должны быть удовлетворены другие параметры подобия, такие как, например, число Фруда .

История

Происхождение

Английский военный инженер и математик Бенджамин Робинс (1707–1751) изобрел аппарат с вращающейся рукой для определения сопротивления. и провел некоторые из первых экспериментов в теории авиации.

Сэр Джордж Кэли (1773–1857) также использовал вращающуюся руку для измерения сопротивления и подъемной силы различных аэродинамических профилей. Его вращающаяся рука имела длину 5 футов (1,5 м) и развивала максимальную скорость от 10 до 20 футов в секунду (от 3 до 6 м/с).

Отто Лилиенталь использовал вращающийся рычаг для точного измерения аэродинамических профилей крыльев с различными углами атаки , устанавливая их полярные диаграммы отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению , но ему не хватало понятий индуцированного сопротивления и чисел Рейнольдса .

Копия аэродинамической трубы братьев Райт.

Однако вращающийся рычаг не создает надежного потока воздуха, воздействующего на форму теста при нормальном падении. Центробежные силы и тот факт, что объект движется сам по себе, означают, что детальное исследование воздушного потока затруднено. Фрэнсис Герберт Уэнам (1824–1908), член совета Аэронавтического общества Великобритании , решил эти проблемы, изобретя, спроектировав и применив в 1871 году первую закрытую аэродинамическую трубу. Как только этот прорыв был достигнут, с помощью этого инструмента были быстро получены подробные технические данные. Уэнаму и его коллеге Джону Браунингу приписывают множество фундаментальных открытий, включая измерение отношения l/d и открытие благотворного воздействия высокого удлинения .

Константин Циолковский построил в 1897 году аэродинамическую трубу открытого сечения с центробежным нагнетателем и определил коэффициенты сопротивления плоских пластин, цилиндров и сфер.

Датский изобретатель Поуль ла Кур применил аэродинамические трубы в процессе разработки и совершенствования технологии ветряных турбин в начале 1890-х годов. Карл Рикард Нюберг использовал аэродинамическую трубу при проектировании своего Flugan с 1897 года и позже.

В классической серии экспериментов англичанин Осборн Рейнольдс (1842–1912) из ​​Манчестерского университета продемонстрировал, что картина воздушного потока на масштабной модели будет одинаковой для полномасштабного транспортного средства, если определенный параметр потока будет одинаковым в обоих случаях. случаи. Этот фактор, теперь известный как число Рейнольдса , является основным параметром при описании всех ситуаций с потоком жидкости, включая форму структуры потока, легкость теплопередачи и возникновение турбулентности. Это является основным научным обоснованием использования моделей в аэродинамических трубах для моделирования реальных явлений. Однако существуют ограничения на условия, в которых динамическое подобие основано только на числе Рейнольдса.

Использование братьями Райт простой аэродинамической трубы в 1901 году для изучения воздействия воздушного потока на различные формы при разработке своего флаера Райта было в некотором смысле революционным. Однако из вышеизложенного видно, что они просто использовали принятую на тот момент технологию, хотя она еще не была распространенной технологией в Америке.

Во Франции . Гюстав Эйфель (1832–1923) построил свою первую аэродинамическую трубу с открытым возвратом в 1909 году, оснащенную электродвигателем мощностью 67 л.с. (50 кВт), на Марсовом поле, недалеко от подножия башни, носящей его имя .

Между 1909 и 1912 годами Эйфель провел около 4000 испытаний в своей аэродинамической трубе, и его систематические эксперименты установили новые стандарты авиационных исследований. В 1912 году лаборатория Эйфеля была перенесена в Отей, пригород Парижа, где его аэродинамическая труба с двухметровой испытательной секцией работает до сих пор. Эйфель значительно повысил эффективность аэродинамической трубы с открытым возвратом, поместив испытательную секцию в камеру, сконструировав расширяющееся входное отверстие с сотовым выпрямителем потока и добавив диффузор между испытательной секцией и вентилятором, расположенным на заднем конце диффузора; по этому соглашению позже было построено несколько аэродинамических труб; на самом деле низкоскоростную аэродинамическую трубу с открытым возвратом часто называют аэродинамической трубой Эйфелевого типа.

Широкое использование

Немецкая авиационная лаборатория, 1935 год.

Последующее использование аэродинамических труб получило широкое распространение по мере развития науки аэродинамики и авиационной техники, а также развития авиаперевозок и энергетики.

ВМС США в 1916 году построили на Вашингтонской военно-морской верфи одну из крупнейших на тот момент аэродинамических труб в мире. Входное отверстие имело диаметр почти 11 футов (3,4 м), а выпускная часть - 7 футов (2,1 м). Электродвигатель мощностью 500 л.с. (370 кВт) приводил в движение лопасти вентилятора.

В 1931 году NACA построило полномасштабную аэродинамическую трубу размером 30 на 60 футов (9,1 на 18,3 м) в Исследовательском центре Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния. Туннель приводился в движение парой вентиляторов, приводимых в движение электродвигателями мощностью 4000 л.с. (3000 кВт). Компоновка имела двойной возврат, замкнутый контур и могла вместить множество полноразмерных реальных самолетов, а также масштабные модели. В конечном итоге туннель был закрыт, и хотя в 1995 году он был объявлен национальным историческим памятником , снос начался в 2010 году.

До Второй мировой войны крупнейшая в мире аэродинамическая труба, построенная в 1932–1934 годах, располагалась в пригороде Парижа Шале-Мёдон , Франция. Он был разработан для испытаний полноразмерных самолетов и имел шесть больших вентиляторов, приводимых в движение мощными электродвигателями. Аэродинамическая труба Шале-Медон использовалась ONERA под названием S1Ch до 1976 года при разработке, например, самолетов Caravelle и Concorde . Сегодня эта аэродинамическая труба сохранена как национальный памятник.

Людвиг Прандтль был Теодора фон Кармана учителем в Геттингенском университете и предложил построить аэродинамическую трубу для испытаний проектируемых ими дирижаблей. В туннеле испытывалась вихревая дорога турбулентности за цилиндром. Когда позже он переехал в Аахенский университет, он вспоминал, как пользовался этим учреждением:

Я вспомнил, что аэродинамическая труба в Геттингене была задумана как инструмент для изучения поведения цеппелинов, но она оказалась ценной и для всего остального, от определения направления дыма из трубы корабля до возможности полета данного самолета. Я чувствовал, что прогресс в Аахене был бы практически невозможен без хорошей аэродинамической трубы.

Когда фон Карман начал консультироваться с Калифорнийским технологическим институтом, он работал с Кларком Милликеном и Артуром Л. Кляйном. Он возражал против их конструкции и настаивал на обратном потоке, делающем устройство «независимым от колебаний внешней атмосферы». Он был завершен в 1930 году и использовался для испытаний Northrop Alpha .

В 1939 году генерал Арнольд спросил, что необходимо для развития ВВС США, и фон Карман ответил: «Первый шаг — построить правильную аэродинамическую трубу». С другой стороны, после успехов Bell X-2 и перспектив более продвинутых исследований он писал: «Я был за постройку такого самолета, потому что никогда не верил, что можно получить все ответы с помощью ветра». туннель».

Вторая мировая война

В 1941 году США построили одну из крупнейших на тот момент аэродинамических труб на Райт-Филд в Дейтоне, штат Огайо. Эта аэродинамическая труба начинается на высоте 45 футов (14 м) и сужается до 20 футов (6,1 м) в диаметре. Два 40-футовых (12-метровых) вентилятора приводились в движение электродвигателем мощностью 40 000 л.с. Крупномасштабные модели самолетов можно было испытывать на скорости воздуха 400 миль в час (640 км/ч).

Во время Второй мировой войны Германия разработала различные конструкции больших аэродинамических труб, чтобы расширить свои знания в области воздухоплавания. Например, аэродинамическая труба в Пенемюнде представляла собой новую конструкцию аэродинамической трубы, которая позволяла проводить исследования высокоскоростного воздушного потока, но вызвала ряд проблем при проектировании, связанных с созданием высокоскоростной аэродинамической трубы в больших масштабах. Тем не менее, он успешно использовал некоторые большие естественные пещеры, которые были увеличены в размерах за счет раскопок, а затем запечатаны для хранения больших объемов воздуха, который затем можно было направить через аэродинамические трубы. К концу войны в Германии было как минимум три различных сверхзвуковых аэродинамических трубы, одна из которых обеспечивала поток воздуха со скоростью 4,4 Маха (нагретый).

Большая аэродинамическая труба, строящаяся недалеко от Эцтала в Австрии, должна была иметь два вентилятора, приводимые в движение двумя гидравлическими турбинами мощностью по 50 000 лошадиных сил . Установка не была завершена к концу войны, и демонтированное оборудование было отправлено в Модан , Франция, в 1946 году, где оно было восстановлено и до сих пор эксплуатируется там компанией ONERA . С испытательной секцией длиной 26 футов (8 м) и скоростью полета до 1 Маха это крупнейшая трансзвуковая аэродинамическая труба в мире. Фрэнк Ваттендорф сообщил об этой аэродинамической трубе для ответа США.

22 июня 1942 года Кертисс-Райт профинансировал строительство одной из крупнейших в стране дозвуковых аэродинамических труб в Буффало, штат Нью-Йорк. Первый бетон для строительства был залит 22 июня 1942 года на месте, которое впоследствии стало Калспаном , где аэродинамическая труба действует до сих пор.

К концу Второй мировой войны США построили восемь новых аэродинамических труб, в том числе самую большую в мире в Моффетт-Филд недалеко от Саннивейла, Калифорния, которая была предназначена для испытаний полноразмерных самолетов на скоростях менее 250 миль в час (400 км). /час) и вертикальная аэродинамическая труба в Райт-Филд, штат Огайо, где поток ветра направлен вверх для тестирования моделей при вращении, а также концепций и инженерных проектов первых примитивных вертолетов, летавших в США.

После Второй мировой войны

Продолжительность: 1 минута 57 секунд. 1:57

Испытание NACA в аэродинамической трубе на человеке, демонстрирующее влияние высокой скорости ветра на лицо человека.

Теодор фон Карман (слева) вместе с представителями ВВС и НАСА осматривает две модели, используемые в высокоскоростных высотных аэродинамических трубах на базе ВВС Арнольд. Ракеты — «АГАРД-Б» и «Атлас серии-Б» . (1959)

В более поздних исследованиях воздушных потоков, близких к скорости звука или превышающих ее, использовался аналогичный подход. Металлические камеры давления использовались для хранения воздуха под высоким давлением, который затем ускорялся через сопло, предназначенное для обеспечения сверхзвукового потока. Затем камеру наблюдения или приборную камеру («испытательный участок») помещали в нужное место в горловине или сопле для желаемой скорости полета.

Мэри Джексон с моделью аэродинамической трубы в Исследовательском центре Лэнгли

В Соединенных Штатах обеспокоенность по поводу отставания американских исследовательских центров по сравнению с теми, которые построили немцы, привела к принятию в 1949 году Закона о едином плане аэродинамических труб , который санкционировал расходы на строительство новых аэродинамических труб в университетах и ​​на военных объектах. Некоторые немецкие аэродинамические трубы военного времени были демонтированы для отправки в Соединенные Штаты в рамках плана по использованию немецких технологических разработок.

Для ограниченных приложений вычислительная гидродинамика (CFD) может дополнить или, возможно, заменить использование аэродинамических труб. Например, экспериментальный ракетоплан SpaceShipOne был спроектирован без использования аэродинамических труб. Однако в одном из испытаний к поверхности крыльев были прикреплены летные нити, что позволило провести испытание типа аэродинамической трубы во время реального полета с целью уточнения вычислительной модели. Там, где присутствует внешний турбулентный поток, CFD непрактичен из-за ограничений современных вычислительных ресурсов. Например, область, которая все еще слишком сложна для использования CFD, — это определение воздействия потока на конструкции, мосты и местность и вокруг них.

Подготовка модели в аэродинамической трубе Кирстен, дозвуковой аэродинамической трубе Вашингтонского университета.

Наиболее эффективным способом моделирования внешнего турбулентного течения является использование аэродинамической трубы пограничного слоя.

Существует множество приложений для моделирования аэродинамической трубы пограничного слоя. Например, понимание воздействия ветра на высотные здания, фабрики, мосты и т. д. может помочь проектировщикам зданий сконструировать конструкцию, которая максимально эффективно противостоит воздействию ветра. Еще одним важным применением моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя является понимание закономерностей рассеивания выхлопных газов в больницах, лабораториях и других источниках выбросов. Другими примерами применения аэродинамических труб с пограничным слоем являются оценки комфорта пешеходов и заноса снега. Моделирование в аэродинамической трубе считается методом помощи в проектировании экологически чистых зданий . Например, использование моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя можно использовать в качестве оценки для получения сертификата «Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании» (LEED) Совета по экологическому строительству США.

Лопасти вентилятора аэродинамической трубы Исследовательского центра Лэнгли 16-футовой трансзвуковой в 1990 году, до ее вывода из эксплуатации в 2004 году.

Испытания в аэродинамической трубе в пограничном слое позволяют моделировать естественное сопротивление поверхности Земли. Для обеспечения точности важно смоделировать профиль средней скорости ветра и эффекты турбулентности в пограничном слое атмосферы. В большинстве норм и стандартов признается, что испытания в аэродинамической трубе могут предоставить проектировщикам надежную информацию, особенно когда их проекты реализуются на сложной местности или на открытых площадках.

В США с 1990 по 2010 год было выведено из эксплуатации множество аэродинамических труб, в том числе некоторые исторические объекты. На оставшиеся аэродинамические трубы оказывается давление из-за сокращения или нерегулярного использования, высоких затрат на электроэнергию и, в некоторых случаях, высокой стоимости недвижимости, на которой расположен объект. С другой стороны, для проверки CFD по-прежнему требуются данные аэродинамической трубы, и это, вероятно, так и будет в обозримом будущем. Были проведены и другие исследования для оценки будущих потребностей военных и коммерческих аэродинамических труб, но результат остается неопределенным. В последнее время все более широкое использование реактивных беспилотных транспортных средств с приборами или исследовательских дронов заменило некоторые традиционные методы использования аэродинамических труб. Самая быстрая аэродинамическая труба в мире по состоянию на 2019 год — аэродинамическая труба LENS-X, расположенная в Буффало, штат Нью-Йорк.

Как это работает

Шестиэлементный внешний баланс под аэродинамической трубой Кирстен

Воздух продувается или всасывается через воздуховод, оборудованный смотровым окном и приборами, в которых модели для изучения устанавливаются или геометрические фигуры. Обычно воздух перемещается по туннелю с помощью ряда вентиляторов. Для очень больших аэродинамических труб диаметром несколько метров один большой вентилятор нецелесообразен, поэтому вместо этого используется группа из нескольких вентиляторов, работающих параллельно, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха. Из-за необходимого объема и скорости движения воздуха вентиляторы могут приводиться в действие стационарными турбовентиляторными двигателями, а не электродвигателями.

Воздушный поток, создаваемый вентиляторами, который входит в туннель, сам по себе является сильно турбулентным из-за движения лопастей вентилятора (когда вентилятор нагнетает воздух в испытательную секцию – когда он всасывает воздух из испытательной секции вниз по потоку, турбулентность лопастей вентилятора не является фактором) и поэтому бесполезен для точных измерений. Воздух, движущийся через туннель, должен быть относительно безтурбулентным и ламинарным . Чтобы решить эту проблему, используются близко расположенные вертикальные и горизонтальные воздушные лопатки, которые сглаживают турбулентный поток воздуха перед тем, как он достигнет объекта тестирования.

Из-за влияния вязкости поперечное сечение аэродинамической трубы обычно круглое, а не квадратное, поскольку в углах квадратной трубы будет большее сужение потока, что может сделать поток турбулентным. Круглый туннель обеспечивает более плавный поток.

Внутренняя поверхность туннеля обычно делается максимально гладкой, чтобы уменьшить поверхностное сопротивление и турбулентность, которые могут повлиять на точность испытаний. Даже гладкие стены вызывают некоторое сопротивление воздушному потоку, поэтому испытуемый объект обычно находится недалеко от центра туннеля с пустой буферной зоной между объектом и стенками туннеля. Существуют поправочные коэффициенты, позволяющие соотнести результаты испытаний в аэродинамической трубе с результатами испытаний на открытом воздухе.

Освещение обычно встроено в круглые стены туннеля и проникает через окна. Если бы фонарь был установлен на внутренней поверхности туннеля обычным способом, лампочка создавала бы турбулентность, когда воздух обдувает ее. Точно так же наблюдение обычно ведется через прозрачные иллюминаторы в тоннель. Эти окна освещения и наблюдения могут быть не просто плоскими дисками, а изогнутыми, чтобы соответствовать поперечному сечению туннеля и дополнительно уменьшать турбулентность вокруг окна.

Для изучения фактического обтекания геометрии воздушного потока и сравнения его с теоретическими результатами используются различные методы, которые также должны учитывать число Рейнольдса и число Маха для режима работы.

Измерения давления

Давление на поверхности модели можно измерить, если модель оснащена датчиками давления. Это может быть полезно при явлениях, в которых преобладает давление, но это учитывает только нормальные силы, действующие на тело.

Измерения силы и момента

Типичный коэффициент подъемной силы в зависимости от атаки . угла

С помощью модели, установленной на силовом балансере , можно измерять подъемную силу, сопротивление, боковые силы, моменты рыскания, крена и тангажа в диапазоне углов атаки . Это позволяет построить общие кривые, такие как зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки (показано).

Баланс сил сам по себе создает сопротивление и потенциальную турбулентность, которые будут влиять на модель и вносить ошибки в измерения. Поэтому опорные конструкции обычно имеют плавную форму, чтобы минимизировать турбулентность.

Визуализация потока

Поскольку воздух прозрачен, непосредственно наблюдать за его движением трудно. Вместо этого для испытаний в аэродинамической трубе было разработано множество методов как количественной, так и качественной визуализации потока.

Качественные методы

• Дым
• Впрыск углекислого газа
• Пучки, мини-пучки или конусы потока могут быть прикреплены к модели и оставаться прикрепленными во время тестирования. Пучки можно использовать для измерения структуры воздушного потока и разделения потоков. Пучки иногда изготавливаются из флуоресцентного материала и подсвечиваются черным светом для облегчения визуализации.
• Испаряющиеся суспензии представляют собой просто смесь какого-либо мелкого порошка, талька или глины, смешанную с жидкостью с низкой скрытой теплотой испарения. При включении ветра жидкость быстро испаряется, оставляя после себя глину с узором, характерным для воздушного потока.
• Масло: Когда масло наносится на поверхность модели, оно может четко показать переход от ламинарного потока к турбулентному, а также отрыв потока.
• Темперная краска: как и масляная, темперную краску можно наносить на поверхность модели, сначала нанося краску отдельными точками. После запуска аэродинамической трубы можно определить направление потока и разделение. Дополнительная стратегия использования темперной краски — использование черного света для создания светящегося потока с помощью темперной краски.
• Туман (обычно из частиц воды) создается с помощью ультразвукового пьезоэлектрического распылителя . Туман транспортируется внутри аэродинамической трубы (предпочтительно закрытого типа и закрытого типа). Перед испытательным участком вставлена ​​электрически нагреваемая решетка, которая испаряет частицы воды поблизости, образуя таким образом туман. Противотуманные листы действуют как обтекаемые линии над тестовой моделью при освещении световым листом.
• Сублимация: если движение воздуха в туннеле достаточно нетурбулентное, поток частиц, попадающий в воздушный поток, не распадается по мере движения воздуха, а остается вместе в виде острой тонкой линии. Множественные потоки частиц, выбрасываемые из решетки множества сопел, могут обеспечить динамическую трехмерную форму воздушного потока вокруг тела. Как и в случае с балансом сил, эти впрыскивающие трубы и сопла должны иметь такую ​​форму, которая сводит к минимуму попадание турбулентного воздушного потока в воздушный поток.
• Сублимация (альтернативное определение): метод визуализации потока заключается в покрытии модели сублимируемым материалом, где при включении ветра в регионах, где воздушный поток является ламинарным, материал остается прикрепленным к модели, и наоборот, в турбулентных областях материал испарится с модели. Этот метод в первую очередь используется для проверки того, что триггерные точки, размещенные на переднем крае для принудительного перехода, успешно достигают намеченной цели.

Высокоскоростную турбулентность и вихри бывает трудно увидеть напрямую, но стробоскопы и пленочные или высокоскоростные цифровые камеры могут помочь запечатлеть события, которые невооруженным глазом кажутся размытыми.

Высокоскоростные камеры также необходимы, когда объект испытания сам движется с высокой скоростью, например, пропеллер самолета. Камера может снимать покадровые изображения того, как лезвие разрезает потоки частиц и как возникают вихри вдоль задних кромок движущегося лезвия.

Количественные методы

• Краска, чувствительная к давлению (PSP): PSP — это метод, при котором на модель наносится распылением краска, которая реагирует на изменения давления, меняя цвет. В сочетании с этим методом камеры обычно располагаются под стратегическими углами обзора через стены, потолок и пол аэродинамической трубы, чтобы фотографировать модель при дующем ветре. Фотографические результаты могут быть оцифрованы для создания полного распределения внешнего давления, действующего на модель, а затем отображены на вычислительной геометрической сетке для прямого сравнения с результатами CFD. Измерения PSP могут быть эффективными для регистрации изменений давления в модели, однако часто требуют дополнительных датчиков давления на поверхности модели для проверки абсолютной величины коэффициентов давления. Важным свойством хорошо себя зарекомендовавших красок PSP является то, что они также должны быть нечувствительны к температурным воздействиям, поскольку температура внутри аэродинамической трубы может значительно меняться после непрерывной работы. Общие трудности, возникающие при использовании PSP, включают невозможность точно измерить эффекты передней и задней кромки в областях с высокой кривизной из-за ограничений способности камеры получать выгодный угол обзора. Кроме того, иногда избегают применения PSP на передней кромке, поскольку он создает конечную толщину, которая может вызвать ранний отрыв потока, что искажает результаты. Поскольку изменения давления на передней кромке обычно представляют основной интерес, отсутствие точных результатов в этой области является очень проблематичным. Известно, что после окраски модели краской, чувствительной к давлению, некоторые краски прилипают и продолжают действовать в течение нескольких месяцев после первоначального нанесения. Наконец, известно, что краски PSP обладают определенными частотными характеристиками: некоторым требуется несколько секунд для стабилизации, прежде чем можно будет достичь точных результатов, в то время как другие быстро сходятся. В последнем случае краски, способные отражать быстрые изменения давления, могут использоваться для приложений Dynamic PSP, целью которых является измерение характеристик нестационарного потока.
• Скорость изображения частиц (PIV): PIV — это метод, при котором лазерный лист излучается через щель в стене туннеля, где устройство формирования изображения может отслеживать локальное направление скорости частиц в плоскости лазерного листа. Иногда этот метод включает в себя засев воздушного потока наблюдаемым материалом. Этот метод позволяет количественно измерить скорость и направление потока на участках, захваченных в плоскости лазера.
• Измерение деформации модели (MDM): MDM работает путем размещения маркеров в известных геометрических местах модели аэродинамической трубы и фотографирования изменений местоположения маркеров при воздействии ветра в туннеле. Анализируя изменение положения маркера под разными углами обзора камеры, можно рассчитать поступательное изменение местоположения маркера. Собрав результаты по нескольким маркерам, можно рассчитать степень гибкости модели из-за воздушной нагрузки.

Классификация

Существует множество различных видов аэродинамических труб. Обычно они классифицируются по диапазону скоростей, достигаемых на участке испытаний, следующим образом:

• Низкоскоростная аэродинамическая труба
• Высокоскоростная аэродинамическая труба
• Дозвуковая и трансзвуковая аэродинамическая труба
• Сверхзвуковая аэродинамическая труба
• Гиперзвуковая аэродинамическая труба
• Аэродинамическая труба с высокой энтальпией

Аэродинамические трубы классифицируются также по ориентации воздушного потока в рабочей части относительно силы тяжести. Обычно они ориентированы горизонтально, как это происходит во время горизонтального полета . Аэродинамические трубы другого класса ориентированы вертикально, так что гравитация может быть уравновешена сопротивлением, а не подъемной силой, и они стали популярной формой отдыха для моделирования прыжков с парашютом :

• Вертикальная аэродинамическая труба

Аэродинамические трубы также классифицируются по основному назначению. Для тех, кто использует наземные транспортные средства, такие как легковые и грузовые автомобили, также важен тип аэродинамики пола. Они варьируются от стационарных этажей до полностью движущихся этажей, причем важны также подвижные полы меньшего размера и некоторая попытка контроля граничного уровня.

Авиационные аэродинамические трубы

Основными подкатегориями авиационных аэродинамических труб являются:

Туннели с высокими числами Рейнольдса

Число Рейнольдса является одним из определяющих параметров подобия для моделирования потока в аэродинамической трубе. Для числа Маха менее 0,3 это основной параметр, определяющий характеристики потока. Существует три основных способа смоделировать высокое число Рейнольдса, поскольку получить полномасштабное число Рейнольдса с помощью полномасштабного транспортного средства непрактично.

• Туннели под давлением: здесь испытательные газы находятся под давлением для увеличения числа Рейнольдса.
• Туннели для тяжелого газа. более тяжелые газы, такие как фреон и R-134a В качестве испытательных газов используются . Туннель трансзвуковой динамики в НАСА в Лэнгли является примером такого туннеля.
• Криогенные туннели: здесь тестовый газ охлаждается для увеличения числа Рейнольдса. Европейская трансзвуковая аэродинамическая труба использует эту технику.
• Высотные туннели: они предназначены для проверки воздействия ударных волн на самолеты различных форм в условиях, близких к вакууму. В 1952 году Калифорнийский университет построил первые две высотные аэродинамические трубы: одну для испытаний объектов на высоте от 50 до 70 миль над землей и вторую для испытаний на высоте от 80 до 200 миль над землей.

V/STOL tunnels

Туннели V/STOL требуют большой площади поперечного сечения, но лишь малых скоростей. Поскольку мощность меняется в зависимости от куба скорости, мощность, необходимая для операции, также меньше. Примером туннеля V / STOL является туннель НАСА в Лэнгли размером 14 на 22 фута (4,3 на 6,7 м).

Спиновые туннели

Самолеты имеют тенденцию вращаться во время сваливания . Эти туннели используются для изучения этого явления.

Автомобильные туннели

Автомобильные аэродинамические трубы делятся на две категории:

• Туннели внешнего потока используются для изучения внешнего потока через шасси.
• Климатические тоннели используются для оценки работоспособности дверных систем, тормозных систем и т.п. в различных климатических условиях. Большинство ведущих автопроизводителей имеют собственные климатические аэродинамические трубы.

Вунибальд Камм построил первую полномасштабную аэродинамическую трубу для автомобилей.

Для наружных проточных тоннелей применяются различные системы компенсации воздействия пограничного слоя на дорожное покрытие, в том числе системы движущихся ремней под каждым колесом и кузовом автомобиля (5 или 7 ременных систем) или один большой ремень под всем автомобиль или другие методы контроля пограничного слоя, такие как совки или перфорации для его удаления.

Аэроакустические туннели

Эти туннели используются при изучении шума, создаваемого потоком, и его подавлении.

Вертикальная аэродинамическая труба Т-105 Центрального аэрогидродинамического института , Москва, построенная в 1941 году для испытаний самолетов.

Высокая энтальпия

Высокоэнтальпийная аэродинамическая труба предназначена для изучения обтекания воздушным потоком объектов, движущихся со скоростями, значительно превышающими местную скорость звука ( гиперзвуковые скорости). « Энтальпия » — это полная энергия газового потока, состоящая из внутренней энергии, обусловленной температурой, произведением давления на объем и скоростью потока. Дублирование условий гиперзвукового полета требует больших объемов нагретого воздуха высокого давления; Двумя используемыми методами являются большие горячие резервуары под давлением и электрические дуги.

Аквадинамический лоток

Аэродинамические принципы аэродинамической трубы одинаково действуют на водные суда, за исключением того, что вода более вязкая и поэтому оказывает большее воздействие на испытуемый объект. Петлеобразный лоток обычно используется для подводных аквадинамических испытаний. Взаимодействие между двумя различными типами жидкостей означает, что чистое испытание в аэродинамической трубе актуально лишь частично. Однако аналогичные исследования проводятся и на буксирном танке .

Низкоскоростное испытание жидкости негабаритного размера

Воздух не всегда является лучшей испытательной средой для изучения принципов аэродинамики в небольших масштабах из-за скорости воздушного потока и движения профиля. Исследование крыльев плодовых мух, призванное понять, как крылья создают подъемную силу, проводилось с использованием большого резервуара с минеральным маслом и крыльев, размер которых в 100 раз превышал реальный размер, чтобы замедлить взмахи крыльев и облегчить вихри, создаваемые крыльями насекомых. увидеть и понять.

Тестирование вентиляторов

Также проводятся испытания в аэродинамической трубе для точного измерения движения воздуха вентиляторами при определенном давлении. Путем определения условий окружающей среды во время измерения и последующей проверки герметичности обеспечивается стандартизация данных.

Существует два возможных способа измерения: полный вентилятор или рабочее колесо гидравлической установки. Две измерительные трубки позволяют измерять более низкие воздушные потоки (< 30 000 м). ³ /ч), а также более высокие воздушные потоки (< 60 000 м ³ /час). Определение кривой Q/h вентилятора является одной из основных задач. Для определения этой кривой (и определения других параметров) измеряются технические, механические и электротехнические параметры воздуха:

Воздушно-техническое:

• Статическая разница давления (Па)
• Объем перемещаемого воздуха (м ³ /час)
• Средняя скорость воздуха (м/с)
• Удельная эффективность (Вт/1000 м ³ /час)
• Эффективность

Электротехнические:

• Tension (V)
• Ток (А)
• Потому что f
• Допустимая мощность (Вт) вентилятора/ крыльчатки
• Число оборотов в минуту (об/мин)

Измерение может проводиться на вентиляторе или в приложении, в котором используется вентилятор.

Ветротехнические испытания

В ветротехнике испытания в аэродинамической трубе используются для измерения скорости вокруг, а также сил или давления на конструкции. Очень высокие здания, здания необычной или сложной формы (например, высокое здание параболической или гиперболической формы), вантовые подвесные мосты или вантовые мосты анализируются в специализированных аэродинамических трубах пограничного слоя атмосферы. Они имеют длинный участок с наветренной стороны, что позволяет точно отображать скорость ветра и профиль турбулентности, воздействующий на конструкцию. Испытания в аэродинамической трубе обеспечивают необходимые измерения расчетного давления при использовании динамического анализа и контроля высотных зданий.

См. также

• Указатель авиационных статей
• Автомобильный дизайн
• Стинг (фиксатор)
• Tacoma Narrows Bridge (1950) , первый подвесной мост, испытанный в аэродинамической трубе.
• Водная труба , гидродинамическая версия аэродинамической трубы.
• Список аэродинамических труб

Дальнейшее чтение

• Джуэл Б. Барлоу, Уильям Х. Рэй-младший, Аллан Поуп: Испытания в аэродинамических трубах на низкой скорости (3-е изд.) ISBN   978-0-471-55774-6

Внешние ссылки

• Тьерри Дюбуа (11 мая 2017 г.). «У аэродинамических труб есть будущее в эпоху цифровых технологий, говорят европейцы» . Неделя авиации и космических технологий . Благодаря обновленным методам измерений аэродинамические трубы остаются незаменимыми.

• Rail Tec Arsenal , климатический аэродинамический центр для испытаний железнодорожных, авиационных, автомобильных и технических конструкций