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 известный 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 стены или стены с прорезями. 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: