Аеродинамічна труба

Стенд NASA

Аеродинамі́чна труба́ — експериментальна установка для дослідження явищ і процесів, що супроводжують обтікання тіл потоком газу. Одну із перших труб сконструювали брати Райт, які вивчали властивості крила свого літака. Зараз аеродинамічні труби широко застосовують у різних напрямках машинобудування. Так, наприклад, аеродинамічні труби мають більшість автомобілебудівних заводів в розвинутих країнах.

Принцип дії

Принцип дії аеродинамічної труби заснований на принципі відносності Галілея: замість руху тіла в нерухомому середовищі вивчається обтікання нерухомого тіла потоком газу. В аеродинамічній трубі експериментально визначаються діючі на літальний апарат аеродинамічні сили й моменти, досліджуються розподіли тиску й температури по його поверхні, спостерігається картина обтікання тіла, вивчається аероупружність і т.д.

Принципова схема простої аеродинамічної труби з незамкненим потоком і закритою робочою частиною.

Вентилятор, що приводиться в рух електродвигуном постійного струму, засмоктує повітря крізь сопло і напрямну ґратку в робочу частину, де містяться досліджувана модель і давачі вимірювальних приладів. Далі повітря проходить крізь дифузор, виходячи в навколишній простір. Швидкість потоку в робочій частині регулюється зміною обертів двигуна. Рівномірність потоку в робочій частині забезпечується належною формою сопла та напрямною ґраткою.

Економічність аеродинамічної труби характеризується відношенням кінетичної енергії секундної маси повітря в робочій частині до потужності двигуна. Дифузор, який значно зменшує кінетичну енергію повітря, що виходить з аеродинамічної труби, істотно поліпшує її якість. Ще кращі показники має аеродинамічна труба з замкненим потоком. В аеродинамічній трубі цього типу повітря, вийшовши з дифузора, крізь один або два зворотні канали з напрямними лопатями знову потрапляє в сопло. Необхідною умовою динамічної відповідності природного та модельованого явищ є рівність для обох явищ певних чисел — критеріїв подібності. Найважливішим критерієм подібності, при не дуже великих швидкостях, є число

R = lv/n,

де l — характерний розмір тіла, v — швидкість, n — кінематичний коефіцієнт в'язкості середовища.

Для досягнення великих R застосовують велетенські натурні аеродинамічні труби, де досліджуються тіла натуральної величини. При великих (надзвукових) швидкостях найбільше значення має число

М = v/a,

де a — швидкість звуку.

Для одержання великих М застосовують невеликі розміром швидкісні аеродинамічні труби. У швидкісних аеродинамічних трубах безперервної дії повітряний потік, що утворюється осьовим компресором, проходить крізь охолодні пристрої.

Аеродинамічна труба електродуги: 1 — центральний (грибоподібний) електрод, що охолоджується водою; 2 — стінки камери, перехідні в надзвукове сопло, охолоджувані водою; 3 — робоча частина з висотною камерою; 4 — модель; 5 — дифузор; 6 — дуговий розряд; 7 — індукційна котушка, що обертає дуговий розряд; I — контакти для підведення електричного струму дугового розряду; II — контакти для підведення електричного струму до індукційної котушки.

Дві балонні аеродинамічні труби з підвищеним тиском на вході в сопло і із зниженим тиском на виході з дифузора, створюваним: а — двоступінчатим ежектором і б — вакуумним газгольдером; 1 — компресор високого тиску; 2 — осушувач повітря; 3 — балони високого тиск; 4 — дросельний кран; 5 — ресівер сопла; 6 — сопло; 7 — модель; 8 — дифузор аеродинамічної труби; 9 — ежектори; 10 — дросельні крани; 11 — дифузор ежектора; 12 — швидкодіючий кран; 13 — вакуумний газгольдер; 14 — вакуумний насос; 15 — підігрівач повітря; 16 — радіатор.

Схеми робочої частини аеродинамічної труби (а — закрита, б — відкрита, в — відкрита робоча частина з камерою Ейфеля): 1 — модель; 2 — сопло; 3 — дифузор; 4 — струмінь газу, що виходить з сопла; 5 — камера Ейфеля; 6 — робоча частина.

Історія

Поява й розвиток аеродинамічних труб найтіснішим образом пов’язане з розвитком авіації. Перші аеродинамічні труби були побудовані в 1871 У. А. Пашкевичем у Росії й Ф. Уенхемом у Великобританії, а в наступні роки К. Е. Ціолковським і М. Є. Жуковським у Росії, Л. Прандтлем у Німеччині, братами У. й О. Райт у США, А. Г. Ейфелем у Франції й т.д. В 20-30-ті рр. розвиток аеродинамічних труб йшов в основному по шляху збільшення їхньої потужності й розмірів робочої частини. У другій половині 40 х рр. почала швидкими темпами розвиватися реактивна авіація. Необхідність вирішення проблем аеродинаміки й динаміки польоту привела до того, що на початку 50 х рр. створюються великі трансзвукові й надзвукові аеродинамічні труби Найважливіший елемент трансзвукова труба, що забезпечила принципову можливість проведення досліджень в області переходу через швидкість звуку, – перфорована робоча частина. Потужний імпульс, що сприяв розвитку гіперзвукових аеродинамічних труб і появі спеціальних гіперзвукових газодинамічних установок, був отриманий в 60-ті рр. у зв’язку зі створенням балістичних ракет і космічних апаратів, що спускають. Специфічні завдання, що виникають при відпрацьовуванні літаків вертикального та короткого зльоту й посадки, привели до створення в 70 х рр. нового покоління дозвукових аеродинамічних труб з перфорованими стінками робочої частини. Проблема істотного відставання значень одержуваних в аеродинамічних трубах чисел Re від тих, що реалізуються на практиці для багато літаків на трансзвукових швидкостях польоту була вирішена в 80-ті рр., коли була розроблена й реалізована концепція криогенної аеродинамічної труби.

Починаючи з 60-х рр. усе більш широке застосування в аеродинамічних трубах знаходять інформаційно-вимірювальні системи з електронно-обчислювальних машин, що забезпечили істотне збільшення обсягу фиксируемой інформації при одночасному різкому скороченні часу на її обробку. Усе більш широко використаються електронно-обчислювальні машини й у системах автоматичного керування аеродинамічними трубами.

Класифікація

Схема дозвукової аеродинамічної труби: 1 - конфузор (для додаткового прискорення повітряного потоку); 2 - напрям повітряного потоку; 3 - робоча частина з моделлю; 4 - коліно з поворотними лопатками (для усунення завихрень повітряного потоку); 5 - компресор; 6 - повітроохолоджувач

Схема надзвукової аеродинамічної труби: 1 — робоча частина; 2 — модель; 3 — аеродинамічні ваги; 4 — сопло; 5 — дифузор; 6 — випрямляючі грати; 7 — компресор з двигуном ; 9 — зворотний канал; 10 — теплообмінник; 11 — осушувач повітря.

а — Ударна аеродинамічна труба; б — Графік зміни тиску в ударній трубі.

Аеродинамічні труби залежно від діапазону Маху чисел M розділяються на дозвукові (M = 0,15-0,7), трансзвукові (M = 0,7-1,3), надзвукові (M = 1,3-5) і гіперзвукові (M = 5-25); за принципом дії – на компресорні (безперервної дії), у яких потік повітря створюється спеціальним компресором, і балонні с підвищеним тиском; по компонуванню контуру – на замкнуті й незамкнуті.

Компресорні труби мають високий коефіцієнт корисної дії, вони зручні в роботі, але вимагають створення унікальних компресорів з більшими витратами газу й великої потужності. Балонні аеродинамічні труби у порівнянні з компресорними затратніші, оскільки при дроселюванні газу частина енергії губиться. Крім того, тривалість роботи балонних аеродинамічних труб обмежена запасом газу в балонах і становить невеликий час роботи: від десятків секунд до кілька хвилин. Широке поширення балонних аеродинамічних труб обумовлене тим, що вони простіші по конструкції, а потужності компресорів, необхідні для наповнення балонів, відносно малі. В аеродинамічних трубах із замкнутим контуром використовується значна частина кінетичної енергії, що залишилася в газовому потоці після його проходження через робочу область, що підвищує коефіцієнт корисної дії труби, при цьому, доводиться збільшувати загальні розміри установки.

У дозвукових аеродинамічних трубах досліджуються аеродинамічні характеристики дозвукових літаків, вертольотів, а також характеристики надзвукових літаків на злітно-посадочних режимах; крім того, вони використаються для вивчення обтікання автомобілів й інших наземних транспортних засобів, будинків, монументів, мостів й інших об’єктів. Випробовувана модель установлюється в робочій частині труби – відсіку, де створюється потік із заданими швидкістю, щільністю й температурою газу. Перед робочою частиною розміщаються елементи аеродинамічних труб, що забезпечують високу рівномірність потоку: форкамера – циліндричний відсік діаметр D і довжиною L~D і спеціально спроектоване дозвуковое сопло – конфузор. На початку форкамери встановлюються хонейкомб – ґрати з калібрів, трубок, розташованих уздовж осі аеродинамічних труб для усунення скосів потоку й роздрібнення великих вихрів. За ним розташовуються сітки, що вирівнюють значення швидкостей у поперечному перерізі потоку й турбулентні пульсації, що зменшують, швидкості. Важливу роль грає коефіцієнт стиснення аеродинамічних труб – відношення площі поперечного переріза форкамери до площі поперечного переріза робочої частини. З ростом коефіцієнта стиснення зменшується неоднорідність поля швидкостей потоку, а також ступінь турбулентності. У звичайних аеродинамічних трубах коефіцієнт стиснення дорівнює 8-10, у спеціальних малотурбулентних – 15-20. З робочої частини через дозвуковой дифузор і коліна з поворотними лопатками, що зменшують втрати енергії й запобігають утворення вихрів у ньому, потік надходить у компресор, що підвищує повний тиск, компенсуючи його втрати по контурі труби. За компресором розташовуються зворотний канал, що включає дифузор, коліна поворотних лопаток і повітроохолоджувач, що підтримує постійну температуру газу в потоці.

Компресорна трансзвукова аеродинамічна труба за схемою аналогічна дозвуковій. Для реалізації безперервного переходу через швидкість звуку в ній використається дозвукове сопло й робоча частина з перфорацією стінок, що також зменшує вплив границь потоку на обтікання моделі. Для збільшення числа Рейнольдса (Re) трансзвукові аеродинамічні труби зазвичай застосовуються з підвищеним тиском, що досягає (3-5)*105 Па. Промислові трансзвукові аеродинамічні труби мають поперечні розміри робочої частини до 3 м і потужність компресора до 100 Мвт.

У балонних трансзвукових аеродинамічних трубах для створення відповідного газового потоку широко використаються ежектори. При цьому витрата стисненого повітря в аеродинамічніих трубиїах з ежекторами при M = 1 може бути в 3-4 рази менше, ніж у прямоточній (без ежекторів). У деяких випадках для одержання трансзвукових швидкостей газового потоку використається модифікація ударної труби – труба Людвіга.

У надзвукових аеродинамічних трубах для одержання відповідних швидкостей газу застосовуються сопла Лаваля. Вони можуть бути змінними або регульованими (із гнучкими стінками). Гальмування надзвукового потоку після робочої частини супроводжується хвильовими втратами повного тиску, пов’язаними з утворенням стрибків ущільнення. Застосування регульованого надзвукового дифузора дозволяє істотно знизити ці втрати. Потужності компресорів великих надзвукових аеродинамічних труб з характерними розмірами поперечного перерізу робочої частини 1,5-2,5 м становлять 50-100 Мвт. У незамкнутій прямоточній балонній надзвуковій аеродинамічній трубі немає зворотного каналу, а заданий тиск у форкамері при падаючому з часом тиском в балонах підтримується за допомогою регулюючого дроселя.

Створення гіперзвукових аеродинамічних труб є складною проблемою, тому що моделювання гіперзвукового польоту вимагає відтворення в аеродинамічних трубах тисків гальмування. При гіперзвукових числах Маху інтенсивно ростуть втрати повного тиску при гальмуванні потоку й відповідно потребує перепади тиску в аеродинамічних трубах При числах M > = 4,5 повітря в аеродинамічних трубах необхідно нагрівати для запобігання його конденсації. Звичайно для дослідження гіперзвукових літальних апаратів використається комплекс експериментальних установок, оскільки не існує однієї аеродинамічної труби, що задовольняє всім необхідним для моделювання польоту параметрам.

Гіперзвукові балонні аеродинамічні труби «класичного типу» аналогічні надзвуковим балонним аеродинамічним трубам із часом дії порядку десятків секунд. У таких трубах підігрів здійснюється в омічних, електродугових або регенеративних підігрівниках. Потужність підігрівників для труб з робочою частиною діаметр 1 м становить 16-40 Мвт. Максимальний тиск в аеродинамічних трубах з дуговим підігрівником дорівнює 18-20 Мпа, що дозволяє моделювати політ гіперзвукових літальних апаратів тільки на більших висотах. Великий перепад тисків, необхідний для гіперзвукових аеродинамічних трубах, забезпечується системою ежекторів або - вакуумною ємністю.

Ряд найважливіших особливостей гіперзвукового польоту моделюється в різних спеціальних газодинамічних установках. Найбільш широке застосування для досліджень при більших тисках гальмування й натурних чисел Re знайшли ударні труби, хороші результати виходять в імпульсних трубах. Час дії цих установок дуже малий (0,005-0,1 с), тому, незважаючи на більші значення теплового потоку, область критичного перетину сопла не руйнується. Для одержання гіперзвукових швидкостей обтікання, близьких до натурних, використаються балістичні установки. Теплозахисні покриття досліджуються в теплових трубах з електродуговими підігрівниками. Поле на дуже великих висотах моделюється у вакуумних аеродинамічних трубах. Для дослідження деяких закономірностей гіперзвукових польотів використовуються гелієві труби.

«Типові» експерименти

Імпеллер (робоче колесо) аеродинамічної труби

• Вимірювання тисків по поверхні тіла.

Для дослідження необхідно виготовити дреновану модель тіла - в поверхні моделі роблять отвори, які з'єднуються шлангами з манометрами.

В гідродинаміці доведено, що тиск без змін передається поперек граничного шару, що дозволяє розрахувати опір тиску тіла за результатами вимірювання тисків.

• Вимірювання сил і моментів, що діють на тіло

Для дослідження необхідно підвісити модель на багатокомпонентному динамометрі (Аеродинамічні ваги) або на системі розтяжок, що дозволяє вимірювати натяг кожної розтяжки. Перерахунок сил і моментів, що діють на тіло здійснюється відповідно до критерієм подібності Рейнольдса.

• Візуалізація течій

Для вирішення цього завдання використовують вовняні нитки, наклеєні на поверхню моделі або закріплення на дротяній сітці. Можлива постановка експерименту з подачею кольорового диму в характерні зони потоку, але тривалість такого експерименту (у трубах з повторною циркуляцією повітря), як правило, досить мала внаслідок загального задимлення всього аеродинамічного тракту.

Література

• Українська радянська енциклопедія. В 12-ти томах / За ред. М. Бажана. — 2-ге вид. — К.: Гол. редакція УРЕ, 1974-1985;
• Закс Н. А. Основи экспериментальной аэродинамики. М., 1953;
• Пэнкхерст Р., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. Пер. с англ. II., 1955;
• Шухардин C., Ламан Н., Федоров А. Техника в ее историческом развитии. «Наука», 1982;
• Гофман А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. — Л.: Судостроение, 1988.
• Справочник по теории корабля / Под ред. Я. И. Войткунского. В 3-х т. — Л.: Судостроение, 1987. — Т.1
• Физическая энциклопедия / Редкол.: А. М. Прохоров (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988, — Т.1 — С. 161—164 — 704 с., ил. — 100 000 экз.
• Вікіпедія.

Посилання

• ВікіСховище