Методы аэродинамического эксперимента.html

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Лабораторная работа № 2

Аэродинамические трубы

1.  Методы аэродинамического эксперимента

Все гидроаэродинамические задачи, встречающиеся в практике, можно разделить на три группы. К первой отнесем задачи о движении тела в неподвижной среде, ко второй — об обтекании неподвижных тел движущейся средой и к третьей — смешанные задачи, когда движется и среда, и тело.

Примерами задач первой группы могут быть задачи о движении самолета в неподвижной атмосфере, о движении подводной лодки в неподвижной воде и др. Ко второй группе можно отнести обтекание устоев моста в реке, поток газа и жидкости в трубах и др. К третьей группе относятся движение самолета при наличии ветра, движение корабля при наличии течений в воде, движение колес паровой,  газовой  или  гидравлической турбин  и т. д.

Методы аэродинамического эксперимента можно разделить на две группы. К первой относятся методы, при которых объект исследования движется в покоящейся среде, а ко второй — методы, при которых изучаемый объект неподвижен, а среда движется.

Методы первой группы, в свою очередь, можно разделить на следующие.

1. Методы, основанные на изучении прямолинейного движения. К ним можно отнести изучение сопротивления при падении тел, прежде широко применявшееся во многих лабораториях, и исследования моделей при полете и при горизонтальном перемещении их по тросу или по рельсовому пути. Последний способ получил широкое применение в гидравлических каналах и судовых бассейнах, а также при изучении движения моделей ракет и снарядов на баллистических установках и ракетных тележках.

2. Методы, основанные на изучении кругового движения тел с помощью ротативных машин, применяемых для исследований как в воздухе, так  и  в воде.

Методы, относящиеся ко второй группе, можно разделить на две категории.

1. Методы, использующие естественные потоки воздуха (ветер) или воды (река, канал и пр.). Эти методы применялись в более ранние годы развития экспериментальной  аэродинамики.

2. Методы, использующие искусственные потоки газа или жидкости, создаваемые вентилятором, насосом или каким-либо другим путем. Сюда можно отнести аэродинамические и гидродинамические трубы, ударные трубы, большинство установок для исследования работы элементов проточной части энергетических машин, большую часть экспериментальных водяных и газовоздушных установок лабораторий заводов и конструкторских бюро.

В зависимости от того, действует ли созданный искусственный поток в течение длительного времени или кратковременно, все установки последнего типа могут быть установками (трубами) постоянного действия или установками кратковременного действия.

Основным преимуществом труб постоянного действия по сравнению с трубами кратковременного действия и опытовыми бассейнами является возможность длительных измерений и наблюдений. Это преимущество настолько велико, что последнее время для исследования моделей кораблей все чаще применяются гидродинамические трубы. Такие трубы строят, несмотря на то, что для их работы необходимы насосные установки с мощностями, в сотни и тысячи раз превосходящими мощности, потребляемые в опытовых бассейнах. Увеличение мощности объясняется тем, что на перемещение всего объема воды при неподвижной модели требуется значительно больше мощности, чем на перемещение небольшой модели в неподвижной воде.

1.  Аэродинамические трубы постоянного действия

Если исключить трубы специального назначения, то можно считать, что целью обычных аэродинамических труб является изучение законов движения тел в однородных средах. Следовательно, труба проектируется так, чтобы в ее рабочей части поле скоростей и давлений было однородным.

В зависимости от величины скорости потока в рабочей части аэродинамические трубы делятся на трубы:

а) малых скоростей, с числом М порядка 0,1—0,2 и меньше;

б) дозвуковые, с числом М от 0,2 до 1,0;

в) сверхзвуковые, с числом М от 1 до 10—12; г) гиперзвуковые, с числом М свыше 12.

В зависимости от того, является ли поток замкнутым, все аэродинамические трубы делятся на два типа: прямые трубы с не замкнутым потоком (рис. 2.1, а, б) и трубы с потоком, циркулирующим в замкнутом канале (рис. 2.1, в, г и д).

  

Рис. 2.1. Типы аэродинамических труб:

а – незамкнутая труба ЦАГИ [Центральный аэрогидродинамический институт];

б - незамкнутая труба Национальной физической лаборатории (Англия); в – замкнутая с одним обратным каналом; г – замкнутая с двумя обратными каналами;

д – труба с переменным давлением

Главный недостаток незамкнутых труб заключается в том, что их необходимо располагать в больших помещениях. Надо, чтобы поперечное сечение помещения во много раз превосходило площадь сечения трубы, тогда скорость воздуха в помещении будет небольшой. Указанный недостаток можно устранить, если пользоваться воздухом, поступающим извне помещения. Так, аэродинамическая   труба,   построенная   в   Шале-Медоне (Франция), расположена так, что в трубу воздух засасывается из атмосферы. При этом частично используется скоростной напор естественного ветра. Недостатком такой трубы является зависимость физических свойств воздуха в ее рабочей части от состояния атмосферы.

Другим недостатком труб первого типа является их низкий к. п. д., так как при выходе из трубы теряется вся кинетическая энергия потока. Последний недостаток устраняется в трубах замкнутого типа. Однако замкнутость потока приводит к тому, что возмущения, возникающие за винтом, а также на поворотах трубы, распространяются по потоку в обратном канале и достигают рабочей части, делая поток в ней неоднородным. Этот дефект может быть ликвидирован расширением потока в обратном канале и поджатием потока рабочей частью, установкой лопаток на повороте и другими способами.

В зависимости от того, имеет ли рабочая часть твердые стенки, аэродинамические трубы делятся на трубы с закрытой и с открытой рабочей частью.

По состоянию среды в рабочей части трубы могут быть: с нормальным атмосферным давлением, с повышенным или пониженным давлением в рабочей части и, наконец, трубы с переменным давлением (рис. 2.1, д). В последних в зависимости от поставленной задачи может быть создано разрежение или повышенное давление.

Аналогичную классификацию можно производить и по другим физико-химическим свойствам среды, заполняющей трубу. Существуют трубы с переменной температурой, влажностью. Рабочей средой в трубе кроме воздуха могут служить другие газы: гелий, фреон и др.

Требования, предъявляемые к аэродинамическим трубам, определяются теми явлениями, которые предполагается изучать. Моделирование в трубах тех или иных явлений зависит от возможности соблюдения законов теории подобия.

Обычно полностью удовлетворить все требования теории подобия не удается. Чаще всего осуществляется приближенное подобие. Для того чтобы знать, какими условиями можно пренебречь при приближенном моделировании, необходимо хорошо знать основные качественные закономерности изучаемых явлений.

Иногда при моделировании допускается лишь приближенное выполнение условий геометрического подобия. Так, при изучении аэродинамических характеристик самолета или дирижабля на обычных высотах полета всегда строго соблюдают геометрическое подобие между натурным объектом и моделью. Но при этом никогда не создают окружающее модель пространство, геометрически подобное изучаемому. Последнее условие заменяется требованием, чтобы поток в аэродинамической трубе имел достаточно большие размеры по сравнению с размерами модели. В качестве аналогичных примеров можно привести изучение распределения давлений на крыле бесконечного размаха, на профиле и много других.

Более строгими требованиями являются требования кинематического подобия. Поле скоростей и давлений в потоке перед моделью в аэродинамической трубе должно соответствовать полю скоростей и давлений в изучаемом потоке. Из условий динамического подобия в экспериментальной аэродинамике обычно существенное значение имеет соблюдение подобия по числам Re и М. Следовательно, при проектировании труб требуется, чтобы числа Re и М, получаемые при опытах в трубе, были равны тем, которые имеют место в натуре.

Большие числа Re можно получить в трубах с большим диаметром рабочей части или при значительном снижении величины кинематической вязкости среды. Очевидно, что числа Re можно повысить и за счет увеличения скорости потока.

Величину кинематической вязкости воздуха можно уменьшить либо поднимая температуру, либо повышая давление.

Увеличение числа Re уменьшением величины кинематической вязкости послужило основанием для проектирования труб переменной плотности, точнее, аэродинамических труб с повышенным давлением. В трубах такого типа давления достигают 245·104 Па, скорости — 40 м/с и диаметр рабочей части—около 2 м, число Re при этом окажется равным 1,38·108, в то время как при нормальном давлении оно равно 5,5·106.

Труба переменного давления показана на рис. 2.1, д. Внешний корпус такой трубы должен быть очень прочным. Толщина стальных стенок наружного кожуха достигает 50 мм.

Моделирование явлений в трубах при значительных числах Re и М пока неизбежно приводит к постройке гигантских труб с огромными скоростями и большими мощностями. Поэтому уже в 1941— 1945 гг. имелись трубы с диаметром рабочей части 10— 20 м, скоростью потока до семи скоростей звука и потребляемыми мощностями около 100 тыс. кВт.

Конструкция и размеры аэродинамических труб чрезвычайно разнообразны и зависят прежде всего от задач эксперимента.

Наибольшее распространение в лабораториях заводов и НИИ [научно-исследовательский институт] получили замкнутые трубы с одним обратным каналом (рис. 2.1, в) и открытой или закрытой рабочей частью. Основными элементами таких труб являются  конфузор (или  коллектор) Е, рабочая часть А, диффузор Б, винто-моторная группа В, поворотные колена Г и обратный канал Д (рис. 2.2). Кроме того, для выравнивания и успокоения потока в рабочей части в большом сечении коллектора устанавливаются сетки и решетки Ж, а при входе в диффузор устанавливается кольцевой раструб [расширение в виде воронки] с крыловым профилем К.

На рис. 2.2 в качестве примера даны размеры трубы с диаметром рабочей части 2 м.

Для оценки эффективности использования располагаемой энергии в аэродинамических трубах обычно вводят величину качества трубы, равную отношению кинетической энергии массы жидкости, протекающей через рабочую часть в 1 с, к энергии на валу двигателя.

Если кинетическую энергию Е в рабочей части трубы представить в виде

 

где m, ρ, V и F — секундная масса, плотность, скорость потока и площадь поперечного сечения в рабочей части, тогда качество трубы К будет равно

 

где N—мощность на валу двигателя, кВт.

Часто в практике пользуются коэффициентом мощности λ, который равен обратной величине качества, т. е.

 

Если через η обозначить к. п. д. компрессора или вентилятора, создающего поток, то величина мощности, подводимая к потоку N0, будет: N0 = N η. При установившейся работе трубы подводимая мощность N0 должна быть равна сумме потерь, имеющих место в проточной части трубы. Тогда величина качества будет иметь вид

 

Сумма  потерь определяется  аэродинамическим  расчетом  потерь во всех элементах трубы.

В замкнутых трубах (с обратным каналом) величина качества больше единицы и в хорошо спроектированных трубах изменяется в пределах от 2 до 5. В незамкнутых и эжекторных трубах при больших сверхзвуковых скоростях потока качество трубы может быть значительно меньше единицы.

Рис. 2.2. Аэродинамическая труба ЛПИ

1.  Аэродинамические трубы кратковременного действия

Основной недостаток сверхзвуковых аэродинамических труб непрерывного действия заключается в том, что мощности, необходимые для их работы, чрезвычайно велики. Даже для относительно небольших чисел М потребные мощности таких труб достигают сотен тысяч киловатт. Стоимость и конструктивная сложность труб непрерывного действия почти полностью определяются их энергетическим оборудованием (двигатели, компрессоры, холодильники и пр.). Поэтому в последние годы трубы кратковременного действия получают все большее распространение. Размеры рабочей части современных труб уже превосходят 1 м, а числа М, получаемые в них, достигают значений, равных 27. Освоение быстродействующей аппаратуры для измерения давлений и скоростей содействует все более широкому применению таких труб.

Существующие конструкции труб можно разделить на два типа: схема с истечением из баллонов сжатого воздуха и схема с истечением в вакуумную емкость (рис. 2.3).

По первой схеме (рис. 2.3, а) труба состоит из компрессора 1, устройства для отделения воды, масла и осушки воздуха 2, емкости для сжатого воздуха 3, быстродействующего крана 4, подогревателя 5 и рабочего участка трубы, состоящего из коллектора 6, сопла 7, рабочей части 8 и диффузора 9. Выбрасывание воздуха в атмосферу и глушение шума производятся с помощью выхлопной шахты 10.

В вакуумной установке (рис. 2.3, б) воздух из атмосферы, пройдя осушитель 1, попадает в рабочий участок, состоящий из коллектора 2, сопла 3, собственно рабочей части 4 и диффузора 5. Впуск воздуха производится быстродействующим краном 6. Разрежение и вакуумной емкости 7 создается эксгаустером 8.

Рис. 2.3. Схемы основных типов труб кратковременного действия

В емкостях для труб первого типа используются баллоны, широко применяемые в различных отраслях промышленности. Для вакуумных емкостей используются специально изготовляемые стальные шары с диаметром до 20 м. Отношение диаметра шара к толщине стальной стенки шара сохраняется равным около 670.

Сопла и диффузоры могут иметь регулируемые горла. Быстродействующие краны должны открываться в течение примерно секунды. В практике успешно применяются дроссельные краны с резиновыми прокладками, приводимые в действие баллонами сжатого воздуха. Для снижения потерь давления диаметры быстродействующих кранов должны быть достаточно большими.

Наиболее громоздкой частью трубы являются осушающие устройства (особенно для вакуумных труб). В качестве поглотителя влаги используется силикагель или активированный боксит (глинозем). Чтобы в рабочей части трубы не возникало конденсации паров воды, абсолютная влажность воздуха не должна превышать 0,01%. Количество глинозема, необходимого для вакуумной трубы, можно определить из расчета 1000 кг глинозема на 13 500 кг воздуха, если при этом считать, что полезная концентрация слоя равна 2%, а абсолютная атмосферная влажность воздуха — 1,5%. В баллонных трубах количество осушителя требуется меньше, чем в вакуумных. Восстановление осушителя производится путем его нагрева горячим воздухом до 180°С и последующего охлаждения до нормальной температуры.

В эжекторной трубе так же, как и в баллонной, осушение воздуха производится сжатием его при некоторой постоянной температуре  и  последующим  расширением.

На рис. 2.4 показана схема трубы эжекторного типа, в которой осуществлен почти замкнутый цикл. Трехступенчатый поршневой компрессор 1 имеет промежуточный и выходной холодильник 2. Воздух из компрессора, пройдя водоотделительную головку 3, попадает в ресивер 4, где окончательно охлаждается. Дросселирующий кран 5 служит для регулирования скорости. Поток из ресивера через щели эжектора 6 засасывает в рабочую часть 7 воздух из атмосферы и, пройдя обратный канал 8, частично выбрасывается в атмосферу. Практически после непродолжительного периода запуска весь воздух в контуре трубы состоит из сухого воздуха, поступающего из ресивера.

Рис. 2.4. Труба эжекторного типа

На рис. 2.5 приведены кривые изменения отношения мощности трубы непрерывного действия (к. п. д. компрессора — 80%) к мощности труб кратковременного действия в зависимости от числа М, работающих 60 с/ч при равных числах М.

Видно, что для всех чисел М потребная мощность труб непрерывного действия больше, чем для труб кратковременного действия. При М = 4,5 вакуумные трубы требуют мощность в 15 раз меньшую мощности труб непрерывного действия. При М > 2,5 вакуумные трубы значительно выгоднее баллонных труб давления, а при М < 2,5 — первые менее выгодны, чем вторые.

Рис. 2.5. Отношение потребных мощностей для труб

непрерывного и кратковременного действия:

1 – привод от сжатого воздуха; 2 – вакуумный привод

1.  Ударные трубы

Для изучения движений при больших числах М в последние годы широкое применение получили ударные трубы различных конструкций. Они использовались для изучения процессов возникновения ударных волн, отражения и преломления их, процессов детонации в горючих газах, для изучения явлений конденсации и поведения газов при высокой температуре. Ударные трубы могут также применяться для исследования ряда нестационарных явлений в машинах, изучения гашения возмущений при электрических разрядах, распространения взрывных волн в горных разработках, при изучении действия взрывных волн на элементы конструкций машин и сооружений.

Устройство ударной трубы очень несложно. Обычно она представляет собой трубу (рис. 2.6, а), чаще всего прямоугольного сечения, разделенную перегородкой (диафрагмой) на две неравные части: меньшую — камеру высокого давления и большую — камеру низкого давления.

Площадь поперечного сечения современных труб меняется в широком диапазоне — от нескольких квадратных сантиметров до квадратного метра и даже больше. Длина труб достигает десяти и более метров. Для изготовления корпуса трубы при высоких давлениях используются достаточно прочные материалы, чаще всего сталь. Разделяющая трубу диафрагма изготовляется обычно из фольги, тонких металлических пластин и т. п. В некоторых случаях (при получении ударных волн малой интенсивности) в качестве диафрагмы можно применять фотопленку и даже кальку.

Рис. 2.6. Схема ударной трубы и изменение основных параметров потока

Присоединяемый к камере низкого давления бак играет вспомогательную роль и служит главным образом для гашения звука, возникающего при разрыве диафрагмы.

Для «запуска» трубы в камеру высокого давления подают газ под большим (часто до нескольких десятков атмосфер) давлением либо создают в ней резкое повышение давления за счет взрыва какой-либо горючей смеси или мощного электрического разряда. При этом в камере низкого давления оставляют нормальное давление или даже создают некоторое разрежение.

Под действием созданного высокого давления или каким-либо другим способом диафрагма разрывается, и по трубе низкого давления распространяется волна сжатия, которая, быстро увеличивая свою крутизну, превращается в ударную волну. Ударная волна, бегущая по частицам невозмущенного газа в камере низкого давления, создает за собой спутный поток газа, имеющий вполне определенную скорость (но меньшую, чем скорость самой волны).

Вслед за частицами газа, находившегося до разрыва диафрагмы в камере низкого давления, в спутном потоке движутся частицы газа из камеры высокого давления. Перемещающаяся поверхность, разделяющая в процессе движения частицы этих газов, называется контактной поверхностью. Передвижение частиц газа из камеры высокого давления приводит к возникновению непрерывной системы волн разрежения, в которой происходит плавное изменение давления от давления в спутном потоке до давления в невозмущенной еще движением части камеры высокого давления.

Таким образом, всю длину трубы в некоторый произвольный момент времени t можно разделить на пять участков (рис. 2.6).

Первый — камера низкого давления до распространяющейся в ней ударной волны. В этой области все параметры газа остались такими же, как и до разрыва диафрагмы.

Второй участок занимает область от ударной волны до контактной поверхности. В этой области скорость движения частиц, давление и температура, возросшие в ударной волне, а также и число М остаются постоянными.

Третий участок расположен между контактной поверхностью и началом области разрежения. Сравнивая значения параметров газа на этом участке с их значениями во втором участке, можно установить, что давление и скорость имеют такие же величины, температура резко падает, а число М возрастает.

Четвертый участок — это область, в которой происходит расширение газа. Здесь давление, плотность и температура падают (от их значений в камере высокого давления), а скорость и число М растут от нуля до соответствующих величин в третьем участке. Наконец, в камере высокого давления будет еще область невозмущенного газа — пятый участок, в котором все параметры газа останутся такими же, какими они были до разрыва диафрагмы. Характер  изменения  параметров  газа  по всем участкам трубы в момент времени t показан на рис. 2.6, б—е.

Весь процесс, происходящий в трубе, удобно представить в координатной системе х—t. На рис. 2.6, ж приведен процесс перемещения границ указанных выше участков от момента разрыва диафрагмы (t = 0) со временем t. Такие диаграммы широко используются для изучения одномерных движений газа. Для каждого момента времени , пользуясь этой диаграммой, можно найти ширину каждого участка трубы, а для каждой точки трубы  за диафрагмой вправо можно найти момент времени прохождения ударной волны t1, контактной поверхности t2 и начала четвертого участка t3. Очевидно, что разность  определяет время, в течение которого участок 2 проходит точку трубы с координатой , а разность  — время прохождения третьего участка.

Весьма широкое распространение получили ударные трубы переменного сечения, а также трубы, разделенные на три и более камеры.

Вопросы для контроля

1.  Назовите три группы гидроаэродинамических задач, встречающихся в практике, приведите примеры для каждой из них.
2.  Какие существуют методы аэродинамического эксперимента (4 метода)?
3.  Какие два основные вида аэродинамических труб существуют? Назовите достоинства и недостатки каждого из них.
4.  Какова цель обычных аэродинамических труб? Каким образом она достигается?
5.  Какие классификации аэродинамических труб постоянного действия существуют? (Перечислить все, про один – по заданию преподавателя – рассказать подробнее).
6.  Расскажите, какие типы труб изображены на рис. 2.1.
7.  В чем заключается геометрическое / кинематическое / динамическое подобие? Запишите и поясните формулу числа Рейнольдса.
8.  Как соблюдаются требования геометрического / кинематического / динамического подобия в аэродинамических трубах постоянного действия?
9.  Какими способами можно увеличить число Рейнольдса в аэродинамических трубах?
10.  Рассказать устройство аэродинамической трубы, изображенной на рис. 2.2.
11.  Для чего применяется величина качества трубы? Чему она равна? Что такое λ?
12.  Чему равна величина качества трубы с учетом потерь в трубе?
13.  Чему на практике может быть равна величина качества трубы?
14.  Объясните устройство основных типов аэродинамических труб кратковременного действия, используя рис. 3.
15.  Из чего состоит рабочий участок аэродинамической трубы кратковременного действия?
16.  Расскажите о быстродействующих кранах аэродинамических труб кратковременного действия.
17.  Расскажите об осушающих устройствах аэродинамических труб кратковременного действия.
18.  Рассказать устройство аэродинамической трубы, изображенной на рис. 2.4.
19.  Объясните графики, изображенные на рис. 2.5.
20.  Для чего применяются ударные трубы? Каково их устройство?
21.  Расскажите принцип действия ударных труб.
22.  Какие пять участков возникают при движении ударной волны в аэродинамической трубе?

1. Лабораторная работа 7 Тема- Добавление выделение форматирование текста
2. Я голосую за жизнь Смысл жизни заключается в самой жизни в ритме каждого дня и часа
3. Дарьиной газеты Солнышко светит посылая нам свои иногда очень горячие лучи по утрам поют птицы в л
4. Понятие промышленной собственности Объекты охраны промышленной собственности
5. Экономисты изучают безработицу для определения ее причин а также для совершенствования мер государствен
6. Новые понятия договорного права
7. Информация и сигнал
8. Модель методического обеспечения профессионального роста педагогов сельской школы
9. URU Грамотнев К
10. Доклад- Современная демографическая ситуация в России
11. Лекция 30 Виды сварных изделий летательных аппаратов и технология их изготовления 30
12. ных Штатов Америки ратуют за то чтобы заголовки в газетах книгах интриговали читателей как можно полнее пе
13.  Игнорирование самой тренировки ног
14. Причуды и удовольствия.html
15. Лечебное дело ТЕРАПИЯ Рассмотрено
16. 2002 Дисертацією є рукопис
17.  The cpitl ws Khrkiv The mjority of current Western Ukrine becme prt of the Second Polish Republic
18. на тему- Погрешность измерений
19. Тема- в гостях у сказки Задачи- Образовательная- Закрепление знаний по детской литературе
20. статья След. статья Распространенным явлением экономической жизни Казахстана является несвоевременный ил

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе