10.4. Аэродинамические трубы больших скоростей

Рис. 10.6.Схема «запира­ния» околозвуковой аэро­динамической трубы скачка­ми уплотнения

Аэродинамические трубы больших скоростей строятся в боль­шинстве случаев по типу замкнутой трубы с закрытой рабочей частью (см. рис. 10.2). При скоростях потока, соответствующих числам Моо=0,80... 0,95, вследствие появления в рабочем участ­ке местных звуковых и сверхзвуковых скоростей, приводящих к образованию местных скачков уплотнения, возникает так на­зываемое «запирание» трубы (рис. 10.6). В этом случае дальней­шее увеличение скорости в трубе невозможно даже при значи­тельном увеличении мощности агрегата привода. Положение еще больше осложняется при испытании модели на звуковых скорос­тях. В настоящее время разработаны меры по устранению ука­занных дефектов у труб околозвуковых скоростей. Так, напри­мер, в рабочей части трубы перфорируют до 20% поверхности стенок. Это позволяет проводить эксперименты на околозвуко­вых режимах, соответствующих числам М_∞ = 0,6 ... 1,3. Околозвуковые трубы служат главным образом для опреде­ления величин аэродинамических коэффициентов модели при переходе через звуковой барьер и для исследования кризисных явлений.

Рис. 10.7. Схема сверхзвуковой аэродинамической трубы кратковременного действия: 1 — коллектор; 2 — спрямляющая решетка; 3 — сопло Лаваля; 4 — рабо­чая часть; 5 — регулируемый диффузор; 6 — диффузор; 7— быстродей­ствующий кран; 8 — ресивер;

9 —испытуемый объект

Т рубы сверхзвуковых скоростей бы­вают кратковременного и непрерывно­го действия. Работа трубы происходит за счет разности давлений на входе и выходе трубы. При этом могут быть три варианта: повышенное давление перед трубой и нормальное на выходе, нормальное перед трубой — вакуум на выходе и, наконец, повышенное перед трубой и вакуум на выходе.

Рис. 10.8. Схема эжекторной сверхзвуковой трубы кратковременного действия:

1—осушитель; 2—сопло Лаваля; 3—испытуемый объект; 4—рабочая часть; 5—эжектор; 6—диффу­зор; 7—кран; 8—ресивер; 9—компрессор

С хема кратковременно действую­щей сверхзвуковой трубы дана на рис. 10. 7. Воздух, засасываемый из атмосферы через коллектор 1, проходит через спрямляющую решетку 2, сопло Лаваля 3 (где приобретает сверхзву­ковую скорость), затем через рабочую часть 4, регулируемый диффузор 5, диффузор 6, ресивер 8 и выходит в ат­мосферу. Высокий вакуум в ресивере создается с помощью эк­сгаустера. Перед ресивером расположен быстродействующий кран 7, включающий трубу на время, равное долям секунды. В рабочей части трубы, где устанавливается испытуемая модель, за счет разности давлений между атмосферой и ресивером в течение небольшого промежутка времени создается сверхзвуко­вое течение.

Рис. 10.9. Схема баллонно-вакуумной сверхзвуковой трубы кратковременного действия: 1 — электродвигатель; 2 —воздушный компрессор; 3 — баллон для сжатого воздуха; 4 — пусковой быстродействующий кран; 5 — спрям­ляющая решетка; 6—сопло Лаваля; 7—испытуемый объект; 8—диф­фузор; 9—быстродействующий кран; 10—ресивер

С хема сверхзвуковой трубы кратковременного действия эжекторного типа, изображена на рис. 10.8. Компрессором 9 создает­ся высокое давление в ресивере 8, при открытии быстродействующего крана 7 воздух из ресивера вытекает в атмосферу через эжектор 5 и диффузор 6. Эжектируемый воздух засасывается в трубу через осушитель 1, проходит через сопло Лаваля 2, ра­бочую часть 4, диффузор 6, где смешивается с эжектирующим воздухом и выпускается в атмосферу.

Схема сверхзвуковой трубы кратковременного действия бал­лонного типа приведена на рис. 10.9. Батарея баллонов 3 со сжатым воздухом устанавливается перед коллектором, а на выходе из рабочей части трубы установлен ресивер 10 с очень низким давлением воздуха внутри.

Трубы кратковременного действия недороги и доступны для обычных учебных лабораторий, тем более, что они не нуждаются в мощных двигательных установках и в них можно создавать необходимые числа М и Rе.

В ремя действия такой трубы зависит от объема ресивера или баллонов и давления воздуха в них. При малых объемах и дав­лениях время действия трубы настолько мало, что трудно полу­чить правильную количественную аэродинамическую характе­ристику испытуемой модели.

Рис. 10.10. Схема сверхзвуковой аэродинамической трубы непрерывного действия: 1 — сопло Лаваля; 2 — рабочая часть; 3 — испытуемый объект;

4 — диффузор; 5 — поворотные лопатки;

6 —обратные каналы; 7 - электродвигатель; 8 — компрессор; 9 — охладитель

Схема сверхзвуковой аэродинамической трубы непрерывного действия приведена на рис. 10.10. Сверхзвуковое течение в рабочей части создается с помощью многоступенчатого осевого компрессора 8. Для понижения температуры воздуха, нагреваю­щегося при сжатии в компрессоре, установлен охладитель 9. По­ток воздуха протекает через сопло Лаваля 1, где приобретает сверхзвуковую скорость, затем проходит через рабочую часть 2, диффузор 4 и обратный канал 6 с поворотными лопатками 5. Раз­ные скорости в рабочей части трубы можно получить путем из­менения режима работы компрессора или изменения сечений сопла Лаваля и диффузора, для чего применяются либо сменные вставки с разными сечениями, либо гибкие стенки, которые мож­но закрепить так, чтобы получилась нужная площадь поперечно­го сечения.

Иногда для повышения чисел Рейнольдса испытуемых моде­лей идут по пути изменения плотности рабочей среды, применяя вместо воздуха другой газ, например, фреон, который в четыре раза плотнее воздуха.

В современных околозвуковых и сверхзвуковых трубах широ­ко применяются автоматы, выдвижные рабочие части с моделью, дистанционное управление трубой и ее элементами. Наблюдение за моделью производится телевизионными способами.

Для исследования моделей в диапазоне гиперзвуковых ско­ростей, соответствующих числам М порядка 15—25, применяются ударные трубы. На рис. 10.11 приведена схема такой трубы. Один ее конец присоединен к камере высокого давления 2, а дру­гой— к вакуумной камере 8 с глубоким разрежением.

Во время работы трубы в камере высокого давления 2 вос­пламеняется смесь газов (например, смесь кислорода и водоро­да). Создаются высокая температура и превышающее тысячу атмосфер давление, которое разрывает металлическую диафраг­му 4, расположенную между трубой и камерой. Благодаря воз­никающим при этом мощным ударным волнам, кроме большой скорости потока, наблюдается значительное повышение темпе­ратуры. Установившееся течение в рабочей части трубы сохраня­ется очень короткий промежуток времени — менее одной милли­секунды. Скорость движения ударной волны в различных точках трубы определяется электронной быстродействующей аппарату­рой, а картина обтекания модели исследуется оптическими при­борами.

В экспериментальной аэродинамике применяются также тру­бы переменной плотности, имеющие большое преимущество пе­ред обычными атмосферными трубами, так как позволяют удов­летворить одновременно условия подобия по числам Re и М. В последнее время уделяется большое внимание исследованиям и разработке конструкций самолетов с вертикальным и укорочен­ным взлетом и посадкой (ВПП/КВП). При испытаниях моделей в обычных дозвуковых аэродинамических трубах сказывается эффект неполного моделирования из-за стесненности потока стенками. Поэтому для исследования моделей самолетов ВПП/ КВП строятся специальные аэродинамические трубы (см. рис. 10.2), в которых, как правило, предусмотрены две рабочие части (часто с перфорированными стенками), неподвижный экран, система отсоса пограничного слоя с экрана, широкий диапазон регулируемых скоростей, подвод сжатого воздуха к мо­дели, с пециальная измерительная аппаратура и т. д.

Рис. 10.11. Схема гиперзвуковой аэродинамической трубы ударного типа:

1 — компрессор; 2 — камера высокого давления; 3 — воспламенитель;

4 — диафрагма; 5 — датчики; 6 — рабочая часть; 7 — оптический прибор; 8 — вакуумная камера

При неподвижной стенке трубы и при испытании моделей со струйными закрылками сильно отклоненная струя частично рас­пространяется по пограничному слою против потока, существен­но искажая течение под моделью. Подвижный экран оказывает существенное положительное влияние на структуру потока, обте­кающего крыло с сильно отклоненной струей. Для правильного моделирования необходимо, чтобы скорости экрана и потока в трубе были одинаковыми. Для этого же применяется система отсоса, пограничного слоя перед экраном.

Для исследования винтомоторной группы или реактивной двигательной установки и для изучения динамики полета самоле­та— свободного полета, штопора, полета в возмущенной атмос­фере — применяются аэродинамические трубы специальных ти­пов. Более подробно об аэродинамических трубах можно узнать в книгах по экспериментальной аэродинамике [13], [20], [40], [56] и др.

Следует отметить, что по аналогии с аэродинамическими тру­бами выполняются и гидротрубы. В гидротрубах рабочей средой является вода, которая приводится в движение при помощи греб­ного винта, расположенного в обратном канале замкнутой трубы. Так как кинематический коэффициент вязкости воды (при 15° С nu = 0,012-10^-4 м²/с) значительно меньше коэффициента вязкости воздуха nu = 0,1453-10^-4 м²/с), то одно и то же значение числа Рейнольдса можно получить в воде при меньшей, чем в воздухе, скорости, поэтому гидротрубы также находят применение.

В аэродинамике используются также экспериментальные ме­тоды, основанные на аналогии между двумя физическими явле­ниями. Например, для некоторых сложных задач можно соста­вить общие уравнения и граничные условия, описывающие дви­жение жидкости (газа), которые, однако, решить вследствие их сложности обычными математическими методами не удается. В таких случаях переходят к другой физической системе или другому физическому явлению, которое описывается уравнения­ми того же вида с аналогичными граничными условиями. При этом можно получить решение исходной задачи, проводя сравни­тельно простые экспериментальные исследования в другой физи­ческой системе, являющейся аналогом исходной системы.

Наиболее сложные задачи практически всегда решаются с помощью эксперимента. Однако теория учит, как ставить экспе­римент, как наиболее точно проводить измерения, как применить результаты отдельных экспериментов к более широким классам явлений и устанавливать количественные закономерности между ними.

Рис. 10.12. Схема трехкомпонентных аэродинамических весов с верхней под­веской модели: 1 — весы для измерения силы сопротивления;

2 — весы для измерения подъемной силы; 3 — рычаг для измерения продольного момента (момента тангажа); 4 — верхняя стенка аэроди­намической трубы;

5 — модель

А эродинамические трубы оборудуются большим набором из­мерительных устройств. При помощи весов определяются аэродинамические силы и моменты, действующие на испытуемую модель. По числу измеряемых компонентов весы разделяют на одно-, двух-, трех-, четырех- и шестикомпонентные. Одна из простейших схем трех­компонентных аэродина­мических весов показана на рис. 10.12. В настоя­щее время имеются со­вершенные конструкции механических весов, дей­ствующих автоматически. В современной экспери­ментальной технике полу­чил широкое распростра­нение тензометрический метод измерения усилий, основанный на примене­нии так называемых дат­чиков-тензометров. Существуют различные ти­пы датчиков, действие которых основано на пре­образовании деформаций, пропорциональных усили­ям пли перемещениям исследуемого объекта, в фиксируемые электроприборами изменения электрического сопротивления (проволочные датчики), емкости (емкостные датчики), индук­ции (индукционные датчики).