Глава II. Методы исследований. 2.1. Аэродинамические установки и координатные устройства.

Эксперименты проводились на двух дозвуковых аэродинамических трубах. Первая часть исследований была выполнена в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе Т-324 Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН в Новосибирске (рис. 2.1). Установка имеет закрытую рабочую часть квадратного сечения размерами 1000x1000x4000 мм. Степень турбулентности свободного потока в рабочей части е < 0,04%, а поперечная неоднородность средней скорости потока в центральной зоне рабочей части менее 0,1% [116, 117]. Высокое качество потока достигается за счет установки в форкамере мелкоячеистых турбулизирующих сеток и семнадцатикратного поджатия потока.

Рис. 2.1. Дозвуковая аэродинамическая труба Т-324.

Вторая часть исследований была выполнена в дозвуковой аэродинамической трубе МТ-324. Эта труба является уменьшенной копией трубы Т-324, выполненной в масштабе 1:5 (рис.2.2). Существует возможность использования данной установки как с открытой, так и с закрытой рабочей частью. Закрытая рабочая часть имела размеры 200x200x700 мм. Степень турбулентности набегающего потока в закрытой рабочей части составляла е ~

Для получения, в экспериментах на трубе Т-324, количественных данных о распределении средней скорости, пульсациях скорости в пограничном слое и распределении статического давления с помощью термоанемометрии и методики пневмометрических измерений был применен автоматизированный измерительный комплекс (АИК), позволяющий проводить измерения в автоматическом режиме без участия человека.

Применение АИК обосновывалось, во-первых, необходимостью получения большого количества информации о структуре потока в измеряемой области, что требовало, соответственно, высокую точность перемещения датчика. Во-вторых, из-за большой продолжительности эксперимента АИК исключал вероятность ошибки измерения и вероятность отклонения от первоначально заданных параметров эксперимента за счет человеческого фактора.

0,1%, в открытой рабочей части - е = 0,4%. В данной работе эксперименты были проведены в открытой рабочей части.

Рис. 2.2. Малая дозвуковая аэродинамическая труба МТ-324.

АИК был создан под руководством В.В. Козлова в лаборатории №8 ИТПМ СО РАН инициативной конструкторской группой в составе A.B. Бойко, И. Д. Зверкова и A.M. Сорокина [118]. Автоматизированный измерительный комплекс имеет блочную конструкцию (рис. 2.3). Весь

комплекс позволяет перемещать датчик с точностью до 5 микрон по координате У и до 20 микрон по координате НиХ.

Рис. 2.3. Общий вид измерительного комплекса. 1- компьютер; 2- блок термоанемометров; 3 - блок датчиков давления; 4 - блок управления шаговыми двигателями; 5 - рама, 6 - основание координатного устройства; 7 - ходовая рейка оси У со штангой и датчиком; 8 - герметизирующий колпак

из органического стекла.

Управление комплексом производилось с помощью специального программного обеспечения установленного на компьютере. Существовала возможность управления датчиком, как в ручном режиме, так и в автоматическом, используя заранее заданный файл координат. Считывание данных могло производиться как автоматически с заданным интервалом или по команде оператора.

Координатное устройство было вмонтировано в проём существующего окна рабочей части аэродинамической трубы с помощью дюралевой рамы 5, на которую были установлены монтажные проушины, по своим посадочным размерам подходившие к крепежным болтам данного окна (рис. 2.3). Таким образом, створка данного проёма открывается до упора наружу, а на её место устанавливается рама координатного устройства. Само координатное

устройство представляет собой жёсткую конструкцию 6, которая крепится к раме 5 на трёх основных болтах и одном плавающем зажиме (рис. 2.3). Такое решение позволяет избежать деформации плоскости ходовых реек 1 и 7 (рис. 2.4) координатного устройства при его монтаже в аэродинамическую трубу. Все провода и механизмы при такой компоновке находятся вне рабочей части аэродинамической трубы. В рабочей части аэродинамической трубы

Рис. 2.4. Общий вид координатного устройства. 1,7 - ходовые рейки координаты X; 2 - замкнутая металлическая линия; 3 - штанга датчика; 4 - поперечная ходовая рейка координаты 5 - основание фалыпстенки; 6 - вертикальная ходовая рейка координаты У.

находилась только штанга с датчиком, которая двигалась по трём координатам.

Подвижная фальшстенка была сконструирована таким образом, чтобы максимально уменьшить подсасывание воздуха через щели. Таким образом, обеспечивалась герметичность рабочей части аэродинамической трубы. Загромождение рабочей части такой конструкции фальшстенки составляет менее 0.1% от сечения рабочей части аэродинамической трубы и на поток существенного влияния не оказывает. Штанга 1 в сечении имеет симметричный удобообтекаемый профиль (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Вид внутри трубы. 1 - штанга датчика; 2 - органическая стеклянная фальшстенка; 3 - направляющие фальшстенки.

Чтобы полностью устранить подсос внешнего воздуха в рабочую часть, весь механизм был накрыт прозрачным герметичным колпаком 8 (рис. 2.3). Вскоре после включения потока под колпаком устанавливалось давление, равное давлению в рабочей части, и подсос сквозь щели прекращался. За счёт применения фалыпстенок из оргстекла и установки стекла в свободные места рамы площадь остекления позволяла осуществлять визуальный контроль над датчиком.

Рис. 2.6. Ходовая рейка.

Исполнительный механизм перемещения датчика состоял в качестве основных комплектующих изделий фирмы National Instrument и Intelligent Motion Systems. Ходовые рейки фирмы Time and Precision Industries Limited имеют мощное основание (рис 2.6), выполненное из высококачественного алюминия. Для дополнительного контроля малых перекосов, а также для контроля пропущенных шагов в результате лёгкого подклинивания, на ходовых рейках установлены контроллеры. Программное обеспечение позволяет сверять количество импульсов, отправленных на шаговый двигатель, с фактическим числом выполненных шагов и, в случае необходимости, компенсировать пропущенные шаги.

В экспериментах на трубе МТ-324 было применено координатное устройство ручного управления (рис. 2.7, а), которое позволяло перемещать датчик по оси Y с точностью до 0,01 мм. По оси X и Z точность перемещения составляла 1 мм. С помощью специальной базовой площадки координатное устройство устанавливалось над рабочей частью, тем самым влияние на поток было не существенно (рис. 2.7, б). Штанга, на которую устанавливался датчик, имела также симметричный удобообтекаемый профиль.

Рис. 2.7. Координатное устройство и схема измерений. 1 - координатное устройство; 2 - базовая площадка; 3 - открытая рабочая часть трубы МТ-324; 4 - модель крыла; 5 - штанга с датчиком на конце.

2.2. Экспериментальные модели крыльев.

Исследования были проведены с помощью следующих типов моделей крыльев:

1. Прямое крыло малого удлинения X = 0,7 (рис. 2.8). Хорда модели составляла Ь = 291мм, размах - 1 = 200мм.

^ ~ i	к с = 12% —
44 — 1	——— """""
« 26%	« 74%
4	100% ►

Рис. 2.8. Профиль крыла малого удлинения X = 0,7.

2. Прямое крыло умеренного удлинения X = 2 (рис. 2.9). Хорда модели составляла Ь = 100мм, размах — 1 = 200мм.

А	кс= 16% ^
^ I 3 - 29% ь	71%
4 ь

100%

Рис. 2.9. Профиль крыла умеренного удлинения X =2.

3. Прямое крыло среднего удлинения X = 4,8 (рис. 2.10). Хорда модели составляла Ь = 195мм, размах — 1 = 945мм.

с = 10% '	к 1"""
	' — ~
< 26%	- 74%
<4	ь

100%

Рис. 2.10. Профиль крыла среднего удлинения X = 4,8.

4. Прямое крыло большого удлинения А, = 9,8 (рис. 2.11). Хорда модели составляла Ь = 100мм, размах -1 = 980мм.

'к
- . 29% ^	71%
4 ►

100%

Рис. 2.11. Профиль крыла большого удлинения X = 9,8.

5. Прямое крыло малого удлинения X = 1,37 (рис. 2.12). Хорда модели составляла Ъ. = 226мм, размах — 1 = 310мм.

^ i	с = 16%
1	^——
29%	71%
м ►

100%

Рис. 2.12. Профиль крыла малого удлинения X =1,37.

6. Прямое крыло умеренного удлинения X = 3,7 (рис. 2.13). Хорда модели составляла Ь = 188мм, размах -1 = 703мм.

J	к ~ —_ с = 16% —
	,
« 23%	< 76% ►
4	— ►

100%

Рис. 2.13. Профиль крыла умеренного удлинения X =3,7. 2.3. Методики экспериментов.

2.3.1. Визуализация методом саже-масляных покрытий и шелковинок.

Основным способом визуализации картины течения был метод саже- масляных покрытий. Этот термин здесь употребляется условно, поскольку в реальности использовалась не сажа, а порошок двуокиси титана, смешанный с керосином. Метод состоит в следующем: разведённый до необходимой концентрации состав кистью наносился на верхнюю поверхность модели, затем крыло устанавливалось в рабочую часть аэродинамической трубы и оставлялось там под воздействием набегающего потока до полного высыхания раствора. Время испарения в экспериментах составляло от 5 до 30 минут. Образовавшаяся картина дает представление об усредненных по времени предельных линиях тока на поверхности крыла. После проведения эксперимента картины течения фотографировались. Достоверность результатов, полученных этим методом, визуализации поверхностных линий тока при срыве, ранее проверялась Зверковым И.Д. [118] сравнением с данными жидкокристаллической визуализации [119]. Были получены схожие картины обтекания, различающиеся в некоторых деталях.

Вторым способом визуализации был метод шелковинок. Этот метод представляет собой набор «шелковинок» прикреплённых на верхнюю поверхность модели крыла. «Шелковинки»- это тоненькие невесомые ниточки длиной около 2 см. При обтекании крыла «шелковинки» распрямлялись по направлению потока. Таким образом, можно было наблюдать картину течения вблизи поверхности крыла. Результат визуализации фиксировался на фотоаппарат.

2.3.2. Термоанемометрические измерения.

Не смотря на бурное развитие техники измерений, проблема диагностики потоков жидкости газов, в частности с целью определения скорости потока и её пульсаций, до сих пор остаётся достаточно сложной. В особенности это относится к измерениям количественных характеристик векторных полей пульсаций скорости течения. Необходимые свойства такого рода измерительных приборов (такие, как высокое пространственное разрешение, широкий диапазон частот, высокая точность измерения, малое влияние датчика на поток, удобство использования и др.), как правило, лишь отчасти присущи большинству существующих методов измерений. Новая эра в вопросах диагностики, как до звуковых, так и после звуковых потоков ассоциируется с появлением в 30-х годах термоанемометра, значительно расширившего возможности исследования.

Устройство и принцип действия термоанемометра основан на зависимости теплообмена нагретого проводника с течением газа от числа Рейнольдса, а, следовательно, и от скорости течения. Наиболее распространенным являются проволочные датчики термоанемометра. Чувствительный элемент термоанемометра представляет собой очень тонкую металлическую нить, которая нагревается электрическим током до 200- 400°С. Нить охлаждается протекающей жидкостью или газом, что вызывает падение ее температуры и, следовательно, уменьшения электрического, сопротивления нити. Материалами, из которых изготавливаются нити, обычно являются платина или вольфрам.

Конструкция датчика (рис. 2.14) в значительной степени определяется условиями конкретного эксперимента, характерными течения, наличием твердых поверхностей, величинами средней скорости, особенностями течения и т.д. ;

Основным преимуществом термоанемометрического метода измерения скорости по сравнению с пневмометрическим является его малая инерционность. Это очень важно, так как для изучения физического механизма того или иного явления часто необходима информация о мгновенных значениях скоростей. Поэтому термоанемометрический метод является основным методом изучения турбулентного потока. Второе важное преимущество термоанемометра - это его высокая чувствительность, позволяющая измерять скорости потока порядка 0,5 м/с и ниже. Наконец, существенным достоинством термоанемометра является возможность изготовления датчиков весьма малых размеров, позволяющих проводить успешные измерения вблизи поверхности.

Существует два метода измерения: метод постоянного тока и метод постоянной температуры. В первом во время опыта поддерживается постоянной сила тока, и по изменению сопротивления можно судить о скорости потока. Постоянство силы тока обеспечивается включением нити датчика в электрическую цепь последовательно с питающей батареей и реостатом (рис. 2.15). Сопротивление нити определяется по разности потенциалов на ее концах, измеренных параллельно включенным в цепь вольтметром.

Рис. 2.15. Электрическая цепь метода постоянного тока.

Во втором случае нить включается в одно из плеч моста сопротивления Уитстона (рис. 2.16), остальные плечи которого изготавливаются из материала с температурным коэффициентом, близким к нулю. Изменение скорости вызывает изменение температуры нити и ее сопротивления, в результате чего первоначально сбалансированный мост разбалансируется, и в диагонали моста появляется ток. Для восстановления равновесия моста температуру возвращают к первоначальному значению путем изменения сопротивления смежного плеча или вспомогательного сопротивления

Рис. 2.16. Электрическая цепь метода постоянной температуры. Измеряемой величиной является ток в нити, который можно определить, например, амперметром, включенным во внешнюю цепь. Таким образом, при методе постоянного сопротивления скорость определяется по величине силы тока (или напряжения), потребного для поддержания постоянной температуры, а, следовательно, и сопротивления нити.

Теоретическое решение проблемы переноса тепла однородно нагретого цилиндра, обтекаемого в поперечном направлении, было найдено Кингом. Эксперименты, проведенные в более позднее время Коллисом и Вильямсом и другими исследователями, показали, что применительно к обтеканию нагретой нити термоанемометра закон охлаждения может быть записан следующим образом:

Е² = Ео² + В * и^п, (1)

где Ео, В, п - константы, зависящие от физических свойств газа или жидкости и материала нити; и — скорость потока; Е - напряжение на выходе термоанемометра.

На практике константы Ео, В, п определяются для каждого датчика

индивидуально путем тарировки. Статическая тарировка термоанемометра заключается в измерении осредненных скоростей потока с помощью какого- либо эталонного прибора и регистрации выходного напряжения термоанемометра. При умеренных скоростях течения эталонным прибором

служит обычно пневмометрический приемник. Однако в общем случае связь между Е и и в формуле (1) носит явно нелинейный характер (рис. 2.17, а),

СКОООС.ПЬ

ч»

Г»

С *

и

и

X'

скорост

ь

Рис. 2.17. Зависимость Е от и. что создает дополнительные ошибки при расшифровке показаний термоанемометра. После создания линеаризатора стало возможным зависимость (1) приводить к линейному виду (рис. 2.17, б). В случае отсутствия линеаризатора тарировочная зависимость представляется в координатах Е² и и^п. Тогда кривая (1) будет иметь вид прямой (рис. 2.18), и

значения коэффициентов Е„ и В легко определить графически.

8-^аЫ

и

Рис. 2.18. Тарировочная зависимость.

Ео² — длина отрезка на оси Е²; В — тангенс угла наклона. Показатель степени п определяется из условия лучшей аппроксимации тарировочных

2 2 п

значений зависимостью Е =Ео + В*и.В широком диапазоне условий величина п лежит в пределах от 0,4 до 0,5.

Интенсивность продольной составляющей скорости получается непосредственно с помощью обычной нити, расположенно

й

перпендикулярно направлению средней скорости. При этом интенсивности двух других составляющих скорости малы. Интенсивность продольной компоненты можно определить путем разложения в ряд формулы (1) по малым параметрам и' (правая часть) и е' (левая часть) и ограничиваясь первым членом разложения. В результате получим:

где - среднеквадратичное напряжение сигнала нагретой нити при

данной скорости потока; Е - среднее напряжение и Е'_а = 0,95* Е₀, где Е_й -

среднее напряжение при нулевой скорости потока.

Обращает на себя внимание, что заключенный в скобки коэффициент чувствительности термоанемометра к пульсациям скорости, зависит от средней скорости потока, что необходимо учитывать в практической работе.

Метод термоанемометрии также позволяет производить измерения осредненных и пульсационных характеристик, спектров и пространственно- временных корреляций в областях срыва [120].

В данной работе для измерения средней и пульсационной продольной составляющей скорости потока использовалось два термоанемометра постоянной температуры AN-1003 фирмы A.A.Labs (Израиль) на трубе Т-324 и Dantec 54Т30 на трубе МТ-324.

Аналоговый сигнал с моста термоанемометра переводился в цифровую форму 16-и разрядным аналого-цифровым преобразователем National Instruments 6523 (АЦП) с BNC коннектором, линеаризовался и записывался в память персонального компьютера как зависимость мгновенной величины сигнала (и) от времени (/).

Подходящий датчик для определенного эксперимента изготавливался в Институте теоретической и прикладной механики. Он имел высокую чувствительность к скорости потока, а также наивысший частотный отклик. Каждый датчик состоял из стального нержавеющего корпуса с выведенными сквозь него коническими державками, которые имели диаметр на конце порядка 0,1 миллиметра. Чувствительный элемент датчика — это вольфрамовая проволочка диаметром 5 микрон покрытая золотом, которая приваривалась на точечную сварку к заострённым концам датчика (рис. 2.19). Длина чувствительного участка около 2 мм. Такой датчик использовался, так как был специально разработан для высокотурбулентных потоков. Во всех измерениях датчик был ориентирован перпендикулярно направлению потока и с помощью координатного устройства мог перемещаться во всех трех направлениях X, У, Ъ.

Рис. 2.19. Схема датчика термоанемометра.

Датчик тарировался в свободном потоке напротив трубки Пито- Прандтля, соединенной со спиртовым микроманометром (рис. 2. 20). Связь средней скорости с показаниями микроманометра дается следующим образом:

?*дР / /

у_т; Г-А.»

где АР мм - показания микроманометра, р_д ^кг/ ₃ - плотность воздуха,

/ м

Ра, ^кг/ ъ ~ плотность спирта, % ^м/ ₂- ускорение свободного падения, а­/ м / сек

угол наклона микроманометра. Тем самым обеспечивалась точность

измерения средней скорости порядка +/-1%.

Рис. 2. 20. Спиртовой микроманометр.

При калибровке датчика использовался модифицированный закон Кинга:

и= к, * (Е² - Е²)^ш + к²* (Е- Е₀)^т,

где Е и Е₀ - выходные напряжения с моста термоанемометра при скорости потока и Ф 0 и в покое соответственно, к_ь к₂ и п - константы, определяемые эмпирически. Первый член с точностью до определения констант соответствует приведенному выше закону Кинга, а второй - добавлен для учета свободной конвекции при малых скоростях потока и несколько расширяет диапазон надежных измерений у стенки.

2.3.3. Методика пневмометрических измерений.

Вихревые структуры, возникающие над крылом, по-видимому, должны были отразиться на распределении статического давления по поверхности. Для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов это представляется особенно важным, потому что автоматические системы управления летательным аппаратом нуждаются в надежной информации о текущем значении угла атаки самолета. Наиболее надежным и легко осуществимым способом получения такой информации считается способ измерения распределения давления по обтекаемому телу.

В данной работе для измерения статического давления был использован специальный насадок - подпружиненная трубочка диаметром 0.8 мм, запаянная с переднего торца и имевшая отверстие на боковой стенке (рис. 2.21). Насадок устанавливался на державке координатного комплекса, позволяющего перемещать датчик в трех плоскостях X, У, Z и получать информацию в большом количестве точек на поверхности модели. С помощью пневмотрасс насадок и трубка Пито-Прандтля соединялись со спиртовым микроманометром. Давление измерялось с помощью микроманометра как разница между полным давлением в насадке Пито- Прандтля, установленном в рабочей части трубы, и насадком, описанным выше. При измерениях плоскость А (рис. 2.15) всегда прилегала к поверхности модели. Сравнительные измерения статического давления с помощью дренажа и таким датчиком показали, что погрешность не превышает 5% от скоростного напора.

Коэффициент давления С_р вычислялся по формуле:

^ср ⁼ (Р-Ро) !

где С_р - коэффициент давления; р₀ - полное давление; р — статическое давление на поверхности модели; д — скоростной напор.

Рис. 2. 21. Схема приемника статического давления. 1 - поверхность модели; 2 - насадок статического давления; 3 - гибкая трубка; 4 — державка, закрепляющаяся на штангу датчика АИК.