Аэродинамические трубы

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

а) дозвуковые (0< М< 0,8);

б) околозвуковые и трансзвуковые (0,8< М< 1,2);

в) сверхзвуковые ( 1,2<М<5);

г) гиперзвуковые (М>5).

По конструктивным признакам аэродинамические трубы можно' разбить на два класса:

а) трубы незамкнутого типа;

б) трубы замкнутого типа.

По виду рабочей части различаются трубы:

а) с открытой рабочей частью;

б) с закрытой рабочей частью;

в) с герметической камерой (камера Эйфеля).

Испытания, проводимые на аэродинамических трубах, в основном решают следующие задачи:

1. Исследование влияния формы обтекаемого газом объекта на аэродинамические характеристики этого объекта в зависимости от скорости набегающего потока и положения тела в пространстве.

2. Исследование воздушных машин — газовых турбин, компрессоров, винтов, ветряков, вентиляторов и т.п.

3. Исследование характеристик двигателей (поршневых турбореактивных, прямоточных и др.).

4. Исследование динамики полета ЛА.

5. Исследование влияния аэродинамических сил на упругие характеристики конструкций ЛА (например, исследование флаттера крыльев самолетов).

6. Физичёские исследования, связанные с течением воздуха в различных условиях (исследование пограничного слоя, сверхзвуковых точений, пространственных течений и т.п.).

7. Методические исследования, связанные с созданием аэродинамических труб как физических установок и с разработкой методов испытаний в трубах и обработки полученных результатов.

Дозвуковые трубы. На рис. 2.56 приведена схема дозвуковой незамкнутой аэродинамической трубы.

Вентилятор 7, приводимый во вращение электродвигателем 8, засасывает в трубу воздух через форкамеру 3 и сопло 4. Поток воздуха, пройдя спрямляющую решетку (хонейкомб) / и детурбулирующую сетку 2, становится плоскопараллельным и входит в рабочую часть 5, где установлена испытуемая модель. Из рабочей части поток попадает в диффузор 6 и затем выбрасывается в окружающее пространство.

В замкнутых аэродинамических трубах поток, пройдя рабочую часть и диффузор, направляется в обратный канал и через сопло вновь возвращается в рабочую часть. Этот поворот газового потока осуществляется в четырех коленах обратного канала. В этих коленах устанавливаются направляющие профилированные лопатки, которые плавно, с минимальными потерями, поворачивают поток и способствуют получению равномерного поля скоростей и давлений в рабочей части.

Для устранения закрутки потока вентилятором за его рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат.

Форкамера служит для выравнивания и успокоения потока. В ней устанавливаются хонейкомб и детурбулизирующие сетки.

Хонейкомб представляет собой сотообразную решетку, набранную из тонких металлических пластин. Его назначение — выравнивать скосы потока и разрушать крупные вихри.

Детурбулизирующие сетки способствуют выравниванию поля скоростей и уменьшению начальной турбулентности потока в рабочей части трубы. Размеры форкамеры существенно влияют на равномерность поля скоростей в рабочей части. Чем больше форкамера, тем равно* мернее поле.

Сопло служит для разгона потока воздуха от минимальной на bxW де до расчетной скорости на выходе в рабочую часть.

Поперечное сечение сопла может быть круглым, эллиптическим, прямоугольным, квадратны» и восьмигранным.

Дозвуковые сопла имеют вид сужающихся каналов. Одной из важных характеристик дозвукового сопла является степень поджатия, равная отношению площадей на входе Fi » на выходе FQ: п ~ FifF0. Высокая степень поджатия устраняет неравномерность скоростей и способствует снижению степени начальной турбулентности потока в рабочей части. Для современных труб степень поджатия колеблется от 5 до 20—25.

Рабочая часть — это пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливаются модели для испытания, здесь же располагаются аэродинамические весы. Газовый поток в рабочей части трубы должен иметь равномерное поле скоростей и давлений.

Открытая рабочая часть обеспечивает свободный доступ к модели и удобство наблюдений. Но для таких труб необходима дополнительная мощность на восполнение потерь, вызванных взаимодействием свободной струи с окружающим воздухом. В трубах замкнутого типа со скоростями до 100—I50 м/с обычно применяют открытую рабочую часть.

В целях уменьшения потребной мощности привода для труб с большими скоростями применяют закрытую рабочую часть. Аэродинамические характеристики потока в трубе с закрытой рабочей частью выше, чем в трубе с открытой рабочей частью.

К недостаткам труб с закрытой рабочей частью следует отнести:

а) трудность доступа при установке модели;

б) сложность конструкции;

в) необходимость тщательной герметизации этого пространства;

г) усложнение конструкции аэродинамических весов.

Рабочая часть в виде герметической камеры имеет большие по сравнению с закрытой рабочей частью размеры, что в значительной мере упрощает установку моделей и ее обслуживание во время испытания.

Длина рабочей части в обычных трубах равна 1,5—2d, а в трубах для испытания длинных тел она равна 2—4d, где d — диаметр выходного сечения сопла.

Диффузор располагается непосредственно за рабочей частью. Он представляет собой специальным образом спрофилированный канал, который служит для уменьшения скорости потока и повышения давления.

Дозвуковой диффузор представляет собой расширяющийся вниз по течению канал, в котором происходит торможение потока. Наименьшие потери энергии у диффузоров с углом расширения 6—8°.

Привод аэродинамической трубы — это устройство, сообщающее потоку газа необходимую энергию для получения расчетных скоростей в рабочей части трубы. Подвод энергии в дозвуковых трубах осуществляется с помощью низконапорных осевых вентиляторов, которые помещаются в цилиндрической вставке сразу за диффузором.

Важной характеристикой аэродинамической трубы является степень турбулентности потока, поскольку она оказывает большое влияние на аэродинамические характеристики испытуемых тел.

Степень турбулентности определяется выражением

— средние значения квадрата турбулентных пульсаций компонент скорости в направлении осей координат X, Y, Z; V_cp — средняя скорость потока.

В аэродинамических трубах обычно имеет место так называемая изотропная турбулентность, когда В этом случае степень турбулентности

Обычно E выражается в процентах. В случае осреднения по времени

где v— истинная скорость в рассматриваемой точке потока в данный момент времени; f2~'i — конечный промежуток времени.

Степень турбулентности в аэродинамических трубах колеблется от №% (для старых труб) до 0,2 % (для новых труб).

Околозвуковые и трансзвуковые трубы. К трансзвуковым трубам относятся аэродинамические трубы, работающие в диапазоне чисел Маха 0,8 < M < 1,2. Околозвуковые трубы в основном являются мощными дозвуковыми трубами замкнутого типа и постоянного дейст вия. Потох в них создается при помощи вентилятора. Скорость потока изменяется за счет изменения скорости вращения вентилятора или з« счет изменения шага его лопастей.

Основное отличие околозвуковых труб от трансзвуковых состоит % конструкции стенок рабочей части: околозвуковые трубы имеют твердые (сплошные) стенки. При дозвуковых скоростях твердые стенки трубы препятствуют расхождению линий тока около модели, поэтому поле течения искажается.

Стенки трансзвуковой трубы не сплошные, они имеют щели и перфорации, которые ослабляют влияние стенок на форму линий ток» вблизи модели.

Когда в рабочей части находится модель, то минимальное сечение получится в месте расположения модели.

При скорости M - 1 труба «запирается» в окрестности модели.

Явление «запирания» трубы состоит в том, что максимальная скорость потока достигается в месте наименьшего проходного сечения, образованного стенками трубы и моделью. За этим сечением появляются зоны местных сверхзвуковых скоростей, ограниченных скачками уплотнения.

Запирание можно определить по отношению давления торможения на оси модели к статическому давлению на стенке. Если оно равно 0,528, то это свидетельствует о том, что течение на стенках звуковое, — такое явление называется «запиранием» трубы, обусловленным стенкой.

Скорость потока в трансзвуковых трубах можно увеличить до' M £ 1 без угрозы запирания, так как перфорированные стенки не препятствуют изоэнтропическому расширению потока, обеспечивая так называемый «эффект расходного сопла», т.е. получение режимов M > 1 с дозвуковым соплом.

Сверхзвуковые трубы. Они работают в диапазоне чисел Маха 1,2 < M < 5. Высокие скорости газового потока обеспечиваются сверхзвуковыми соплами.

Сверхзвуковые сопла имеют дозвуковой и сверхзвуковой участки. На дозвуковом участке воздух, поступающий из форкамеры, разгоняется до звуковой скорости. На сверхзвуковом участке происходит дальнейшее увеличение скорости и окончательное формирование равномерного сверхзвукового потока.

Каждое сверхзвуковое сопло рассчитано на получение определенного значения числа Маха на выходе, которое зависит от отношения площадей:

Для получения нескольких значений числа Маха применяют сменные или регулируемые сопла. Такие сопла удобны в эксплуатации, но сложны в изготовлении. Применение регулируемых сопел удешевляет стоимость испытаний и увеличивает пропускную способность трубы.■

Рабочая часть сверхзвуковых труб в большинстве случаев закрытая. Внутренние поверхности рабочей части тщательно полируются.

Сверхзвуковой диффузор состоит из двух частей: начального сужающегося канала и следующего за ним расширяющегося участка трубы. В сужающейся части диффузора сверхзвуковая скорость газа постепенно снижается до звуковой за счет образования скачков уплотнения, затем дозвуковой поток попадает в расширяющуюся часть канала, где происходит дальнейшее торможение потока. Так как торможение сверхзвукового потока в системе косых скачков осуществляется с меньшими потерями, чем в прямом скачке, то и сверхзвуковую часть диффузора профилируют так, чтобы торможение осуществлялось в системе косых скачков уплотнения.

Гиперзвуковые трубы. В этих трубах для получения потока с числом M >5 необходимо в форкамере создать давление, превышающее давление в рабочей части в десятки тысяч раз, что обусловливает большие абсолютные значения давления в форкамере.

Получение необходимого перепада давлений можно обеспечить за счет разрежения в рабочей части, которое может быть достигнуто при помощи вакуум-камеры или применением многоступенчатого эжектора.

Если скорость потока в рабочей части трубы выше 4—4,5 M1 то входящий из сопла воздух, расширяясь, настолько снижает свою температуру, что начинается его конденсация. Это явление можно устранить, используя в качестве рабочего газа, например, гелий, температура конденсации которого ниже, чем у воздуха, или же подогревая воздух установленным перед форкамерой трубы газовым или электрическим подогревателем.

Существуют аэродинамические трубы непрерывного и периодического действия.

По принципу работы трубы периодического действия бывают: атмосферно-вакуумные, эжекторные, баллонные, баллонно-вакуумные и баллонно-эжекторные.

Схема атмосферн о-в акуумной трубы изображена на рис. 2.57.

В резервуаре 9 создается необходимое для работы разрежение. После открытия быстродействующей задвижки 8 атмосферный воздух устремляется в трубу через форкамеру /, в которой установлены сетки и решетки 2, спрямляющие поток. В сопле 3 воздух, достигнув сверхзвуковой скорости с заданным числом Маха, поступает в рабочую часть 4, где установлен испытуемый объект 5, а затем через диффузор 6 и 7 — в вакуумный резервуар 9. При этом в течение короткого времени в рабочей части создается сверхзвуковой поток. Чтобы предотвратить конденсацию водяного пара в рабочей части, атмосферный воздух пропускают через осушитель.

В з ж е к т о р и о й трубе (рис. 2.58) поток воздуха создается от эжектора (струйного насоса) 5, установленного за рабочей частью 5, к которому подается воздух повышенного давления. В ресивере 8 эжектора 5 создается повышенное давление. После открытия крана 7 воздух из ресивера 8 поступает в эжектор 5.

Эжектируемый воздух поступает в трубу из атмосферы, проходит через осушитель 1, сопло Л аваля 2 и рабочую часть 3, где установлен объект 4, после чего, смешиваясь с эжектирующим воздухом, уходит через диффузор 6 в атмосферу.

Преимущества труб периодического действия заключаются в том, что они позволяют получать потоки с большим числом Маха при сравнительно небольших затратах мощности привода; число Рейнольдса может сохранить достаточно высокие значения, если в рабочей части трубы не создавать слишком больших разрежений.

Однако действие таких труб настолько кратковременно, что получение количественных характеристик испытуемого объекта становится затруднительным.

Трубы непрерывного действия (рис. 2.59) лучше контролируются и точнее воспроизводят заданные параметры потока. Рабочие условия в них могут поддерживаться неизменными в течение длительного времени.

Труба приводится в действие электродвигателем 8, на валу которого находится многоступенчатый компрессор 6, обеспечивающий высокий перепад давлений для работы трубы на сверхзвуковых скоростях. Воздух, пройдя компрессор, сильно нагревается. Поэтому в конструкции трубы предусмотрен охладитель 5, в который и направляется воздух. Охлажденный воздух, пройдя сопло Лаваля 4, приобретает сверхзвуковую скорость и поступает в рабочую часть 3, где установлен объект 2, а затем через диффузор 1 и колено обратного канала 9 с поворотными лопатками 7 возвращается в компрессор.