Аэродинамическая труба. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Аэродинамическая труба - установка, создающая поток газа (в большинстве случаев воздуха) с целью изучения воздействия его на обтекаемый объект - самолёт, ракету, автомобиль, корабль, спускаемый космич. аппарат, мост, здание и др., а также эксперим. изучения аэродинамич. явлений. А. т.- осн. оборудование аэродинамич. центров и лабораторий. Принцип обратимости движения, согласно к-рому перемещение тела в неподвижном воздухе может быть заменено движением воздуха относительно неподвижного тела, при соблюдении условий подобия теории позволяет получать значение силовых и тепловых нагрузок, действующих на летат. аппарат, испытывая его модель в А. т. Геометрически подобная натурному изделию модель устанавливается в рабочую часть А. т.

Для того чтобы безразмерные значения аэродинамических сил и моментов - аэродинамические коэффициенты, полученные в А. т., были равны аналогичным величинам для натурного объекта в полёте, необходимо: исключить или максимально ослабить влияние ограниченности потока - стенок А. т. или границ свободной струи; обеспечить в рабочей части А. т. перед моделью равномерный, однородный поток и те же значения критериев подобия - Маха числа

, Рейнольдса числа , а для полёта на больших высотах и Кнудсена числа

, что и для натурного объекта (здесь l - характерный размер модели,

- скорость движения газа, а - скорость звука,

- плотность,

- коэфф. динамич. вязкости,

- длина свободного пробега молекул газа перед моделью).

Существующие А. т. можно разделить на группы по числу M перед моделью: дозвуковые с числами М<1, сверхзвуковые с числами М>1 и трансзвуковые с числами 0,8<М<1,2. Кроме того, иногда в особую группу выделяют ударные, импульсные и электродуговые А. т., обеспечивающие большие значения числа M при высоких темп-pax торможения рабочего газа, а также А. т., в к-рых моделируется обтекание тел на больших высотах.

Дозвуковые аэродинамич. трубы. Дозвуковая А. т. постоянного действия (рис. 1) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника).

Исследуемая модель 2 крепится спец. державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам 3. Перед рабочей частью расположено сопло 4, обеспечивающее поток газа с заданными и постоянными по сечению величинами скорости, плотности и температуры. Для выравнивания потока перед соплом, гашения вращат. скоростей и уменьшения турбулентности служит выравнивающая решётка (хонейкомб) 5.

Рис. 2. Схема рабочей части аэродинамической трубы (а - закрытая, б - открытая, в - открытая рабочая часть с камерой Эйфеля): 1 - модель; 2 - сопло; 3 - диффузор; 4 - струя газа, выходящего из сопла; 5 - камера Эйфеля; 6 - длина рабочей части.

Диффузор 6 уменьшает скорость и повышает давление потока, выходящего из рабочей части. Компрессор (вентилятор) 7, приводимый в действие силовой установкой 8, компенсирует потери энергии, направляющие лопатки 9 уменьшают потери; 12 - обратный канал. Радиатор 10 обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части. Если в к--л. сечении канала А. т. статич. давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливается клапан 11.

В зависимости от конструктивного оформления различают А. т. с закрытой или открытой рабочей частью (рис. 2, а и б). Если необходимо создать А. т. с открытой рабочей частью, статич. давление в к-рой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (рис. 2, в).

А. т., схема к-рой приведена на рис. 1, относится к типу т. н. замкнутых А. т. Существуют также разомкнутые А. т., в к-рых газ к соплу подводится из атмосферы или спец. ёмкостей. Если статич. давление потока после диффузора ниже атмосферного, то воздух выпускается в газгольдер низкого давления или его давление повышается до атмосферного компрессором или эжектором. Размер сечения рабочей части дозвуковых А. т. колеблется в широком диапазоне - от больших А. т. для испытаний натурных объектов до миниатюрных настольных установок. На малых моделях в А. т. невозможно обеспечить подобие по числу Re, т. к. пропорционально уменьшению линейного размера необходимо увеличивать плотность или скорость потока. Существ. особенность дозвуковых А. т.- возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления, даваемого компрессором.

Мощность энергетич. установки А. т. определяется ф-лой, в к-рую входят критерии подобия M и Re:

где

-качество установки; h_в - кпд вентилятора;

- качество А.т., т. е. отношение кинетич. энергии массы газа, протекающего через рабочее сечение в 1 с, к сумме потерь энергии, возникающих при течении газа по всей А. т.; S - площадь сечения рабочей части;

-отношение уд. теплоёмкостей; р - статич. давление газа в рабочей части. Качество установки характеризует совершенство конструктивной схемы А. т. У дозвуковых А. т. больших размеров с закрытой рабочей частью K_y достигает 8, А. т. с открытой рабочей частью диам. ок. 2 м имеют K_y=3.

При условии K_y = const, согласно (1), P ~ M, Re² и обратно пропорциональна р. Для уменьшения мощности установки при заданных значениях чисел M и Re создают т. н. А. т. перем. плотности, давление в рабочей части к-рых достигает 2,5 МПа.

Сверхзвуковые аэродинамич. трубы по схеме аналогичны дозвуковым. Для получения в рабочей части потока с числом M >1 применяется сверхзвуковое сопло 4 с (рис. 1), состоящее из сужающейся (дозвуковой) и расширяющейся (сверхзвуковой) частей; в миним. (критич.) сечении скорость газа равна скорости звука. Число M, получаемое в рабочей части, определяется отношением F/F_KР площадей сечения рабочей части F и критич. сечения сопла F_KР Для изменения числа M в рабочей части применяют сменные или регулируемые сопла, позволяющие менять отношение F/F_Kp. Рабочая часть сверхзвуковых А. т. аналогична рабочей части дозвуковых. В диффузоре сверхзвуковой А. т., состоящем, как и сопло, из сужающегося и расширяющегося участков, сверхзвуковая скорость переходит в дозвуковую с образованием ударных волн, поэтому торможение газа в сверхзвуковых диффузорах сопровождается большими потерями энергии, к-рые быстро увеличиваются с ростом числа M.

Для повышения эффективности диффузора торможение сверхзвуковой струи осуществляется в системе косых скачков уплотнения; при этом положение стенок диффузора и, в частности, размер его миним. сечения иногда делают регулируемыми в процессе запуска А. т. Необходимые для работы сверхзвуковой А. т. степень сжатия компрессора и мощность силовой установки быстро увеличиваются по мере роста числа M. С увеличением скорости воздуха, изоэнтропически расширяющегося в сверхзвуковом сопле, уменьшаются его темп-pa и давление в соответствии с ур-ниями

При этом относит. влажность воздуха, обычно содержащего водяные пары, возрастает, и при числе M

1,2 происходит конденсация паров воды, сопровождающаяся образованием ударных волн - скачков конденсации, существенно нарушающих равномерность потока в рабочей части А. т. Для предотвращения скачков конденсации влага из воздуха, циркулирующего в А. т., удаляется в осушителях.

Одним из осн. преимуществ сверхзвуковых А. т. непрерывного действия, осуществляемых по схеме, аналогичной схеме дозвуковой А. т. (рис. 1), является возможность проведения опытов значит. продолжительности. Однако для решения MH. задач аэродинамики это преимущество не является решающим. Недостатки таких А. т.- необходимость создания энергетич. установок большой мощности и трудности, возникающие при числах М>4 вследствие быстрого роста необходимой степени сжатия компрессора.

Рис. 3. Две аэродинамические трубы с повышенным давлением на входе в сопло и атмосферными давлениями на выходе из сопла (верхняя труба) и из диффузора (нижняя): 1 - компрессор высокого давления; 2 - осушитель воздуха; 3 - батарея баллонов; 4 - дроссельные краны; 5 - ресивер сопла; 6 - сопло; 7 - модель; 8 - диффузор.

Поэтому широкое распространение получили т. н. баллонные А. т., к-рые создаются по незамкнутой схеме и могут быть отнесены к одной из двух групп. Установки 1-й группы (рис. 3) применяются для получения чисел М[5; они позволяют получать большие числа Re при относительно малой мощности компрессоров. Малый секундный расход воздуха через компрессор даёт возможность создавать небольшие по размерам и хорошо работающие осушители воздуха. Давление в баллонах воздушного аккумулятора может достигать 100 МПа. А. т. 2-й группы (рис. 4) используются, когда необходимо получить числа M >5 при достаточно больших значениях числа Re. Одной из осн. особенностей А. т. больших чисел М(М>5) является необходимость подогрева воздуха во избежание его конденсации в результате быстрого понижения температуры с ростом числа M. В отличие от водяных паров, воздух при давлениях в рабочей части р>1 кПа (10мм рт. ст.) конденсируется без заметного переохлаждения. Конденсация его существенно изменяет свойства струи, вытекающей из сопла, и делает её практически непригодной для аэродинамич. эксперимента.

Рис. 4. Две аэродинамические трубы с повышенным давлением на входе в сопло и с пониженным давлением на выходе из диффузора, создаваемым двух-ступенчатым эжектором (верхняя труба) и вакуумным газгольдером (нижняя): 1 - компрессор высокого давления; 2 - осушитель воздуха; 3 - баллоны высокого давления; 4 - дроссельный кран; 5 - ресивер сопла; 6 - сопло; 7 - модель; 8 - диффузор аэродинамической трубы; 9 - эжекторы; 10 - дроссельные краны; 11 - диффузор эжектора; 12 - быстродействующий кран; 13 - вакуумный газгольдер; 14 - вакуумный насос; 15-подогреватель воздуха.

Предельное число М_с, соответствующее началу равновесной конденсации воздуха, является функцией полного давления р₀ и температуры T₀ газа, расширяющегося в сопле (рис. 5). Для предотвращения конденсации воздух подогревается до заданной температуры в подогревателе 15 (рис. 4).

Трансзвуковые аэродинамич. трубы позволяют исследовать модели летат. аппаратов при скоростях полёта, близких или равных скорости звука. Особенностью обтекания тел в этих условиях является большой угол между фронтом возникающих ударных волн и скоростью потока перед телом

Рис. 5. Зависимость предельного числа M_c от давления и температуры в форкамере перед соплом.

В отличие от условий свободного полёта, в А. т. фронт ударной волны, отразившись от границ рабочей части, может пересечь поверхность модели, искажая её обтекание.

Рис. 6. Схема трансзвуковой аэродинамической трубы. 1 - сопло; 2 - камера, 3 - перфорированная стенка; 4 - регулируемая створка диффузора; 5 - диффузор;6 - модель.

В трансзвуковых А. т. боковые стенки рабочей части делают щелевыми или перфорированными. Подбирая форму и размер перфорации, можно предотвратить отражение от стенок волн сжатия и разрежения, возникающих при обтекании модели. Проницаемость боковых стенок трансзвуковой А. т. (рис. 6) позволяет изменять расход воздуха через перфорацию путём изменения перепада давления, что дает возможность непрерывно изменять числа M в рабочей части в трансзвуковом диапазоне 0,7<М<1,3.

Высокотемпературные аэродинамич. трубы - особая группа А. т., позволяющая изучать влияние на аэродинамич. характеристики не только больших чисел M, но также высоких температур и связанных с ними явлений диссоциации и ионизации газа. Установки этого типа позволяют получать значения давления и температуры, близкие к натурным, однако время эксперимента получается малым (

10-10^-3 с).

Рис. 7. а - схема ударной аэродинамической трубы; б - циклограмма её работы в координатах: время t, длина вдоль оси трубы L.

Ударная аэродинамич. труба (рис. 7) состоит из двух цилиндрич. ёмкостей 1 и 2, сверхзвукового сопла 3 и вакуумированного газгольдера 4. Мембраны 5 и 6 отделяют разгоняющий газ от рабочего, а рабочий - от сопла. В начале эксперимента давление и темп-pa разгоняющего газа в отсеке 1 повышаются до значений, существенно превышающих соответствующие величины рабочего газа в отсеке 2. Мембрана 5 разрушается, и разгоняющий газ, отделённый от рабочего т. н. контактной поверхностью, устремляется в отсек 2, при этом в рабочем газе возникает ударная волна. Скорость движения ударной волны I (рис. 7, 6)значительно больше скорости движения контактнон поверхности II. Проходя по рабочему газу, ударная волна повышает в нём давление и температуру и сообщает ему скорость, равную скорости движения контактной поверхности.

Дойдя до мембраны 6, ударная волна отражается от неё и движется по рабочему газу в обратном направлении I', вторично повышая его давление и температуру. Повышение давления приводит к разрушению мембраны 6, рабочий газ устремляется в сверхзвуковое сопло 3, ускоряется в нём и обтекает исследуемую модель 7. Длительность установившегося обтекания рабочим газом модели т определяется как время, прошедшее с момента разрыва мембраны 6 до момента прихода контактной поверхности II или волны разрежения III в сопло 3. Повышение давления и температуры рабочего газа тем больше, чем больше скорость движущейся в нём ударной волны, к-рая зависит от отношения начальных давлений и скоростей звука в отсеках 1 и 2. В качестве разгоняющего газа часто используют нагретый водород или гелий, а в качестве рабочего газа - азот или воздух.

В ударных А. т. получают давление торможения ~2*10⁷ Па при температуре торможения ~ 8000 К и

6 MC. Для получения высоких значений давления и температуры при достаточной длительности эксперимента увеличивают длину отсеков 1 и 2, к-рая у совр. ударных А. т. достигает ~100 м.

Импульсные аэродинамич. трубы (рис. 8) значительно более компактны. Они состоят из разрядной камеры 1, отделённой от сверхзвукового сопла 4 мембраной 3. Рабочий газ, выходящий из сопла, проходит рабочую часть 5, где установлена модель б, и поступает в откачанный газгольдер 7. Перед запуском установки давление в камере 1 повышается до заданной величины и между электродами 2 производится разряд батареи конденсаторов. Сила тока в разряде достигает 10⁶ А. Давление и темп-pa в камере возрастают, мембрана 3 разрывается и начинается течение газа, давление и темп-pa к-рого в камере 1 достигают в нач. момент 4500 К и 1,5*10⁸ Па. Время эксперимента

10 MC. В процессе эксперимента темп-pa и давление в камере монотонно убывают, а в рабочем газе присутствуют продукты уноса электродов. Увеличение эрозии электродов ограничивает возможности дальнейшего повышения параметров в камере.

Рис. 8. Схема им-пульсиой аэродинамической трубы.

Электродуговые аэродинамич. трубы (рис. 9) представляют собой особый класс установок, обеспечивающих давление в камере ~10⁷ Па и температуру ~5000 К при времени работы

5-10 с. Осн. область их применения - исследование свойств теплозащитных материалов, работающих при высоких темп-pax. Дуговой разряд между охлаждаемыми поверхностями центр. электрода 6 и камеры 7 вращается магн. полем, создаваемым катушкой 8. Это уменьшает эрозию электродов, однако она остаётся значительной, и дуговые подогреватели обычно не применяют в установках, на к-рых исследуют аэродинамич. характеристики летат. аппаратов.

Высотные аэродинамич. трубы (рис. 10) предназначены для исследования обтекания моделей разреженным газом, что соответствует полётам на больших высотах, когда числа

10^-2-10². Подготовка установки к запуску начинается с откачки камеры форвакуумными диффузионными насосами и захолаживания панелей криогенного насоса.

Рис. 9. Схема электродуговой аэродинамической трубы: 1 - форкамера сопла; 2 - сопло; 3 - рабочая часть с высотной камерой; 4 - диффузор; 5 - модель; 6 - грибовидный электрод; 7 - разряд; 8 - индукционная катушка; 9 - рабочий газ (воздух); 10 - охлаждающая вода; I - ток дугового разряда; II - ток индукционной катушки.

Рабочий газ поступает из баллонов высокого давления в ресивер 5, где установлен подогреватель 7. Расширяясь в сопле 6 до заданного значения числа M, газ обтекает исследуемую модель 9 и конденсируется на панелях криогенного насоса 3 и 4. Внеш. панели 3 охлаждаются жидким азотом, а внутренняя 4 - гелием, охлаждённым до Тy20 К. Установки рассматриваемого типа обеспечивают давление в рабочей части p~10^-3 Па и значит. длительность эксперимента

10³ с.

Рис. 10. Схема высотной аэродинамической трубы: 1 - корпус высотной камеры; 2 - люк в стенке камеры, закрытый стеклом; 3 и 4 - панели криогенного насоса; 5 - ресивер сопла; 6 - сопло, 7 - подогреватель рабочего газа; 8 - координатник; 9 - модель.

Аэроакустические аэродинамич. трубы предназначены для исследования влияния акустич. полей на прочность конструкции изучаемого изделия, работу приборных отсеков и т. п. В большинстве случаев рассматривается воздействие акустич. поля, возникающего при работе двигателей и обтекании поверхностей летат. аппарата. Аэроакустич. А. т. отличаются от обычных тем, что их конструкция предусматривает спец. мероприятия, препятствующие проникновению в рабочую часть акустич. полей, связанных с работой силовой установки и вентиляторов А. т. Стенки рабочей части покрывают звукопоглощающим материалом, чтобы они не отражали звуковые волны, возникающие при обтекании модели и работе установленных на ней двигателей.

Аэроакустич. А. т.- один из видов А. т. спец. назначения, предназначенных для решения конкретных аэродинамич. задач. К такого рода А. т. относятся также штопорные, малотурбулентные А. т., установки для испытания воздушно-реактивных двигателей, воздухозаборников, сопел и др.

В гидродинамике для исследования характеристик водных гребных винтов, подводных лодок, подводных частей судов и др. применяют гидродинамич. и кавитац. трубы, устройство и принцип действия к-рых во многом схожи с А. т., но рабочим телом в них является вода.

Литература по аэродинамическим трубам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.