книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

прежде широко применявшееся во многих лабораториях, и иссле­ дования моделей при полете и при горизонтальном перемещении их по тросу или по рельсовому пути. Последний способ получил широкое применение в гидравлических каналах и судовых бас­ сейнах, а также при изучении движения моделей ракет и снарядов на баллистических установках [130] и ракетных тележках [117].

2. Методы, основанные на изучении кругового движения те

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. В от­

жидкости, создаваемые вентилятором, насосом или каким-либо другим путем. Сюда можно отнести аэродинамические и гидро­ динамические трубы, ударные трубы, большинство установок для исследования работы элементов проточной части энергетиче­ ских машин, большую часть экспериментальных водяных и газо­ воздушных установок лабораторий заводов и конструкторских

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 дей­ ствия.

Основным преимуществом труб постоянного действия по сравне­ нию с трубами кратковременного действия и опытовыми бассей­ нами является возможность длительных измерений и наблюдений. Это преимущество настолько велико, что последние годы для исследования моделей кораблей все чаще применяются гидро­ динамические трубы. Такие трубы строят, несмотря на то, что

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.

В ^опытовых бассейнах модель буксируется в заполняющей бассейн воде с помощью тележки, движущейся по рельсам, рас­ положенным над каналом. Все возмущения, вызываемые тележкой, не распространяются в область движения изучаемой модели. При буксировке моделей с малой дозвуковой скоростью в воздухе эти условия не могут быть выполнены. Возмущения, вызываемые

38

тележкой (обычно имеющей большие размеры по сравнению с мо­ делью), будут распространяться со скоростью звука во все сто­ роны, и модель будет двигаться в области возмущений. Это суще­ ственно исказит результаты измерений. Поэтому в эксперимен­ тальной аэродинамике не применяется метод, при котором объект исследования движется с малой до­ звуковой скоростью в покоящейся ' среде.

При движении объекта со сверх­ звуковыми скоростями возмущения не будут распространяться вперед. И в этом случае вышеописанный ме­ тод применяется.

мические трубы делятся на два типа:

прямые трубы с не замкнутым потоком (рис. 2.1) и трубы с пото­ ком, циркулирующим в замкнутом канале (рис. 2.1, в, г и д).

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 поль­ зоваться воздухом, поступающим извне помещения. Так, аэро­ динамическая труба, построенная в Шале-Медоне (Франция),

39

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 низкий к. п. д. их, так как при выходе из трубы теряется вся кинетическая энер-

'гия потока. Последний недостаток устраняется в трубах замкну­ того типа. Однако замкнутость потока приводит к тому, что воз­ мущения, возникающие за винтом, а также на поворотах трубы, распространяются по потоку в обратном канале и достигают ра­ бочей части, делая поток в ней неоднородным. Этот дефект может быть ликвидирован расширением потока в обратном канале и поджатием потока рабочей частью, установкой лопаток на по­ вороте и другими способами.

Взависимости от того, имеет ли рабочая часть твердые стенки, аэродинамические трубы делятся на трубы с закрытой и с откры­ той рабочей частью.

По состоянию среды в рабочей части трубы могут быть: с нор­ мальным атмосферным давлением, с повышенным или пониженным давлением в рабочей части и, наконец, трубы с переменным давле­ нием (рис. 2.1, г). 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. Суще­ ствуют трубы с переменной температурой, влажностью. Рабочей

средой в трубе кроме воздуха могут служить другие газы: гелий, фреон и др.

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

Обычно полностью удовлетворить все требования теории по­ добия не удается. Чаще всего осуществляется приближенное подобие. Для того чтобы знать, какими условиями можно прене­ бречь 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 ни­ когда не создают окружающее модель пространство, геометри­ чески подобное изучаемому. Последнее условие заменяется тре­ бованием, 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.

40

Более строгими требованиями являются требования кинема­ тического подобия. Поле скоростей и давлений в потоке перед моделью в аэродинамической трубе должно соответствовать полю скоростей и давлений в изучаемом потоке. Из условий динамиче­ ского подобия в экспериментальной аэродинамике обычно суще­ ственное 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 диа­ метром 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 понимая температуру, либо повышая давление.

Увеличение числа Re уменьшением величины кинематической вязкости послужило основанием для проектирования труб пере­ менной плотности, точнее, аэродинамических труб с повышенным давлением. В трубах такого типа давления достигают 25 кгс/см2 (245ІО4 Па), скорости — 40 м/с и диаметр рабочей части—около 2 м, число Re при этом окажется равным 1,38ІО8, в то время как при нормальном давлении оно равно 5,5-ІО6.

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

Моделирование явлений в трубах при значительных числах Re

иМ пока неизбежно приводит к постройке гигантских труб с огром­ ными скоростями и большими мощностями. Поэтому уже в 1941— 1945 гг. имелись трубы с диаметром рабочей части 10—20 м, скоро­ стью 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 получили замкнутые трубы с одним обратным каналом (рис. 2.1)

иоткрытой или закрытой рабочей частью. Основными элементами таких труб являются рабочая часть А , диффузор Б, винто-мотор­ ная группа В, поворотные колена Г, обратный канал Д и конфу-

зор, или коллектор, Е (рис. 2.2). Кроме того, для выравнивания и успокоения потока в рабочей части в большом сечении коллек­ тора устанавливаются сетки и решетки Ж, а при входе в диффу­ зор устанавливается кольцевой раструб с крыловым профилем К.

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

В некоторых специальных случаях конструкция аэродинамиче­ ских труб отличается от указанных. Так, труба для изучения ве­ тровых нагрузок на железнодорожные мосты [116] имеет рабочую часть прямоугольного сечения с размерами сторон 18,3 и 2,1 м.

41

Скорость потока в этой трубе 6 м/с, а потребляемая мощность

100 кВт.

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 энер­ гии на валу двигателя. ’ F

и площадь поперечного сечения в рабочей части, тогда качество трубы А будет равно

где N мощность на валу двигателя, кВт.

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

42

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

Если при моделировании явлений влиянием М можно прене­ бречь и требуется получить большие значения чисел Re, то для анализа выражение (2.1) представим в виде

Ѵір \з

И /

где I — характерный линейный размер модели. Считая, что

р = а + ЬТ л* ЬТ и р = ~ г ,

получим

43

Таким образом, при заданном диаметре трубы и числа Re мощность ее зависит от давления и температуры потока в рабочей части трубы. Для снижения мощности в этом случае необходимо

повышать давление и понижать температуру потока в рабочей части.

Когда при моделировании существенным является число М, а влиянием числа Re можно пренебречь, то величину мощности трубы представляют в виде /Ѵ0 = KipFa^M3.

то для потребной мощности получим выражение

Таким образом, мощность аэродинамической трубы, в которой необходимо получить потоки с большими числами М и произволь­ ными числами Re, пропорциональна давлению, корню квадратному из температуры и показателю изоэнтропы в степени 3/2 и обратно пропорциональна молекулярному весу среды в степени 3/2. В ла­ бораториях применяются трубы с рабочими средами, имеющими

молекулярный вес значительно больший молекулярного веса воз­ духа.

Если при моделировании одновременно надо соблюдать подобия по числам Re и М, формулу (2.1) переписывают в виде

или, заменяя величины вязкости и скорости звука по вышеприве­ денным формулам, получают

pm ‘

Следовательно, при заданных значениях чисел Re и М потреб­ ная мощность будет тем меньше, чем больше молекулярный вес среды и величина давления в рабочей части.

Из формул (2.2)—(2.4) видно, что понижение температуры среды в рабочей части всегда приводит к снижению мощности. Повышение давления в рабочей части необходимо лишь при моде­ лировании по числу Re или при одновременном моделировании по числам Re и М. При моделировании лишь по числу М давление в рабочей части следует понижать.

44

10. Аэродинамические трубы кратковременного действия

Основной недостаток сверхзвуковых аэродинамических труб непрерывного действия заключается в том, что мощности, необхо­ димые 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, холо­ дильники и пр.). Поэтому в последние годы трубы кратковремен-

Рис. 2.4. Схемы основных типов труб кратковременного действия

ного действия получают все большее распространение 185; 140]. Размеры рабочей части современных труб уже превосходят 1 м, а числа М, получаемые в них, достигают значений, равных 27. Освоение быстродействующей аппаратуры для измерения давле­ ний 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. 2.4).

По первой схеме (рис. 2.4, а) труба состоит из компрессора /, устройства для отделения воды, масла и осушки воздуха 2, ем­ кости для сжатого воздуха 3, быстродействующего крана 4, по­ догревателя 5 и рабочего участка трубы, состоящего из коллек­ тора 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. 2.4, б) воздух из атмосферы, пройдя осушитель 1, попадает в рабочий участок, состоящий из коллек­ тора 2, сопла 3, собственно рабочей части 4 и диффузора 5. Впуск воздуха производится быстродействующим краном 6. Разрежение в вакуумной емкости 7 создается эксгаустером 8.

45

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

ктолщине стальной стенки шара сохраняется равным около 670. ^Сопла и диффузоры могут иметь регулируемые горла. Быстро­

действующие краны должны открываться в течение примерно се­

что полезная концентрация слоя равна 2%, а абсолютная атмосфер­ ная 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.

На рис, 2.5 показана схема трубы эжекторного типа [140], в которой^ осуществлен почти замкнутый цикл. Трехступенчатый поршневой компрессор 1 имеет промежуточный и выходной холо­ дильник 2. Воздух из компрессора, пройдя водоотделительную головку 3, попадает в ресивер 4, где окончательно охлаждается. Дросселирующий кран 5 служит для регулирования скорости. Ноток 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 непродолжитель­ ного периода запуска весь воздух в контуре трубы состоит из су­ хого воздуха, поступающего из ресивера.

46

В эжекторной трубе так же, как и в баллонной, осушение воз­ духа производится сжатием его при некоторой постоянной темпе­ ратуре и последующим расширением. Если давление влажного воздуха в начальном состоянии обозначить через р 01, а давление в сжатом состоянии при той же температуре через р 02, то соответ­ ствующие относительные влажности ßx и ß2 будут связаны соот­

ношения давлений в аэродинамической трубе, полученные из

значительно больший перепад давлений, чем при нормальной работе ее. При М < 1,2 отношение давлений постоянно и равно 1,2. Создание повышенного давления при пуске для вакуумных труб не представляет трудностей.

Время действия труб определяется, исходя из того, что изме­ нение массы жидкости в баллоне равно массе газа, протекшей через любое сечение трубы, в том числе и через критическое се­ чение. Для бесконечно малого промежутка времени рабочего пе­ риода dt получим ±Udp = dt, где знак плюс относится к вакуумному приводу, а минус — к приводу от сжатия; звездоч­ ками обозначены соответствующие величины в критическом се­ чении; U — объем баллона.

Если значения критических величин выразить по известным формулам для изоэнтропического течения, а именно:

47