Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Техника и методы аэрофизического эксперимента. Учебник

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 82 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вторая часть учебника включает следующие главы.

6. Методы измерений аэродинамических характеристик.

7. Методы измерений давлений.

8. Методы измерений температур и тепловых потоков.

9. Методы измерения средних и мгновенных скоростей.

10. Методы измерений поверхностного трения.

11. Методы визуализации течений.

12. Средства автоматизации аэродинамического эксперимента.

13. Основы обработки результатов эксперимента.

Учебник полностью соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по подготовке дипломированных инженеров по специальности 652500 «Гидроаэродинамика и динамика полета».

Настоящее издание может быть полезным также аспирантам, инженерам и научным сотрудникам, выполняющим экспериментальные исследования в аэродинамических трубах и/или занимающимся вопросами авиационной и космической техники.

Выражаю свою признательность академику РАН, профессору Э.П. Волчкову и канд. техн. наук С.Г. Деришеву, сделавшим ряд ценных замечаний при рецензировании работы, а также профессору А.А. Кураеву за полезные советы и пожелания.

В течение трех десятилетий я читаю упомянутый выше курс лекций, постоянно общаясь с коллегами, с которыми я работал и обсуждал эти проблемы все эти годы. Считаю своим долгом выразить всем им безмерную благодарность.

При подготовке рукописи к печати неоценимую помощь автору оказали Т.В. Ветровская, М.Г. Рудакова, Л.И. Каюкова. Всем автор выражает искреннюю признательность.

А.М. Харитонов

Введение

астоящий курс лекций преследует цель ознакомить читателей с со-

временной техникой и методологией аэрогазодинамического эксперимента. К технике эксперимента обычно относят аэродинамические трубы и измерительные средства, которые применяются для исследования характеристик механического взаимодействия между средой и твердым или упругим телом, движущимся в этой среде. Методология аэродинамического эксперимента охватывает круг вопросов, связанных с измерениями широкого спектра характеристик, определением точности измерений и обработкой полученных результатов, методами планирования эксперимента на основе теории моделирования изучаемых явлений, теорий ошибок и математической статистики.

Аэродинамическими трубами называются лабораторные установки, которые создают эталонный поток заданных параметров для изучения характеристик обтекания твердых тел. Помещая в этот поток исследуемое тело (модель летательного аппарата, автомобиля, локомотива и т. п.), можно определять действующие на него аэродинамические нагрузки. Нагревая этот поток, можно также изучать тепловое воздействие омывающего газа на тело, законы изменения формы этого тела под влиянием уноса массы с поверхности. С помощью различных оптических средств можно сделать видимой картину обтекания (вихревые следы, скачки уплотнения, местные зоны сжатия и разрежения, пограничные слои и т. п.).

Методы и средства измерений, рассматриваемые в этом курсе, главным образом ориентированы на аэродинамическое проектирование и расчет летательных аппаратов. Но их следует воспринимать значительно шире и распространять на задачи газотурбинного, автомобильного и локомотивного машиностроения, а также градостроения и др. Таким образом, подобные методы и средства применяются всюду, где изучается силовое взаимодействие среды и тела, движущегося в этой среде. Для определения скорости, высоты и дальности полета, длины разбега при посадке, летных качеств аппарата (устойчивости, маневренности и других характеристик) необходимо знать результирующие аэродинамические силы и моменты при различных скоростях и

ВВЕДЕНИЕ

направление его движения. Определение сил и моментов составляет одну из основных задач аэродинамического эксперимента. Сюда входят вопросы измерения углов атаки, крена и скольжения, лобового сопротивления, подъемной силы и аэродинамических моментов, действующих на крылья и оперения самолета, и т. п.

Для расчета летательных аппаратов на прочность, вибрации и деформации необходимы данные по распределению аэродинамических сил по поверхности в различных условиях движения.

Эта более сложная и трудоемкая задача имеет большое значение при изучении структуры и условий формирования результирующих сил и моментов.

При полете со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, поверхность летательного аппарата (ЛА) подвергается существенному нагреву вследствие сжатия среды и ее трения. Поэтому для расчета прочности и деформации ЛА, а также систем охлаждения необходимы измерения распределений температуры и тепловых потоков на поверхности моделей.

При проектировании ЛА возникают также задачи:

1) выбора внешних форм крыла, фюзеляжа и других частей в зависимо-

сти от назначения, скорости полета, грузоподъемности и других ограничений;

2) наиболее рационального размещения и взаимного расположения ча-

стей ЛА.

Дело в том, что всякая надстройка, находящаяся в потоке, изменяет скорости, углы атаки, а следовательно, и аэродинамические силы, действующие на другие части ЛА. Например, если хвостовые оперения расположены в следе вихрей за крылом, то их эффективность сильно снижается. Поэтому возникает задача измерения интерференционных составляющих аэродинамических характеристик элементов ЛА, знание которых позволяет взаимно располагать элементы наиболее выгодно с аэродинамической точки зрения. Все эти измерения выполняются с помощью комплекса измерительных средств, сопряженных с автоматизированными системами сбора и обработки информации.

При этом программа и результаты измерений должны проводиться в полном соответствии с метрологией и теорией ошибок. Известно, что метрология – это наука об измерениях и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Единство измерений – такое состояние измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах и их погрешности известны с заданной вероятностью. Это необходимо для сопоставления

результатов измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием различных методов и средств. Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Таким образом, важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства и приемлемой точности измерений. Поэтому метрология имеет большое значение для прогресса естественных наук, к которым относится и экспериментальная аэродинамика. Многообразие методов и средств, применяемых в ней, нуждается в постоянном повышении точности измерений. Хорошо известно, что точные измерения неоднократно позволяли сделать фундаментальные открытия. Так, например, Майкельсон поставил опыт с целью обнаружения ожидаемого небольшого смещения интерференционной картины, вызываемого, по существовавшему тогда мнению, взаимным движением источника и приемника света. Однако весьма точные измерения показали, что такого смещения нет. Результаты этого эксперимента были использованы А. Эйнштейном при создании теории относительности.

Другим наглядным примером является повышение точности измерения плотности воды, которое в 1932 г. привело к открытию тяжелого изотопа – дейтерия.

Хорошо известно, что к началу ХХ столетия трудами Л. Эйлера, Д. Бернулли, О. Рейнольдса, Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина и других был создан научный фундамент воздухоплавания. Однако природа подъемной силы крыла все еще была не ясна, а обтекание крыла и самолета в целом недоступно расчету.

Экспериментальная аэродинамика зарождалась в начале ХХ столетия вместе с началом бурного развития авиации. Уже в 1903 г. братья Райт осуществили свой первый полет на расстояние 36 м и с длительностью 3,5 с на аэроплане с бензиновым мотором (8 л.с.). Тем самым они доказали возможность полета на аппаратах тяжелее воздуха. Это стало возможным благодаря тому, что они впервые еще в 1901 г. построили аэродинамическую трубу (АТ) и использовали ее для экспериментального определения подъемной силы и других аэродинамических характеристик модели аэроплана. Н.Е. Жуковский задолго до этого понимал необходимость развития экспериментальной базы, но отсутствие необходимых средств привело к тому, что лишь в 1902 г. в Московском университете с помощью студентов ему удалось построить АТ с закрытой рабочей частью размером 75×75 см и скоростью 10 м/c. С тех пор испытания мо- делей будущих летательных аппаратов в аэродинамических трубах стали неотъемлемым стилем развития авиации, и сейчас мы не можем представить

ВВЕДЕНИЕ

себе полет нового ЛА без многочасовых испытаний моделей в трубах. Ярким примером является сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд», созданию которого предшествовало более 50 000 часов испытаний в аэродинамических трубах. Так что параллельное развитие теоретических основ аэродинамики, экспериментальной техники и методов исследования дало мощный толчок бурному росту авиационной науки и соответственно прогрессу авиации. Знаменитый постулат Жуковского–Чаплыгина о точке схода вихревой пелены с задней кромки крыла позволил до конца вычислить подъемную силу и выявить влияние на нее характерных параметров профиля крыла. Эти теоретические результаты были многократно подтверждены экспериментально в трубах, что способствовало созданию С.А. Чаплыгиным еще в 1913 г. основ теории крыла конечного размаха. Позднее, в 20-е годы, в ЦАГИ был создан ряд крупных АТ, многие из которых до сих пор успешно функционируют. Параллельно развивались методы и измерительные средства, применяемые и сегодня в экспериментальной аэродинамике. В настоящее время под влиянием все более усложняющихся задач авиации и космонавтики методология аэрофизического эксперимента достигла высокой степени развития и не только стала основополагающей при конструировании скоростных самолетов и воздушных винтов, но широко используется при проектировании паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, артиллерийских снарядов и т. п.

Общими методами экспериментальной аэромеханики являются:

1) летный эксперимент;

2) опыты на моделях (в лабораторных условиях);

3) всевозможные аналогии.

1. Натурный эксперимент хотя и дает наиболее достоверные зависимо-

сти между изучаемыми параметрами, но очень сложен и требует больших затрат труда, времени и средств. Более того, в ряде случаев необходимы оценки до того как объект существует. Летные испытания могли бы приводить к непоправимым последствиям, если бы экспериментальные исследования начинались с натурных условий. Поэтому опыты в натурных условиях обычно являются заключительными во всем ряде расчетно-теоретических работ, экспериментов на моделях или аналогиях, которые предшествуют созданию того или иного аэромеханического объекта.

2. Метод аналогий основан на адекватности общих теоретических, а ча-

ще математических моделей разнородных физических явлений и по существу является методом создания «модели моделей». Иными словами, имеется ряд различных физических явлений, которые описываются одинаковыми математическими уравнениями. Если при этом выбрать в качестве эквивалентной

математическую модель такого физического явления, которое достаточно изучено, то можно проводить эксперименты с физическими моделями. Метод аналогий позволяет удовлетворять всем основным требованиям, предъявляемым к эксперименту. Но следует иметь в виду, что основанием для аналогии обычно служит тождество дифференциальных уравнений, начальных и граничных условий, а также геометрическое подобие для натуры и аналогии. Это тождество возможно только при условиях каких-то допущений и предположений, упрощающих действительные явления, так как полная аналогия существует по отношению к нему самому. Поэтому метод аналогий дает лишь приближенные зависимости параметров, характерных для данного явления. В настоящее время наибольшее распространение получил метод электроаналогий.

3. Опыты на моделях явлений безусловно являются наиболее широко распространенным методом во всей современной аэромеханике. Такие опыты в лабораторных условиях обеспечивают выполнение всех основных требований к эксперименту. С этой целью необходимо воспроизводить или смоделировать натурные условия в лаборатории. В основу моделирования положен закон подобия, по которому должно выполняться равенство всех критериев подобия (чисел Re, M, Fr, Pr, St и др.) для натуры и модели. Но и в этом случае всякое явление полностью подобно только самому себе. Поэтому с целью максимального приближения к натурным условиям в экспериментальных установках необходимо равенство главных определяющих критериев подобия, т. е. тех из них, которые наиболее адекватно характеризуют изучаемое в данном эксперименте явление. Кроме того, экспериментальные установки не должны искажать характер обтекания моделей или генерировать не присущие натуре возмущения.

Таким образом, задача моделирования в лабораторных условиях сводит-

ся к созданию экспериментальных установок (аэродинамических труб и газодинамических стендов), в которых реализуется диапазон скоростей от малых дозвуковых до гиперзвуковых, а также соответствующий диапазон давлений, температур, начальной турбулентности. С другой стороны, необходимо моделировать геометрические параметры натурного объекта при малых и умеренных размерах моделей.

Общеизвестно, что только синтез теории и опыта приводит к подлинно научному знанию. Все же физическому эксперименту, практике отводится роль конечного критерия. Поэтому перед аэродинамическим экспериментом обычно ставятся цели:

1) верификация развивающихся аналитических и численных методов;

2) получение исходных данных для построения новых теорий;

ВВЕДЕНИЕ

3) получение из самого эксперимента соответствующих соотношений

между параметрами, характерных для данного явления.

Если опыты ставятся для проверки теории, в эксперименте необходимо выполнять основные условия и предпосылки, исходя из которых построена данная теория. Только в этом случае можно рассчитывать на соответствие теории опыту. Здесь весьма важно выявить те параметры явления, малые изменения которых приводят к значительным расхождениям между теорией и экспериментом. Этим определяются области применимости теории и вместе с тем направления тех усилий, которые необходимо предпринять, чтобы более адекватно описать реальное течение. Такой процесс познания продолжается в соответствии с запросами теории и практики.

Эксперименты с целью получения исходных данных для построения теории изучаемого явления требуют нахождения главных, характерных сторон, выявления механизма и структуры в целом. При этом главную роль играет степень адекватности моделирования явления.

В тех случаях, когда изучаемое течение не описывается какой-либо теорией, ставятся эксперименты для получения эмпирических соотношений между параметрами и закономерностями. Такие цели наиболее часто выдвигаются перед экспериментом, результаты которого в кратчайшие сроки удовлетворяют потребностям практики. Однако такие опыты обычно имеют ограниченное, частное значение. И только большое число этих опытов и их обобщение с использованием основных критериев подобия могут придать подобным результатам возможно большую общность.

Широкий диапазон методов и измерительных средств, как правило, определяется большим многообразием полетных параметров летательных аппаратов различного назначения. В конкретных практических случаях применяются летательные аппараты с диапазоном скоростей М = 0…25 и высот до Н = 130 км. Полет гиперзвуковых аппаратов характеризуется чрезвычайно высокими температурами торможения, а при посадке на другие планеты, кроме того, они обтекаются различными газами. Вместе с этим и экспериментальные установки подразделяются на соответствующие диапазоны моделируемых параметров:

АТ малых скоростей – V = 0…100 м/с;

АТ трансзвуковых скоростей – М = 0,3…1,3;

АТ сверхзвуковых скоростей – М = 1,5…4;

АТ гиперзвуковых скоростей – М = 5…25.

Высокоскоростные трубы различаются по принципу действия. В аэродинамических трубах решается целый спектр задач, основными из которых являются:

• невязкие течения, поля параметров вне пограничного слоя (ПС);

• пристенные течения, отличающиеся состоянием пограничного слоя

(ламинарные или турбулентные);

• отрывные течения, в том числе и при взаимодействии скачков с ПС;

• структура течений при взаимодействии и дифракции скачков уплотне-

ния;

• аэродинамические характеристики моделей ЛА при параметрическом

изменении геометрии элементов и/или при вариации параметров потока;

• влияние близости Земли на аэродинамические характеристики (АДХ);

• характеристики взаимодействующих струй или струй с преградой;

• теплообмен, аэродинамический нагрев;

• круговые диаграммы АДХ при баллистическом спуске с орбиты кос-

мических объектов;

• аэродинамическая интерференция элементов ЛА, в том числе при раз-

делении аэрокосмических систем.

Это далеко не полный перечень задач, которые решаются в современных АТ. При этом во всех этих случаях необходимо измерять:

• параметры потока – числа М, Re, ε, Т0;

• силы и моменты, действующие на тела;

• поля давлений на поверхностях моделей;

• поля скоростей, давлений и температур в окрестности тел;

• распределения тепловых потоков;

• характеристики турбулентности;

• поверхностное трение и рейнольдсовы напряжения;

• распределения линий тока и другие параметры.

Таким образом, экспериментатор должен быть исследователем широкого профиля. Кроме основного предмета аэромеханики, необходимо владеть теорией подобия и размерностей, методологией аэрофизического эксперимента (экспериментальные установки, методы и средства измерений и системы автоматизированного сбора и обработки результатов измерений), а также математическими методами: метрологией и теорией ошибок, теорией планирования эксперимента.

Все это составляет предмет экспериментальных исследований, который приложим, в общем, к различным областям науки. Ведь и физиков, и биоло-

ВВЕДЕНИЕ

гов, и социологов объединяет то, что все они проводят эксперименты, которые имеют много общего. Все они стремятся контролировать свой эксперимент или исключать влияние внешних переменных, всех их интересует точность измерительных приборов и точность конечных результатов. Наконец, в процессе любого эксперимента необходимо анализировать получаемые результаты и давать их интерпретацию. Таким образом, наряду с самим предметом аэрофизики экспериментатору необходимо владеть методологией эксперимента как предмета исследований.

Современный эксперимент уже немыслим без тесного взаимодействия аэродинамических труб с ЭВМ. Такое сращивание аэродинамических труб с ЭВМ получило очень широкое распространение и продолжает развиваться. Ведь условно аэродинамическую трубу можно классифицировать как аналоговую вычислительную машину, способную решать задачи несжимаемого и сжимаемого, пространственного турбулентного обтекания. Именно эта возможность моделирования является основной причиной того, что АТ вот уже более века играли и продолжают играть существенную и главную роль в аэромеханике. И несмотря на то что в настоящее время уже функционируют ЭВМ с огромным быстродействием и памятью, еще не преодолены проблемы адекватного моделирования сложных пространственных задач аэрогазодинамики. При этом надо иметь в виду, что все известные модели турбулентности содержат ряд констант, которые получены в каких-то конкретных условиях. Попытки их распространения на другие случаи обтекания не приводят к успеху. Одним из путей решения задачи является замена этих констант функциями, описывающими различные условия, и огромная работа по верификации новых моделей турбулентности.

Аэродинамические трубы также обладают механическими, конструктивными и стоимостными пределами, которые ограничивают достижение натурных чисел Рейнольдса и низкого уровня турбулентности набегающего потока. Поэтому основная проблема как для АТ, так и для суперЭВМ состоит в том, чтобы обеспечить адекватное моделирование разнообразных задач аэромеханики. В этой связи дальнейшее продвижение предполагает совершенное сочетание основных возможностей АТ и ЭВМ [3]. На рис. В1 представлена ретроспектива такого сочетания в виде зависимости относительного вклада в аэрофизические исследования АТ и ЭВМ в процентах.

Этот рисунок, хотя и условный, тем не менее свидетельствует о все возрастающем вкладе вычислительных технологий в развитие и разработку будущих авиационно-космических аппаратов. По некоторым оценкам, в настоящее время этот вклад уже превышает 50 %. В то же время создание новых летательных аппаратов сопровождается десятками тысяч испытаний моделей в АТ.

При этом сегодня в аэродинамических лабораториях ЭВМ широко используется для автоматического сбора и обработки результатов измерений, управления установкой и гидравлической системой гибких сопел, а также устройствами перемещения моделей в потоке, для вторичной обработки экспериментальной информации и хранения ее в соответствующих базах данных. Несомненна эффективность автоматизированного управления большими АТ, так как существенно снижается расход электроэнергии и повышается производительность получения экспериментальной информации. Управляя с помощью ЭВМ устройством изменения степени перфорации, можно повысить степень моделирования при трансзвуковых скоростях. В ряде случаев ЭВМ позволяет существенно увеличить точность измерений путем калибровки датчиков в реальном времени эксперимента.

Рис. В1. Вклад физических и численных экспериментов

в развитие авиационной науки

Наконец, возрастающая роль ЭВМ в аэродинамических исследованиях предполагает сочетание численных расчетов с использованием экспериментальной информации, накапливающейся в базах данных, что несомненно будет способствовать развитию верифицированных моделей и методов расчета.

<<< < Предыдущая 12 / 82 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]