Исследование распределение давления по поверхности профиля крыла

Цель работы:

1. Ознакомится с методикой проведения и обработки результатов опыта по определению распределения давления по поверхности тела.

2. Для нескольких углов атаки исследовать распределение давления по поверхности профиля крыла.

3. По координатным диаграммам распределения коэффициента давления определить коэффициенты подъёмной силы и момента тангажа профиля в связанной системе координат.

Общие сведения о дренажном эксперименте

Получение распределённых характеристик (давления, температуры и т.п.) относится к наиболее тонким экспериментам. Здесь применяются уникальные модели, оборудование и методики. В аэрогидродинамике наиболее часто интересуются распределением давления, как по поверхности тела, так и непосредственно в потоке.

Распределение давления по поверхности тел позволяет уточнить условия их обтекания, получить необходимые данные для разработки их оптимальных форм, а также для расчёта на прочность и т.п. При этом можно определить также суммарные силы, вызванные давлением среды. Однако это делается не очень часто, так как аэродинамические силы, действующие на тело, можно проще, быстрее и, главное, точнее определить так называемым весовым методом. Следует напомнить, что воздействие среды на обтекаемое тело можно представить через нормальные (давление) и касательные (трение) напряжения. Иногда распределение давления может оказаться единственным методом для оценки сил, действующих на тело. Например, при оценке ветровых нагрузок или водяного напора на громоздкие сооружения.

При аэродинамическом эксперименте чаще всего измеряется избыточное давление , т.е. разность между исследуемым давлением и статическим давлением невозмущённого набегающего потока . Однако вместо этой величины значительно удобнее пользоваться безразмерным коэффициентом давления , который определяется отношением избыточного давления к скоростному напору невозмущённого потока .

С

Рис. 5.1. Размещение дренированной модели в рабочей части аэродинамической трубы Т-5 ХАИ:

1. Сопло аэродинамической трубы Т-5.

2. Дренированная модель крыла.

3. Микроманометр для измерения скоростного напора.

4. Батарейный манометр.

коростной напор в аэродинамических трубах обычно определяется по перепаду давлений в двух сечениях трубы. Как правило, первое сечение выбирается перед соплом (в форкамере), а второе — в рабочей части (на достаточном расстоянии от исследуемой модели). В аэродинамических трубах с открытой рабочей частью статическое давление в рабочей части практически равно давлению в окружающем помещении. По показаниям микроманометра 3, измеряющего эту разность давлений (рис. 5.1), и вычисляется величина скоростного напора: . Здесь — коэффициент поля потока аэродинамической трубы (определяется предварительными испытаниями); — давление в форкамере, — коэффициент наклона трубки микроманометра, — показания микроманометра, — плотность жидкости, залитой в микроманометр, — плотность эталонной жидкости.

Коэффициент наклона трубки микроманометра учитывает как угол наклона трубки, так и изменение уровня жидкости в бачке микроманометра. В этой формуле — ускорение земного притяжения, и — площади сечения трубки и зеркала поверхности жидкости в бачке микроманометра, соответственно. Значения этого коэффициента нанесены около отверстий, служащих для фиксации угла наклона трубки. Обычно = 2; 3; 4; 6 и 8. Размерность этого коэффициента Па/мм и поэтому показания манометра необходимо фиксировать в мм.

Внимание: При использовании микроманометров старой конструкции применяется другой коэффициент и иная разбивка шкалы: = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 0,8.

При исследовании распределения давления по поверхностям больших тел удобно использовать специальные датчики. Обычно в них давление преобразуется в электрический сигнал. Эти датчики мало инерционны и поэтому при нестационарных процессах являются единственным средством измерения быстро меняющихся давлений. Однако в настоящее время их размеры довольно велики и составляют около . Для моделей, исследуемых в аэродинамических трубах, применяются специальные дренированные модели. На их поверхностях делают малые отверстия (обычно их диаметр не превышает ), оси которых сориентированы по нормали к поверхности. Число датчиков давления и их распределение по поверхности тела выбирают по имеющейся предварительной информации. Например, их располагают чаще в местах предполагаемого резкого изменения давления. Эти отверстия напрямик или через коммутатор соединяются с прибором, предназначенным для одновременного измерения давления во многих точках. В аэродинамических лабораториях для измерения медленно изменяющихся и не очень больших давлений обычно используют жидкостный батарейный манометр (рис. 5.1).

Жидкостный батарейный манометр бачкового типа состоит из ряда калиброванных стеклянных трубок, смонтированных на одном каркасе и соединённых в нижней части с бачком. Так как давление от датчиков подводится к верхним концам трубок, то при разрежении уровень поднимается вверх, а при поддавливании — опускается вниз. Поэтому на шкале батарейного манометра положительное направление оси также направлено вниз. В полость бачка подводится давление, с которым сравниваются все остальные давления. Для аэродинамических труб с открытой рабочей частью оно равно давлению в окружающем помещении, поэтому в этом случае бачок просто оставляют открытым. Величина избыточного давления в -той точке тела определяется по показаниям -той трубки:

где — давление в -той точке на поверхности модели, — статическое давление невозмущённого набегающего потока, — коэффициент наклона шкалы батарейного манометра, — плотность жидкости, залитой в батарейный манометр, — уровень жидкости в -той трубке, — начальный уровень жидкости в -той трубке. Отсюда коэффициент давления в -той точке тела определится по формуле:

где — коэффициент, не изменяющийся во время эксперимента. Фиксацию результатов в трубках желательно проводить мгновенно, например, фотографируя их.

При работе с жидкостным батарейным манометром становятся весьма заметными капиллярные свойства жидкости. Если трубки отличаются по диаметру и (или) изготовлены из различных сортов стекла, то уровень жидкости в них может отличаться даже при отсутствии перепада давления. Поэтому перед началом испытаний необходимо обязательно записать нулевые показания уровней жидкости в трубках.

Коэффициент наклона шкалы батарейного манометра имеет размерность Па/мм и поэтому показания уровней в трубках необходимо фиксировать в мм. Значения этого коэффициента нанесены на секторе вблизи отверстий, служащих для фиксации угла наклона трубок. При проведении эксперимента уровень жидкости в баке может изменяться. Рассчитать заранее это изменение уровня, учитывая поступающую в трубки жидкость, как это обычно делается в манометрах с одной трубкой, в данном случае не представляется возможным. Поэтому значение коэффициента в различных экспериментах необходимо уточнять. Чем больше площадь свободной поверхности жидкости в бачке, тем меньше будет изменяться её уровень. Для получения более точных данных три трубки батарейного манометра оставляют свободными. Две трубки из них используются для измерения уровня по обеим сторонам бачка, а к третьей подводят давление в форкамере, которое также фиксируется специальным манометром.

Следует отметить, что условия обтекания модели в рабочей части аэродинамической трубы отличаются от обтекания натурного объекта невозмущённым потоком. Это необходимо учитывать введением соответствующих поправок на результаты опыта. Однако, учитывая ознакомительный характер этих работ, здесь будут учтены только основные поправки.

Распределение коэффициента давления по поверхности тела наглядно представляют векторными или координатными диаграммами. На векторной диаграмме коэффициенты давления изображают векторами, нормальными к поверхности исследуемого тела. Во втором случае по одной оси координат откладываются значения коэффициентов давления, а по другой — координаты исследуемых точек. Причём вверх обычно откладывают отрицательные значения, а вниз — положительные. Полученные точки соединяют плавной кривой.

При построении этих диаграмм для профиля следует учесть, что при любом угле атаки у передней кромки исследуемых профилей имеется критическая точка, соответствующая полному торможению потока. В этой точке скорость равна нулю, а избыточное давление достигает наибольшего значения. В несжимаемой среде коэффициент избыточного давления в этой точке равен +1. Для каждого угла атаки необходимо нанести её на диаграмму . В каком месте она находится обычно можно установить по характеру распределения коэффициента давления. Вряд ли при исследуемом угле атаки дренажное отверстие будет расположено как раз в этой точке, но желательно эту точку определить, хотя бы приближённо. Следует напомнить, что при положительном угле атаки она обычно расположена на нижней поверхности профиля и при увеличении угла атаки смещается назад к середине хорды. Минимальная величина коэффициента давления соответствует наибольшей скорости. Диаграмму необходимо продолжить до задней кромки профиля. На ней давления сверху и снизу профиля должны быть одинаковы.

Диаграммы распределения коэффициента давления позволяют определить составляющие проекций аэродинамических сил и моментов, вызванные силами давления. В данном случае для профиля (вернее, для выделенного участка крыла) коэффициент подъёмной силы в связанной системе координат и коэффициент продольного момента относительно носка профиля определяются по формулам:

.

Здесь же приведены формулы для приближённого вычисления интегралов. Для этого хорда профиля разбивается равномерно на частей. Разность берётся в середине каждого участка, а и .