Аэродинамическая труба

Аэродинамическая труба НАСА с масштабной моделью самолета

Модель Cessna с пузырьками, заполненными гелием, демонстрирующая траектории вихрей на законцовках крыла.

Аэродинамические трубы - это большие трубы, через которые проходит воздух. Туннели используются для имитации действий объекта, летящего по воздуху или движущегося по земле. Исследователи используют аэродинамические трубы, чтобы узнать больше о том, как будет летать самолет. НАСА использует аэродинамические трубы для тестирования масштабных моделей самолетов и космических кораблей. Некоторые аэродинамические трубы достаточно велики, чтобы вместить полноразмерные версии автомобилей. Аэродинамическая труба перемещает воздух вокруг объекта, создавая впечатление, будто объект действительно летит.

Большую часть времени большие мощные вентиляторы продувают воздух через трубку. Тестируемый объект надежно удерживается внутри туннеля, поэтому он остается неподвижным и не двигается. Объектом может быть небольшая модель транспортного средства или любая его часть. Это может быть полноразмерный самолет или космический корабль. Это может быть даже обычный предмет, например теннисный мяч. Воздух, движущийся вокруг неподвижного объекта, показывает, что произошло бы, если бы объект двигался по воздуху. Движение воздуха можно изучать по-разному; дым или краситель могут быть помещены в воздух и их можно увидеть, когда они движутся вокруг объекта. Цветные нити также могут быть прикреплены к объекту, чтобы показать, как воздух движется вокруг него. Для измерения силы воздуха, действующего на объект, часто можно использовать специальные инструменты.

Самые первые аэродинамические трубы были изобретены в конце 19 века, на заре исследований в области авиации, когда многие пытались разработать успешные летательные аппараты тяжелее воздуха. Аэродинамическая труба задумывалась как средство изменения обычной парадигмы: вместо неподвижного воздуха и объекта, движущегося через него со скоростью, тот же эффект был бы получен, если бы объект стоял неподвижно, а воздух двигался бы со скоростью мимо него. Таким образом, стационарный наблюдатель мог изучать летающий объект в действии и мог измерять аэродинамические силы, действующие на него.

Разработка аэродинамических труб сопровождала развитие самолета. Большие аэродинамические трубы были построены во время Второй мировой войны. Испытания в аэродинамической трубе считались стратегически важными во время холодной войны при разработке сверхзвуковых самолетов и ракет.

Позже исследование в аэродинамической трубе стало самостоятельным: влияние ветра на искусственные конструкции или объекты необходимо было изучить, когда здания стали достаточно высокими, чтобы создавать большие поверхности для ветра, и возникающим силам приходилось сопротивляться внутренним силам здания. структура. Определение таких сил требовалось до того, как строительные нормы и правила могли указать требуемую прочность таких зданий, и такие испытания продолжают использоваться для больших или необычных зданий.

Еще позже испытания в аэродинамической трубе стали применять к автомобилям не столько для определения аэродинамических сил как таковых.но больше для определения способов уменьшения мощности, необходимой для движения транспортного средства по проезжей части с заданной скоростью. В этих исследованиях важную роль играет взаимодействие дороги и транспортного средства, и это взаимодействие необходимо учитывать при интерпретации результатов испытаний. В реальной ситуации проезжая часть движется относительно транспортного средства, но воздух неподвижен относительно проезжей части, но в аэродинамической трубе воздух движется относительно проезжей части, в то время как проезжая часть неподвижна относительно тестового транспортного средства. Некоторые аэродинамические трубы для автомобильных испытаний включают движущиеся ремни под испытуемым автомобилем, чтобы приблизиться к реальным условиям, и очень похожие устройства используются при испытаниях в аэродинамической трубе взлетно-посадочных конфигураций самолетов.

Испытания в аэродинамической трубе спортивного оборудования также широко распространены на протяжении многих лет, включая клюшки для гольфа, мячи для гольфа, олимпийские бобслеи, олимпийские велосипедисты и шлемы гоночных автомобилей. Аэродинамика шлема особенно важна для гоночных автомобилей с открытой кабиной (Indycar, Formula One). Чрезмерные подъемные силы на шлеме могут вызвать у водителя значительную нагрузку на шею, а разделение потока на задней стороне шлема может вызвать турбулентные удары и, таким образом, помутнение зрения водителя на высоких скоростях. ^[1]

Достижения в моделировании вычислительной гидродинамики (CFD) на высокоскоростных цифровых компьютерах снизили спрос на испытания в аэродинамической трубе.

Измерение аэродинамических сил [ править ]

Скорость и давление воздуха в аэродинамических трубах измеряются несколькими способами.

Скорость воздуха через испытательную секцию определяется по принципу Бернулли . Измерение динамического давления , статического давления и (только для сжимаемого потока ) повышения температуры в воздушном потоке. Направление воздушного потока вокруг модели можно определить по пучкам пряжи, прикрепленным к аэродинамическим поверхностям. Направление воздушного потока, приближающегося к поверхности, можно визуализировать, установив резьбу в воздушном потоке перед и за тестовой моделью. Дым или пузырьки жидкости могут попадать в воздушный поток перед испытательной моделью, и их путь вокруг модели может быть сфотографирован (см. Велосиметрию изображения частиц ).

Аэродинамические силы на испытательной модели обычно измеряются с помощью балансиров балок , соединенных с испытательной моделью балками, струнами или тросами.

Распределение давления в испытательной модели исторически измерялось путем сверления множества маленьких отверстий вдоль пути воздушного потока и использования многотрубных манометров для измерения давления в каждом отверстии. Распределение давления может быть более удобно измерено с помощью чувствительной к давлению краски , в которой более высокое локальное давление указывается пониженной флуоресценцией краски в этой точке. Распределение давления также может быть удобно измерено с помощью чувствительных к давлению прижимных ремней , недавней разработки, в которой несколько сверхминиатюрных модулей датчиков давления интегрированы в гибкую полосу. Полоса прикреплена к аэродинамической поверхности с помощью ленты, и она посылает сигналы, отображающие распределение давления по ее поверхности.^[2]

Распределение давления на тестовой модели также может быть определено путем выполнения исследования следа , при котором либо одна трубка Пито используется для получения нескольких показаний ниже по потоку от тестовой модели, либо многотрубный манометр устанавливается ниже по потоку и снимаются все его показания. .

Аэродинамические свойства объекта не могут оставаться одинаковыми для масштабированной модели. ^[3] Однако, соблюдая определенные правила подобия, может быть достигнуто очень удовлетворительное соответствие между аэродинамическими свойствами масштабированной модели и полноразмерного объекта. Выбор параметров подобия зависит от цели теста, но обычно наиболее важными условиями, которым необходимо удовлетворять, являются:

• Геометрическое подобие: все размеры объекта должны быть пропорционально масштабированы;
• Число Маха : отношение воздушной скорости к скорости звука должно быть одинаковым для масштабированной модели и реального объекта (одинаковое число Маха в аэродинамической трубе и вокруг реального объекта не равно одинаковой воздушной скорости)
• Число Рейнольдса : должно соблюдаться соотношение сил инерции к силам вязкости. Этому параметру трудно удовлетворить с помощью масштабированной модели, и это привело к разработке герметичных и криогенных аэродинамических труб, в которых вязкость рабочего тела может быть значительно изменена, чтобы компенсировать уменьшенный масштаб модели.

В некоторых конкретных тестовых случаях должны быть удовлетворены другие параметры подобия, например, число Фруда .

История [ править ]

Истоки [ править ]

Английский военный инженер и математик Бенджамин Робинс (1707–1751) изобрел аппарат с вращающейся рукой для определения сопротивления ^[4] и провел некоторые из первых экспериментов в теории авиации.

Сэр Джордж Кэли (1773–1857) также использовал вращающуюся руку для измерения сопротивления и подъемной силы различных профилей. ^[5] Его вращающаяся рука была 5 футов (1,5 м) в длину и развивала максимальную скорость от 10 до 20 футов в секунду (от 3 до 6 м / с).

Отто Лилиенталь использовал вращающуюся руку для точного измерения профиля крыла с различными углами атаки , создавая полярные диаграммы их отношения подъемной силы к сопротивлению , но не имел понятия наведенного сопротивления и чисел Рейнольдса . ^[6]

Однако вращающийся рычаг не создает надежного потока воздуха, ударяющего по тестовой форме при нормальном падении. Центробежные силы и тот факт, что объект движется по собственному следу, затрудняют детальное изучение воздушного потока. Фрэнсис Герберт Уэнам (1824–1908), член Совета Авиационного общества Великобритании , обратился к этим вопросам, изобретая, спроектировав и эксплуатируя первую закрытую аэродинамическую трубу в 1871 году. ^[7] Как только этот прорыв был достигнут, были предоставлены подробные технические данные. был быстро извлечен с помощью этого инструмента. Уэнаму и его коллеге Джону Браунингу приписывают множество фундаментальных открытий, в том числе измерение соотношений l / d и открытие положительных эффектов высокогосоотношение сторон .

Константин Циолковский построил в 1897 году аэродинамическую трубу открытого типа с центробежным вентилятором и определил коэффициенты сопротивления плоских пластин, цилиндров и сфер.

Датский изобретатель Пол ла Кур применил аэродинамические трубы в своем процессе разработки и совершенствования технологии ветряных турбин в начале 1890-х годов. Карл Рикард Найберг использовал аэродинамическую трубу при разработке своего Flugan с 1897 года и позже .

В классической серии экспериментов англичанин Осборн Рейнольдс (1842–1912) из Манчестерского университета продемонстрировал, что картина воздушного потока на масштабной модели была бы одинаковой для полномасштабного транспортного средства, если бы определенный параметр потока был одинаковым в обоих. случаи. Этот фактор, теперь известный как число Рейнольдса , является основным параметром в описании всех ситуаций потока жидкости, включая формы потоков, легкость передачи тепла и возникновение турбулентности. Это является центральным научным обоснованием использования моделей в аэродинамических трубах для моделирования реальных явлений. Однако существуют ограничения на условия, при которых динамическое подобие основывается только на числе Рейнольдса.

Использование братьями Райт простой аэродинамической трубы в 1901 году для изучения влияния воздушного потока на различные формы при разработке своего летчика Райта было в некотором смысле революционным. ^[8] Однако из вышеизложенного видно, что они просто использовали общепринятую технологию того времени, хотя это еще не было распространенной технологией в Америке.

Во Франции , Gustave Eiffel (1832-1923) построил свой первый открытым обратный аэродинамическую трубу в 1909 году, приведенный в действие электродвигателем мощностью 50 кВт, на Елисейских-де-Марс, у подножия башни , которая носит его имя.

Между 1909 и 1912 годами Эйфель провел около 4000 испытаний в своей аэродинамической трубе, и его систематические эксперименты установили новые стандарты для авиационных исследований. В 1912 году лаборатория Эйфеля была переведена в Отёй, пригород Парижа, где его аэродинамическая труба с двухметровым испытательным участком работает до сих пор. ^[9] Eiffel значительно повысил эффективность аэродинамической трубы с открытым возвратом, заключив испытательную секцию в камеру, разработав расширяющийся входной патрубок с сотовым выпрямителем потока и добавив диффузор между испытательной секцией и вентилятором, расположенным в конце потока. диффузор; после этого было построено несколько аэродинамических труб; фактически низкоскоростную аэродинамическую трубу с открытым возвратом часто называют аэродинамической трубой типа Эйфеля.

Широкое использование [ править ]

Последующее использование аэродинамических труб получило распространение по мере того, как были созданы наука об аэродинамике и дисциплина авиационной техники, а также были развиты воздушные перевозки и энергетика.

Военно-морской флот США в 1916 году построил одну из самых больших аэродинамических труб в мире на тот момент на базе Вашингтонского военно-морского флота. Входное отверстие было почти 11 футов (3,4 м) в диаметре, а выпускная часть - 7 футов (2,1 м) в диаметре. Электродвигатель мощностью 500 л.с. приводил в движение лопасти лопастного вентилятора. ^[10]

В 1931 году NACA построило полномасштабную аэродинамическую трубу размером 30 на 60 футов в Исследовательском центре Лэнгли в Лэнгли, штат Вирджиния. Туннель приводился в движение парой вентиляторов с электродвигателями мощностью 4000 л.с. Компоновка была замкнутого формата с двойным возвратом и могла вместить множество полноразмерных реальных самолетов, а также масштабные модели. В конечном итоге туннель был закрыт, и, несмотря на то, что в 1995 году он был объявлен национальной исторической достопримечательностью , в 2010 году его начали сносить.

До Второй мировой войны самая большая в мире аэродинамическая труба, построенная в 1932–1934 годах, находилась в пригороде Парижа, Шале-Медон , Франция. Он был разработан для испытаний полноразмерных самолетов и имел шесть больших вентиляторов, приводимых в движение электродвигателями большой мощности. ^[11] Аэродинамическая труба Chalais-Meudon использовалась ONERA под названием S1Ch до 1976 года при разработке, например, самолетов Caravelle и Concorde . Сегодня эта аэродинамическая труба сохранилась как национальный памятник.

Людвиг Прандтль был учителем Теодора фон Кармана в Геттингенском университете и предложил построить аэродинамическую трубу для испытаний дирижаблей, которые они проектировали. ^{[12] : 44} вихревое улица турбулентности на выходе из цилиндра был испытан в туннеле. ^{[12] : 63} Когда он позже переехал в Аахенский университет, он вспомнил, как пользовался этим помещением:

Я вспомнил, что аэродинамическая труба в Геттингене создавалась как инструмент для изучения поведения цеппелинов, но оказалось, что она полезна для всего остального - от определения направления дыма от дымовой трубы до того, будет ли летать данный самолет. Я чувствовал, что прогресс в Аахене был бы практически невозможен без хорошей аэродинамической трубы. ^{[12] : 76}

Когда фон Карман начал консультироваться с Калтехом, он работал с Кларком Милликеном и Артуром Л. Кляйном. ^{[12] : 124} Он возражал против их конструкции и настаивал на обратном потоке, делающем устройство «независимым от колебаний внешней атмосферы». Он был завершен в 1930 году и использовался для тестирования Northrop Alpha . ^{[12] : 169}

В 1939 году генерал Арнольд спросил, что требуется для продвижения ВВС США, и фон Карман ответил: «Первый шаг - построить правильную аэродинамическую трубу». ^{[12] : 226} С другой стороны, после успехов Bell X-2 и перспектив более продвинутых исследований, он написал: «Я был за создание такого самолета, потому что никогда не верил, что можно получить все необходимое. ответы из аэродинамической трубы ". ^{[12] : 302–03}

Вторая мировая война [ править ]

В 1941 году США построили одну из крупнейших на то время аэродинамических труб в Райт-Филд в Дейтоне, штат Огайо. Эта аэродинамическая труба начинается с высоты 45 футов (14 м) и сужается до 20 футов (6,1 м) в диаметре. Два 40-футовых (12 м) вентилятора приводились в движение электродвигателем мощностью 40 000 л.с. Крупномасштабные модели самолетов могли быть испытаны на скорости воздуха 400 миль в час (640 км / ч). ^[13]

Аэродинамическая труба, используемая немецкими учеными в Пенемюнде до и во время Второй мировой войны, является интересным примером трудностей, связанных с расширением полезного диапазона больших аэродинамических труб. В нем использовалось несколько больших естественных пещер, которые были увеличены в размерах путем раскопок, а затем запечатаны для хранения больших объемов воздуха, который затем мог быть направлен через аэродинамические трубы. Этот инновационный подход позволил проводить лабораторные исследования в высокоскоростных режимах и значительно ускорил темпы развития авиационной инженерии Германии. К концу войны в Германии было по крайней мере три различных сверхзвуковых аэродинамических трубы, одна из которых способна создавать потоки воздуха 4,4 Маха (нагретые). ^[14]

Большая аэродинамическая труба, строящаяся недалеко от Эцталя , Австрия, имела бы два вентилятора, которые приводились бы напрямую от двух гидравлических турбин мощностью 50 000 лошадиных сил . К концу войны установка не была завершена, и демонтированное оборудование было отправлено в Модан , Франция, в 1946 году, где оно было восстановлено и до сих пор эксплуатируется ONERA . Имея 8-метровую испытательную секцию и скорость полета до 1 Маха, это самая большая трансзвуковая аэродинамическая труба в мире. ^[15]

22 июня 1942 года компания Curtiss-Wright профинансировала строительство одной из крупнейших в стране дозвуковых аэродинамических труб в Буффало, штат Нью-Йорк. Первый бетон для строительства был заложен 22 июня 1942 года на месте, которое в конечном итоге станет Калспан, где находится крупнейшая в стране независимая аэродинамическая труба. Соединенные Штаты все еще действуют. ^[16]

К концу Второй мировой войны США построили восемь новых аэродинамических труб, в том числе самую большую в мире на Моффетт Филд около Саннивейла, Калифорния, которая была разработана для испытаний полноразмерных самолетов на скорости менее 250 миль в час ^[17]. и вертикальная аэродинамическая труба в Райт-Филд, штат Огайо, где поток ветра направлен вверх для тестирования моделей в условиях вращения, а также концепций и инженерных проектов первых примитивных вертолетов, летавших в США. ^[18]

После Второй мировой войны [ править ]

Более поздние исследования воздушных потоков, близких или превышающих скорость звука, использовали похожий подход. Металлические напорные камеры использовались для хранения воздуха под высоким давлением, который затем ускорялся через сопло, предназначенное для обеспечения сверхзвукового потока. Камера наблюдения или приборная камера («испытательная секция») затем помещалась в нужное место в горловине или сопле для достижения желаемой скорости полета.

В Соединенных Штатах озабоченность по поводу отставания американских исследовательских центров от построенных немцами привела к принятию Закона 1949 года о едином плане аэродинамических труб, который санкционировал расходы на строительство новых аэродинамических труб в университетах и ​​на военных объектах. Некоторые немецкие аэродинамические трубы времен войны были демонтированы для отправки в Соединенные Штаты в рамках плана по использованию немецких технологических разработок. ^[19]

Для ограниченного применения вычислительная гидродинамика (CFD) может дополнить или, возможно, заменить использование аэродинамических труб. Например, экспериментальный ракетоплан SpaceShipOne был разработан без использования аэродинамических труб. Однако в одном из испытаний к поверхности крыльев были прикреплены летные нити, что позволило выполнить испытание типа аэродинамической трубы во время реального полета с целью уточнения вычислительной модели. При наличии внешнего турбулентного потока CFD нецелесообразно из-за ограничений современных вычислительных ресурсов. Например, область, которая все еще слишком сложна для использования CFD, - это определение влияния потока на конструкции, мосты, рельеф и т. Д. И вокруг них.

Наиболее эффективный способ имитации внешнего турбулентного потока - использование аэродинамической трубы с пограничным слоем.

Существует множество приложений для моделирования пограничного слоя в аэродинамической трубе. Например, понимание воздействия ветра на высотные здания, фабрики, мосты и т. Д. Может помочь проектировщикам строительства построить конструкцию, которая противостоит ветровым воздействиям наиболее эффективным способом. Еще одно важное применение моделирования пограничного слоя в аэродинамической трубе - понимание схем рассеивания выхлопных газов в больницах, лабораториях и других источниках выбросов. Другими примерами применения аэродинамической трубы с пограничным слоем являются оценка комфорта пешеходов и занос снега. Моделирование аэродинамической трубы принято в качестве метода помощи в проектировании экологичных зданий . Например, использование моделирования в аэродинамической трубе с пограничным слоем может быть признано за лидерство в области энергетического и экологического проектирования. (LEED) сертификация через Совет по экологическому строительству США.

Испытания в аэродинамической трубе с пограничным слоем позволяют моделировать естественное сопротивление поверхности Земли. Для обеспечения точности важно моделировать профиль средней скорости ветра и эффекты турбулентности в пограничном слое атмосферы. Большинство кодексов и стандартов признают, что испытания в аэродинамической трубе могут дать надежную информацию для проектировщиков, особенно когда их проекты находятся на сложной местности или на открытых участках.

В Соединенных Штатах за последние 20 лет были выведены из эксплуатации многие аэродинамические трубы, в том числе некоторые исторические объекты. На оставшиеся аэродинамические трубы оказывается давление из-за сокращающегося или неустойчивого использования, высоких затрат на электроэнергию, а в некоторых случаях и высокой стоимости недвижимости, на которой находится объект. С другой стороны, для валидации CFD по-прежнему требуются данные аэродинамической трубы, и это, вероятно, будет иметь место в обозримом будущем. Были проведены и другие исследования для оценки будущих потребностей в аэродинамической трубе для военных и коммерческих целей, но результат остается неопределенным. ^{[20] В} последнее время все более широкое использование реактивных беспилотных аппаратов с измерительными приборами [«исследовательских беспилотных летательных аппаратов»] заменило некоторые из традиционных применений аэродинамических труб. ^[21]Самая быстрая аэродинамическая труба в мире по состоянию на 2019 год - это аэродинамическая труба LENS-X, расположенная в Буффало, штат Нью-Йорк. ^[22]

Как это работает [ править ]

Воздух вдувается или всасывается через воздуховод, оборудованный смотровым окном и приборами, где для изучения устанавливаются модели или геометрические фигуры. Обычно воздух перемещается через туннель с помощью серии вентиляторов. Для очень больших аэродинамических труб диаметром в несколько метров использование одного большого вентилятора нецелесообразно, поэтому вместо этого используется массив из нескольких вентиляторов параллельно, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток. Из-за необходимого объема и скорости движения воздуха вентиляторы могут приводиться в движение стационарными турбовентиляторными двигателями, а не электродвигателями.

Поток воздуха , созданный вентиляторов , что входит в туннель сам по себе чрезвычайно турбулентным за счет движения лопасти вентилятора (когда вентилятор дует воздух в испытательной секции - когда он сосет воздух из испытательной секции вниз по течению, вентилятор лезвие турбулентности не является фактором) и поэтому не может непосредственно использоваться для точных измерений. Воздух, движущийся через туннель, должен быть относительно свободным от турбулентности и ламинарным . Чтобы решить эту проблему, используются близко расположенные вертикальные и горизонтальные воздушные лопатки, чтобы сгладить турбулентный поток воздуха до того, как он достигнет объекта испытаний.

Из-за влияния вязкости поперечное сечение аэродинамической трубы обычно является круглым, а не квадратным, поскольку в углах квадратного туннеля будет большее сужение потока, что может сделать поток турбулентным. Круглый туннель обеспечивает более плавный поток.

Внутренняя облицовка туннеля обычно максимально гладкая, чтобы уменьшить сопротивление поверхности и турбулентность, которые могут повлиять на точность испытаний. Даже гладкие стены вызывают некоторое сопротивление воздушному потоку, поэтому тестируемый объект обычно держат около центра туннеля с пустой буферной зоной между объектом и стенками туннеля. Существуют поправочные коэффициенты, позволяющие связать результаты испытаний в аэродинамической трубе с результатами испытаний на открытом воздухе.

Освещение обычно встроено в круглые стены туннеля и проникает сквозь окна. Если бы свет был установлен на внутренней поверхности туннеля обычным способом, лампочка создавала бы турбулентность, когда воздух обтекает ее. Точно так же наблюдение обычно ведется через прозрачные иллюминаторы в туннеле. Эти окна для освещения и наблюдения могут быть не просто плоскими, а изогнутыми, чтобы соответствовать поперечному сечению туннеля и дополнительно уменьшать турбулентность вокруг окна.

Различные методы используются для изучения фактического потока воздуха вокруг геометрии и сравнить ее с теоретическими результатами, которые также должны принимать во внимание число Рейнольдса и число Маха для режима работы.

Измерения давления [ править ]

Давление на поверхностях модели можно измерить, если модель включает в себя отводы давления. Это может быть полезно для явлений, в которых доминирует давление, но это учитывает только нормальные силы, действующие на тело.

Измерения силы и момента [ править ]

С помощью модели, установленной на силовом балансе , можно измерять подъемную силу, лобовое сопротивление, поперечные силы, моменты рыскания, крена и тангажа в диапазоне углов атаки . Это позволяет получить общие кривые, такие как коэффициент подъемной силы в зависимости от угла атаки (показано).

Обратите внимание, что баланс сил сам по себе создает сопротивление и потенциальную турбулентность, которая влияет на модель и вносит ошибки в измерения. Поэтому опорные конструкции обычно имеют гладкую форму для минимизации турбулентности.

Визуализация потока [ править ]

Поскольку воздух прозрачен, трудно непосредственно наблюдать за движением воздуха. Вместо этого для испытаний в аэродинамической трубе были разработаны несколько методов количественной и качественной визуализации потока.

Качественные методы [ править ]

• Дым
• Впрыск углекислого газа
• К модели можно прикрепить пучки, мини-пучки или конусы, которые остаются прикрепленными во время тестирования. Пучки можно использовать для измерения схем воздушных потоков и разделения потоков. Пучки иногда изготавливаются из флуоресцентного материала и подсвечиваются черным светом для облегчения визуализации.
• Испаряющиеся суспензии - это просто смесь какого-то тонкого порошка, талька или глины, смешанная с жидкостью с низкой скрытой теплотой испарения. Когда включается ветер, жидкость быстро испаряется, оставляя после себя глину, характерную для воздушного потока.
• Масло: когда масло наносится на поверхность модели, оно может четко показать переход от ламинарного потока к турбулентному, а также разделение потока.
• Температурная краска: Как и масло, темперная краска может быть нанесена на поверхность модели, сначала нанося краску в виде точек. После запуска аэродинамической трубы можно определить направление потока и отрыв. Дополнительная стратегия использования темперной краски - это использование черного света для создания светящегося рисунка с помощью темперной краски.
• Туман (обычно из частиц воды) создается с помощью ультразвукового пьезоэлектрического распылителя . Туман переносится внутри аэродинамической трубы (желательно замкнутого типа и закрытой испытательной секции). Перед испытательной секцией вставляется электрически нагреваемая сетка, которая испаряет частицы воды в непосредственной близости от нее, образуя таким образом листы тумана. Противотуманные листы функционируют как обтекаемые формы над испытательной моделью при освещении световым полотном.
• Сублимация: если движение воздуха в туннеле достаточно нетурбулентное, поток частиц, попадающий в воздушный поток, не распадается по мере движения воздуха, а остается вместе в виде острой тонкой линии. Множественные потоки частиц, выпущенные сеткой из множества сопел, могут обеспечить динамическую трехмерную форму воздушного потока вокруг тела. Как и в случае с балансом сил, эти нагнетательные трубы и сопла должны иметь такую ​​форму, которая сводит к минимуму введение турбулентного воздушного потока в воздушный поток.
• Сублимация (альтернативное определение): метод визуализации потока заключается в том, чтобы покрыть модель сублимируемым материалом, где после включения ветра в областях, где воздушный поток является ламинарным, материал остается прикрепленным к модели, а в турбулентных областях, наоборот, материал испарится с модели. Этот метод в первую очередь используется для проверки того, что точки отключения, размещенные на переднем крае для принудительного перехода, успешно достигают намеченной цели.

Высокоскоростная турбулентность и вихри трудно увидеть напрямую, но стробоскопы и пленочные камеры или высокоскоростные цифровые камеры могут помочь запечатлеть события, которые невооруженным глазом выглядят размытыми.

Высокоскоростные камеры также требуются, когда объект испытаний сам движется с высокой скоростью, например, пропеллер самолета. Камера может снимать покадровые изображения того, как лезвие прорезает потоки твердых частиц и как возникают вихри вдоль задних кромок движущегося лезвия.

Количественные методы [ править ]

• Краска, чувствительная к давлению (PSP): PSP - это метод, при котором модель покрывается распылением краской, которая реагирует на изменения давления, изменяя цвет. В сочетании с этой техникой камеры обычно располагаются под стратегическими углами обзора через стены, потолок и пол аэродинамической трубы, чтобы сфотографировать модель при сильном ветре. Фотографические результаты могут быть оцифрованы для создания полного распределения внешнего давления, действующего на модель, и впоследствии нанесены на расчетную геометрическую сетку для прямого сравнения с результатами CFD. Измерения PSP могут быть эффективными для регистрации изменений давления по модели, однако часто требуются дополнительные отводы давления на поверхности модели для проверки абсолютной величины коэффициентов давления.Важным свойством красок PSP с хорошими свойствами является то, что они также должны быть нечувствительными к температурным воздействиям, поскольку температура внутри аэродинамической трубы может значительно меняться после непрерывной работы. Общие трудности, возникающие при использовании PSP, включают неспособность точно измерить эффекты передней и задней кромки в областях с высокой кривизной из-за ограничений в способности камер получить выгодный угол обзора. Кроме того, иногда избегают нанесения PSP на переднюю кромку, поскольку это приводит к конечной толщине, которая может вызвать преждевременное разделение потока, что приведет к искажению результатов. Поскольку изменения давления на передней кромке обычно представляют первостепенный интерес, отсутствие точных результатов в этой области очень проблематично. Когда модель окрашена краской, чувствительной к давлению,Известно, что некоторые краски держатся и продолжают действовать в течение нескольких месяцев после первоначального нанесения. Наконец, известно, что краски PSP обладают определенными частотными характеристиками, при которых некоторым требуется некоторое время для стабилизации перед достижением точных результатов, в то время как другие быстро сходятся. В последнем случае краски, способные отражать быстрые изменения давления, могут использоваться для приложений Dynamic PSP, где целью является измерение характеристик нестационарного потока.В последнем случае краски, способные отражать быстрые изменения давления, могут использоваться для приложений Dynamic PSP, где целью является измерение характеристик нестационарного потока.В последнем случае краски, способные отражать быстрые изменения давления, могут использоваться для приложений Dynamic PSP, где целью является измерение характеристик нестационарного потока.
• Скорость изображения частиц (PIV): PIV - это метод, при котором лазерный лист испускается через щель в стене туннеля, где устройство формирования изображения может отслеживать направление локальной скорости частиц в плоскости лазерного листа. Иногда этот метод предполагает заполнение воздушного потока наблюдаемым материалом. Этот метод позволяет количественно измерить скорость и направление потока в областях, захваченных в плоскости лазера.
• Измерение деформации модели (MDM): MDM работает, размещая маркеры в известных геометрических точках на модели аэродинамической трубы и фотографируя изменение положения маркера при воздействии ветра в туннеле. Анализируя изменение положения маркера под разными углами обзора камеры, можно рассчитать поступательное изменение положения маркера. Собрав результаты с нескольких маркеров, можно рассчитать степень гибкости модели из-за воздушной нагрузки.

Классификация [ править ]

Есть много разных типов аэродинамических труб. Как правило, их классифицируют по диапазону скоростей, которые достигаются в разделе испытаний, следующим образом:

• Низкоскоростная аэродинамическая труба
• Высокоскоростная аэродинамическая труба
• Дозвуковая и трансзвуковая аэродинамическая труба
• Сверхзвуковая аэродинамическая труба
• Гиперзвуковая аэродинамическая труба
• Аэродинамическая труба с высокой энтальпией

Аэродинамические трубы также классифицируются по ориентации воздушного потока в испытательной секции относительно силы тяжести. Обычно они ориентированы горизонтально, как это бывает во время горизонтального полета . Аэродинамические трубы другого класса ориентированы вертикально, так что гравитацию можно уравновесить сопротивлением, а не подъемной силой, и они стали популярной формой отдыха для имитации прыжков с парашютом :

• Вертикальная аэродинамическая труба

Аэродинамические трубы также классифицируются в зависимости от их основного использования. Для тех, кто используется с наземными транспортными средствами, такими как легковые и грузовые автомобили, также важна аэродинамика пола. Они варьируются от стационарных этажей до полностью движущихся этажей, при этом также важны движущиеся этажи меньшего размера и некоторые попытки ограничения уровня.

Авиационные аэродинамические трубы [ править ]

Основными подкатегориями авиационных аэродинамических труб являются:

Туннели с высоким числом Рейнольдса [ править ]

Число Рейнольдса является одним из определяющих параметров подобия при моделировании потока в аэродинамической трубе. Для числа Маха менее 0,3 это основной параметр, который определяет характеристики потока. Существует три основных способа имитации высокого числа Рейнольдса, поскольку получить полномасштабное число Рейнольдса с помощью полномасштабного транспортного средства непрактично.

• Туннели под давлением: здесь испытательные газы сжимаются для увеличения числа Рейнольдса.
• Туннели для тяжелых газов: более тяжелые газы, такие как фреон и R-134a , используются в качестве испытательных газов. Трансзвуковой динамический туннель в НАСА в Лэнгли является примером такого туннеля.
• Криогенные туннели: здесь тестовый газ охлаждается для увеличения числа Рейнольдса. В европейской трансзвуковой аэродинамической трубе используется этот метод.
• Высотные туннели: они предназначены для проверки воздействия ударных волн на летательные аппараты различной формы в условиях почти вакуума. В 1952 году Калифорнийский университет построил две первые аэродинамические трубы на большой высоте: одну для испытаний объектов на высоте от 50 до 70 миль над землей, а вторую - для испытаний на высоте от 80 до 200 миль над землей. ^[23]

V / STOL туннели [ править ]

Для туннелей V / STOL требуется большая площадь поперечного сечения, но только небольшие скорости. Поскольку мощность зависит от куба скорости, мощность, необходимая для работы, также меньше. Примером туннеля V / STOL является туннель NASA Langley 14 'x 22'. ^[24]

Спиновые туннели [ править ]

Самолеты имеют тенденцию вращаться при сваливании . Эти туннели используются для изучения этого явления.

Автомобильные туннели [ править ]

Автомобильные аэродинамические трубы делятся на две категории:

• Туннели внешнего потока используются для изучения внешнего потока через шасси.
• Климатические туннели используются для оценки работы дверных систем, тормозных систем и т. Д. В различных климатических условиях. Большинство ведущих производителей автомобилей имеют собственные климатические аэродинамические трубы.

Вунибальд Камм построил первую полномасштабную аэродинамическую трубу для автомобилей. ^[25]

Для туннелей внешнего потока используются различные системы для компенсации влияния пограничного слоя на дорожное покрытие, в том числе системы движущихся ремней под каждым колесом и кузовом автомобиля (5 или 7 ременных систем) или один большой ремень под всей поверхностью дороги. автомобиль или другие методы контроля пограничного слоя, такие как совки или перфорация для его всасывания. ^[26]

Аэроакустические туннели [ править ]

Эти туннели используются для исследования шума, создаваемого потоком, и его подавления.

Высокая энтальпия [ править ]

Аэродинамическая труба с высокой энтальпией предназначена для изучения потока воздуха вокруг объектов, движущихся со скоростью, намного превышающей местную скорость звука ( гиперзвуковые скорости). « Энтальпия » - это полная энергия газового потока, состоящая из внутренней энергии, обусловленной температурой, произведения давления и объема, а также скорости потока. Дублирование условий гиперзвукового полета требует больших объемов нагретого воздуха под высоким давлением; два используемых метода - большие резервуары для горячей воды под давлением и электрическая дуга. ^[27]

Аквадинамический лоток [ править ]

Аэродинамические принципы аэродинамической трубы одинаково применимы и к гидроциклам, за исключением того, что вода более вязкая и поэтому создает большие силы на испытываемом объекте. Петлевой лоток обычно используется для подводных гидродинамических испытаний. Взаимодействие между двумя разными типами жидкостей означает, что испытания в чистой аэродинамической трубе актуальны лишь частично. Однако подобные исследования проводятся и на буксирном баке .

Низкоскоростные испытания жидкости негабаритных размеров [ править ]

Воздух не всегда является лучшим испытательным материалом для изучения принципов аэродинамики в малых масштабах из-за скорости воздушного потока и движения профиля. Исследование крыльев плодовой мушки, призванное понять, как крылья создают подъемную силу, было выполнено с использованием большого резервуара с минеральным маслом и крыльев, в 100 раз превышающих фактический размер, чтобы замедлить взмахи крыльев и облегчить вихри, создаваемые крыльями насекомых видеть и понимать. ^[28]

Фан-тестирование [ править ]

Испытания в аэродинамической трубе также проводятся для точного измерения движения воздуха вентиляторами при определенном давлении. Путем определения условий окружающей среды во время измерения и последующего изменения герметичности обеспечивается стандартизация данных.

Есть два возможных способа измерения: полный вентилятор или рабочее колесо гидравлической установки. Две измерительные трубы позволяют измерять как низкие воздушные потоки (<30 000 м ³ / ч), так и более высокие воздушные потоки (<60 000 м ³ / ч). Определение кривой Q / h вентилятора является одной из основных задач. Для определения этой кривой (и для определения других параметров) измеряются технические, механические и электротехнические характеристики воздуха:

Авиа технический:

• Разница статического давления (Па)
• Количество перемещаемого воздуха (м ³ / ч)
• Средняя скорость воздуха (м / с)
• Удельная производительность (Вт / 1000 м ³ / ч)
• Эффективность

Электротехническая:

• Напряжение (В)
• Ток (А)
• Cos φ
• Допустимая мощность (Вт) вентилятор / крыльчатка
• Оборотов в минуту (об / мин)

Измерение может производиться на вентиляторе или в приложении, в котором вентилятор используется.

Испытания ветроэнергетики [ править ]

В ветроэнергетике испытания в аэродинамической трубе используются для измерения скорости вокруг, а также сил или давления на конструкции. ^[29] Очень высокие здания, здания необычной или сложной формы (например, высокие здания параболической или гиперболической формы), кабельные подвесные мосты или вантовые мосты анализируются в специализированных аэродинамических трубах с пограничным слоем атмосферы. Они имеют длинную противветренную секцию для точного представления профиля скорости ветра и турбулентности, действующих на конструкцию. Испытания в аэродинамической трубе обеспечивают необходимые измерения расчетного давления при использовании динамического анализа и контроля высоких зданий. ^{[30] [31]}

См. Также [ править ]

• Арсенал (Вена) , климатический центр в аэродинамической трубе, используемый железнодорожной отраслью
• Автомобильный дизайн
• Климатические камеры Дорио , климатический центр в аэродинамической трубе, управляемый вооруженными силами США.
• Стинг (приспособление)
• Водный туннель , гидродинамическая версия аэродинамической трубы
• Список аэродинамических труб

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Джуэл Б. Барлоу, Уильям Х. Рэй младший, Аллан Поуп: Тестирование низкоскоростных аэродинамических труб (3-е изд.) ISBN 978-0-471-55774-6 

Внешние ссылки [ править ]

• Видео визуализации тумана в аэродинамической трубе
• Тьерри Дюбуа (11 мая 2017 г.). «У аэродинамических труб есть будущее в эпоху цифровых технологий, - говорят европейцы» . Авиационная неделя и космические технологии . Благодаря обновленным методам измерения аэродинамические трубы остаются незаменимыми.

СМИ, связанные с аэродинамическими трубами, на Викискладе?