Головна

   Велика Радянська Енциклопедія

Аеродинамічна труба

   
 

Аеродинамічна труба, установка, що створює потік повітря або газу для експеримент, вивчення явищ, супроводжуючих обтікання тіл. За допомогою А. т. визначаються сили, що виникають при польоті літаків і вертольотів, ракет і космічних кораблів, при русі підводних судів в зануреному стані; досліджуються їх стійкість і керованість; відшукуються оптимальні форми літаків, ракет, космічних і підводних кораблів, а також автомобілів і поїздів; визначаються вітрові навантаження, а також навантаження від вибухових хвиль, що діють на будівлі та споруди - мости, щогли електропередач, димові труби і т. п. У спеціальних А. т. досліджується нагрівання і теплозахист ракет, космічних кораблів і надзвукових літаків.

Досліди в А. т. грунтуються на принципі оборотності руху, згідно з яким переміщення тіла відносно повітря (або рідини) можна замінити рухом повітря, що набігає на нерухоме тіло. Для моделювання руху тіла в спочиваючому повітрі необхідно створити в А. т. рівномірний потік, що має в будь-яких точках рівні і паралельні швидкості (рівномірне поле швидкостей), однакові щільність і температуру. Зазвичай в А. т. досліджується обтікання моделі проектованого об'єкта або його частин і визначаються діючі на неї сили. При цьому необхідно дотримуватися умови, які забезпечують можливість переносити результати, отримані для моделі в лабораторних умовах, на повнорозмірний натурний об'єкт (див. Моделювання , Подібності теорія ). При дотриманні цих умов аеродинамічні коефіцієнти для досліджуваної моделі і натурного об'єкта рівні між собою, що дозволяє, визначивши аеродинамічний коефіцієнт в А. т., розрахувати силу, що діє на натуру (наприклад, літак).

Прототип А. т. був створений в 1897 К. Е. Ціолковським, що використав для дослідів потік повітря на виході з відцентрового вентилятора. У 1902 Н. Е. Жуковський побудував А. т., в якій осьовим вентилятором створювався повітряний потік з швидкістю до 9 м / сек. Перші А. т. розімкнутої схеми були створені Т. Стантоном в Національній фізичній лабораторії в Лондоні в 1903 і Н. Е. Жуковським в Москві в 1906, а перші замкнуті А. т. - в 1907-1909 в Геттінгені Л. Прандтлем і в 1910 Т. Стантоном. Перша А. т. з вільною струменем в робочій частині була побудована Ж. Ейфелем в Парижі в 1909. Подальший розвиток А. т. йшло переважно по шляху збільшення їх розмірів і підвищення швидкості потоку в робочій частині (де поміщається модель), яка є однією з основних характеристик А. т.

У зв'язку з розвитком артилерії, реактивної авіації та ракетної техніки з'являються надзвукові А. т., швидкість потоку в робочій частині яких перевищує швидкість поширення звуку. У аеродинаміці великих швидкостей швидкість потоку або швидкість польоту літальних апаратів характеризується числом М = v ??/ a (тобто відношенням швидкості потоку v до швидкості звуку а). Відповідно з величиною цього числа А. т. ділять на 2 основні групи: дозвукові, при М <1, і надзвукові, при М> 1.

Дозвукові аеродинамічні труби. Дозвукова А. т. постійної дії ( рис. 1 ) складається з робочої частини 1, зазвичай має вид циліндра з поперечним перерізом у формі кола або прямокутника (іноді еліпса або багатокутника). Робоча частина А. т. може бути закритою або відкритою ( рис. 2 , а і б), а якщо необхідно створити А. т. з відкритою робочою частиною, статичний тиск в якій не дорівнює атмосферному, струмінь в робочій частині відокремлюють від атмосфери т. н. камерою Ейфеля ( рис. 2 ) (висотної камерою). Досліджувана модель 2 ( рис. 1 ) кріпиться державками до стінки робочої частини А. т. або до аеродинамічних ваг 3. Перед робочою частиною розташоване сопло 4, яке створює потік газу із заданими і постійними по перетину швидкістю, щільністю і температурою ( 6 - спрямляющего решітка, вирівнює поле швидкостей). Дифузор 5 зменшує швидкість і відповідно підвищує тиск струменя, що виходить з робочої частини. Компресор (вентилятор) 7, що приводиться в дію силовою установкою 8, компенсує втрати енергії струменя; направляючі лопатки 9 зменшують втрати енергії повітря, запобігаючи появі вихорів в поворотному коліні; зворотний канал 12 дозволяє зберегти значну частину кінетичної енергії, наявної в струмені за дифузором. Радіатор 10 забезпечує сталість температури газу в робочій частині А. т. Якщо в якому-небудь перетині каналу А. т. статичний тиск повинен дорівнювати атмосферному, в ньому встановлюють клапан 11.

Розміри дозвукових А. т. коливаються від великих А. т. для випробувань натурних об'єктів (наприклад, двомоторних літаків) до мініатюрних настільних установок.

А. т., схема якої наведена на рис. 1 , відноситься до типу т. н. замкнутих А. т. Існують також розімкнені А. т., в яких газ до сопла підводиться з атмосфери або спеціальних ємностей. Суттєвою особливістю дозвукових А. т. є можливість зміни швидкості газу в робочій частині за рахунок зміни перепаду тиску.

Згідно теорії подібності, для того щоб аеродинамічні коефіцієнти в моделі і натури (літака, ракети і т. п.) були рівні, необхідно, крім геометричної подібності, мати однакові значення чисел М і Рейнольдса числа Re в А. т. і в польоті ( Re = rvl / m , r - щільність середовища, m - динамич. в'язкість, l - характерний розмір тіла). Щоб забезпечити ці умови, енергетична установка, що створює потік газу в А. т., повинна володіти достатньою потужністю (потужність енергетичної установки пропорційна числу М, квадрату числа Re і обернено пропорційна статичному тиску в робочій частині pc.

Надзвукові аеродинамічні труби. У загальних рисах схеми надзвуковий і дозвуковой А. т. аналогічні ( рис. 1 и 3). Для отримання надзвуковій швидкості газу в робочій частині А. т. застосовують т.з.. сопло Лаваля, яке являє собою спочатку звужується, а потім розширюється канал. В звужується частини швидкість потоку збільшується і в найбільш вузькій частині сопла досягає швидкості звуку, в розширюється частини сопла швидкість стає надзвуковою і збільшується до заданого значення, відповідного числа М в робочій частині. Кожному числу М відповідає певний контур сопла. Тому в надзвукових А. т. для зміни числа М в робочій частині застосовують змінні сопла або сопла з рухливим контуром, що дозволяє міняти форму сопла.

В дифузорі надзвукової А. т. швидкість газу повинна зменшуватися, а тиск і щільність зростати, тому його роблять, як і сопло, у вигляді сходящегося - розбіжного каналу. В сходящейся частини надзвукова швидкість течії зменшується, а в деякому перетині виникає стрибок ущільнення ( ударна хвиля ), після якого швидкість стає дозвуковой. Для подальшого уповільнення потоку контур труби робиться дедалі ширшим, як у звичайного дозвукового дифузора. Для зменшення втрат дифузори надзвукових А. т. часто роблять з регульованим контуром, що дозволяє змінювати мінімальний перетин дифузора в процесі запуску установки.

У надзвуковий А. т. втрати енергії в ударних хвилях, що виникають в дифузорі, значно більше втрат на тертя і вихреобразование. Крім того, значно більше втрати при обтіканні самої моделі, тому для компенсації цих втрат надзвукові А. т. мають багатоступінчасті компресори і потужніші силові установки, ніж дозвукові А. т.

В надзвуковому соплі у міру збільшення швидкості повітря зменшуються його температура Т і тиск р, при цьому відносна вологість повітря, зазвичай містить водяні пари, зростає, і при числі М "1,2 відбувається конденсація пари, яка супроводжується утворенням ударних хвиль - стрибків конденсації, істотно порушують рівномірність поля швидкостей і тисків в робочій частині А. т. Для запобігання стрибків конденсації волога з повітря, циркулюючого в А. т., віддаляється в спеціальних осушувачах 11 .

Одним з основних переваг надзвукових А. т., здійснюваних за схемою рис. 3 , є можливість проведення дослідів значної тривалості. Однак для багатьох завдань аеродинаміки ця перевага не є вирішальним. До недоліків таких А. т. відносяться : необхідність мати енергетичні установки великої потужності, а також труднощі, що виникають при числах М> 4 внаслідок швидкого зростання необхідної ступеня стиснення компресора. Тому широке поширення набули т. н. балонні А. т., в яких для створення перепаду тисків перед соплом поміщають балони високого тиску, що містять газ при тиску 100 Мн / м 2 (1000 кгс / см 2), а за дифузором - вакуумні ємності (газгольдери), відкачані до абсолютного тиску 100-0,1 н / м 2 (10 -3 -10 -6 кгс / см 2), або систему ежекторів ( рис. 4 ).

Однією з основних особливостей А. т. великих чисел М (М> 5) є необхідність підігріву повітря щоб уникнути його конденсації в результаті зниження температури із зростанням числа М. На відміну від водяної пари, повітря конденсується без помітного переохолодження. Конденсація повітря істотно змінює параметри струменя, яка витікає з сопла, і робить її практично непридатною для аеродинамічного експерименту. Тому А. т. великих чисел М мають підігрівачі повітря. Температура T0, до якої необхідно підігріти повітря, тим більше, чим більше число М в робочій частині А. т. і тиск перед соплом p0. Наприклад, для запобігання конденсації повітря в А. т. при числах М "10 і p0 " 5 Мн / м 2 (50 кгс / см 2) необхідно підігрівати повітря до абсолютної температури T0 "1000 К.

Розвиток техніки йде у напрямі подальшого збільшення швидкостей польоту. Спущені космічні апарати" Восток "і" Восход "входять в атмосферу Землі з першою космічною швидкістю v 1кос "8 км / сек (тобто <** ***** >> 20). Космічні кораблі, що повертаються на Землю з Місяця і ін планет, входитимуть в атмосферу з другою космічною швидкістю М 2кос v ? 11 км / сек > 30). При таких швидкостях польоту температура газу за ударною хвилею, що виникає перед летять тілом, превищает 10000 (М, молекули азоту і кисню дисоціюють (розпадаються на атоми), і стає істотною К іонізація атомів. Необхідно дослідити вплив цих процесів на сили, що виникають при обтіканні тіла, і теплові потоки, що надходять до його поверхні. Для цього в А. т. необхідно отримати не тільки натурні значення чисел Re, М и а й відповідні температури Це призвело до створення нових типів А. т., що працюють з газом, нагрітим до високих температур, значно перевищують температуру, необхідну для запобігання конденсації повітря при даному числі T0. М. До установок цієї групи відносяться ударні труби, імпульсні установки, електродуги установки і т. п. Ударна труба (

рис. 5 , а) являє собою ступінчасту циліндричну трубу, що складається з двох секцій - високого і низького 1 тиску, розділених мембраною 2 3. У секції міститься "штовхає" газ (зазвичай Чи не чи Н), нагрітий до високої температури і стислий до тиску 1 Секція низького тиску заповнюється робочим газом (повітрям) при низькому тиску p1. Це стан, що передує запуску А. т., відповідає на p2 рис. 5 , б часу Після розриву мембрани t0. по робочому газу починає переміщатися ударна хвиля 3 4, яка стискає його до тиску і підвищує температуру. За ударною хвилею з меншою швидкістю рухається контактна поверхня р 5, розділяє штовхає і робочий гази (момент часу Тиск і температура робочого газу в обсязі між ударною хвилею і контактною поверхнею постійні. Надалі ударна хвиля t1). пройде через сопло 4 і робочу частину А. т. 6 в ємність 7 8, і в робочій частині встановиться надзвукове протягом з тиском (момент часу p4 Дослідження обтікання газом моделі t2).

починається в той момент, коли ударна хвиля 9 пройде розтин, в якому розташована модель, і закінчується, коли в цей перетин прийде контактна поверхня. Оскільки швидкість руху ударної хвилі в трубі 4 більше швидкості контактної поверхні, очевидно, що тривалість експерименту в А. т. тим більше, чим більше довжина "розгінної" труби 2 2. В існуючих ударних А. т. ця довжина досягає 200-300 м. Розглянутий тип ударних А. т. дає можливість отримати температури близько 8000

при часу роботи порядку мілісекунд. Застосовуючи ударні А. т. з декількома мембранами, вдається отримати температури до 18000 К Електродугові А. т. Для вирішення багатьох завдань аеродинаміки можна обмежитися меншими температурами, але потрібно значне час експерименту, наприклад при дослідженні К.

аеродинамічного нагріву або теплозахисних покриттів. У електродугових А. т. (

рис. 6 ) повітря, що подається в форкамеру сопла, підігрівається в електричній дузі до температури ~ 6000 К. Дуга, що утворюється в кільцевому каналі між охолоджуваними поверхнями центрального електроду і камери 1 2, обертається з великою частотою магнітним полем, створюваним індуктивної котушкою (обертання дугового розряду необхідно для зменшення ерозії електродів). А. т. цього типу дозволяє отримати числа 7 до 20 при тривалості експерименту в кілька М сек. Однак тиск в форкамері зазвичай не перевищує 10 Мн / м (100 2 кгс / см Великі тиску в форкамері ~ 60 2).

Мн / м (600 2 кгс / см ) і, відповідно, великі значення числа 2 можна отримати в т. н. імпульсних А. т., в яких для нагрівання газу застосовується іскровий розряд батареї високовольтних конденсаторів. температура в форкамері імпульсної А. т. ~ 6000 М, Час роботи - кілька десятків Кмсек. Недоліки установок цього типу - забруднення потоку продуктами ерозії електродів і сопла і зміна тиску і температури газу в процесі експерименту.

Літ.:

 Пенкхерст Р. і Холдер Д., Техніка експерименту в аеродинамічних трубах, пров. з англ., М., 1955; Закс Н. А., Основи експериментальної аеродинаміки, 2 изд., М., 1953; Хілтон У. Ф., Аеродинаміка великих швидкостей, пров. з англ., М., 1955; Сучасна техніка аеродинамічних досліджень при гіперзвукових швидкостях, під ред. А. М. крилля, пров. з англ., М., 1965; Дослідження гіперзвукових течій, під ред. Ф. Р. Ріддел, пров. з англ., М., 1965.М. Я. Юделовіч.

© М. Я. Юделович.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
© 2014-2022  vre.pp.ua