Лабораторная работа № 2

Аэродинамические трубы

1. Методы аэродинамического эксперимента

Все гидроаэродинамические задачи, встречающиеся в практике, можно разделить на три группы. К первой отнесем задачи о дви­жении тела в неподвижной среде, ко второй — об обтекании неподвижных тел движущейся средой и к третьей — смешанные задачи, когда движется и среда, и тело.

Примерами задач первой группы могут быть задачи о движении самолета в неподвижной атмосфере, о движении подводной лодки в неподвижной воде и др. Ко второй группе можно отнести обтека­ние устоев моста в реке, поток газа и жидкости в трубах и др. К третьей группе относятся движение самолета при наличии ветра, движение корабля при наличии течений в воде, движение колес паровой, газовой или гидравлической турбин и т. д.

Методы аэродинамического эксперимента можно разделить на две группы. К первой относятся методы, при которых объект исследования движется в покоящейся среде, а ко второй — ме­тоды, при которых изучаемый объект неподвижен, а среда дви­жется.

Методы первой группы, в свою очередь, можно разделить на следующие.

1. Методы, основанные на изучении прямолинейного движения. К ним можно отнести изучение сопротивления при падении тел, прежде широко применявшееся во многих лабораториях, и иссле­дования моделей при полете и при горизонтальном перемещении их по тросу или по рельсовому пути. Последний способ получил широкое применение в гидравлических каналах и судовых бассейнах, а также при изучении движения моделей ракет и снарядов на баллистических установках и ракетных тележках.

2. Методы, основанные на изучении кругового движения тел 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.

2. Методы, использующие искусственные потоки газа или жидкости, создаваемые вентилятором, насосом или каким-либо другим путем. Сюда можно отнести аэродинамические и гидродинамические трубы, ударные трубы, большинство установок для исследования работы элементов проточной части энергетиче­ских машин, большую часть экспериментальных водяных и газовоздушных установок лабораторий заводов и конструкторских бюро.

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 дей­ствия.

Основным преимуществом труб постоянного действия по сравне­нию с трубами кратковременного действия и опытовыми бассей­нами является возможность длительных измерений и наблюдений. Это преимущество настолько велико, что последнее время для исследования моделей кораблей все чаще применяются гидро­динамические трубы. Такие трубы строят, несмотря на то, что для их работы необходимы насосные установки с мощностями, в сотни и тысячи раз превосходящими мощности, потребляемые 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.

2. Аэродинамические трубы постоянного действия

Если исключить трубы специаль­ного назначения, то можно считать, что целью обычных аэродинамиче­ских труб является изучение зако­нов движения тел в однородных сре­дах. Следовательно, труба проекти­руется так, чтобы в ее рабочей части поле скоростей и давлений было однородным.

В зависимости от величины ско­рости потока в рабочей части аэро­динамические трубы делятся на трубы:

а) малых скоростей, с чис­лом М порядка 0,1—0,2 и меньше;

б) дозвуковые, с числом М от 0,2 до 1,0;

в) сверхзвуковые, с числом М от 1 до 10—12; г) гиперзвуковые, с числом М свыше 12.

В зависимости от того, является ли поток замкнутым, все аэродина­мические трубы делятся на два типа: прямые трубы с незамкнутым потоком (рис. 2.1, а, б) и трубы с пото­ком, циркулирующим в замкнутом канале (рис. 2.1, в, г и д).

Рис. 2.1. Типы аэродинамических труб:

а – незамкнутая труба ЦАГИ; б - незамкнутая труба Национальной физической лаборатории (Англия); в – замкнутая с одним обратным каналом; г – замкнутая с двумя обратными каналами;

д – труба с переменным давлением

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 поль­зоваться воздухом, поступающим извне помещения. Так, аэро­динамическая труба, построенная в Шале-Медоне (Франция), 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 энер­гия потока. Последний недостаток устраняется в трубах замкну­того типа. Однако замкнутость потока приводит к тому, что воз­мущения, возникающие за винтом, а также на поворотах трубы, распространяются по потоку в обратном канале и достигают ра­бочей части, делая поток в ней неоднородным. Этот дефект может быть ликвидирован расширением потока в обратном канале и поджатием потока рабочей частью, установкой лопаток на по­вороте и другими способами.

В зависимости от того, имеет ли рабочая часть твердые стенки, аэродинамические трубы делятся на трубы с закрытой и с откры­той рабочей частью.

По состоянию среды в рабочей части трубы могут быть: с нор­мальным атмосферным давлением, с повышенным или пониженным давлением в рабочей части и, наконец, трубы с переменным давле­нием (рис. 2.1, д). 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. Суще­ствуют трубы с переменной температурой, влажностью. Рабочей средой в трубе кроме воздуха могут служить другие газы: гелий, фреон и др.

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

Обычно полностью удовлетворить все требования теории по­добия не удается. Чаще всего осуществляется приближенное подобие. Для того чтобы знать, какими условиями можно прене­бречь 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 ни­когда не создают окружающее модель пространство, геометри­чески подобное изучаемому. Последнее условие заменяется тре­бованием, 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.

Более строгими требованиями являются требования кинема­тического подобия. Поле скоростей и давлений в потоке перед моделью в аэродинамической трубе должно соответствовать полю скоростей и давлений в изучаемом потоке. Из условий динамиче­ского подобия в экспериментальной аэродинамике обычно суще­ственное 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 диа­метром 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 поднимая температуру, либо повышая давление.

Увеличение числа Re уменьшением величины кинематической вязкости послужило основанием для проектирования труб пере­менной плотности, точнее, аэродинамических труб с повышенным давлением. В трубах такого типа давления достигают 245·10⁴ Па, скорости — 40 м/с и диаметр рабочей части—около 2 м, число Re при этом окажется равным 1,38·10⁸, в то время как при нормальном давлении оно равно 5,5·10⁶.

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

Моделирование явлений в трубах при значительных числах Re и М пока неизбежно приводит к постройке гигантских труб с огром­ными скоростями и большими мощностями. Поэтому уже в 1941— 1945 гг. имелись трубы с диаметром рабочей части 10— 20 м, скоростью 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, в) и открытой или закрытой рабочей частью. Основными элементами таких труб являются рабочая часть А, диффузор Б, винто-моторная группа В, поворотные колена Г, обратный канал Д и конфузор, или коллектор, Е (рис. 2.2). Кроме того, для выравнивания и успокоения потока в рабочей части в большом сечении коллек­тора устанавливаются сетки и решетки Ж, а при входе в диффузор устанавливается кольцевой раструб с крыловым профилем К.

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

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 энер­гии на валу двигателя.

Если кинетическую энергию Е в рабочей части трубы пред­ставить в виде

где m, ρ, V и F — секундная масса, плотность, скорость потока и площадь поперечного сечения в рабочей части, тогда качество трубы К будет равно

где N—мощность на валу двигателя, кВт.

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

Если через η обозначить к. п. д. компрессора или вентилятора, создающего поток, то величина мощности, подводимая к потоку N₀, будет: N₀ = N η. При установившейся работе трубы подводимая мощность N₀ должна быть равна сумме потерь, имеющих место в проточной части трубы. Тогда величина качества будет иметь вид

Сумма потерь определяется аэродинамическим расчетом потерь во всех элементах трубы.

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 быть значительно меньше единицы.

Рис. 2.2. Аэродинамическая труба ЛПИ

3. Аэродинамические трубы кратковременного действия

Основной недостаток сверхзвуковых аэродинамических труб непрерывного действия заключается в том, что мощности, необхо­димые 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, холо­дильники и пр.). Поэтому в последние годы трубы кратковременного действия получают все большее распространение. Размеры рабочей части современных труб уже превосходят 1 м, а числа М, получаемые в них, достигают значений, равных 27. Освоение быстродействующей аппаратуры для измерения давле­ний 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. 2.3).

По первой схеме (рис. 2.3, а) труба состоит из компрессора 1, устройства для отделения воды, масла и осушки воздуха 2, ем­кости для сжатого воздуха 3, быстродействующего крана 4, подогревателя 5 и рабочего участка трубы, состоящего из коллек­тора 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. 2.3, б) воздух из атмосферы, пройдя осушитель 1, попадает в рабочий участок, состоящий из коллек­тора 2, сопла 3, собственно рабочей части 4 и диффузора 5. Впуск воздуха производится быстродействующим краном 6. Разрежение и вакуумной емкости 7 создается эксгаустером 8.

Рис. 2.3. Схемы основных типов труб кратковременного действия

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 к толщине стальной стенки шара сохраняется равным около 670.

Сопла и диффузоры могут иметь регулируемые горла. Быстро­действующие краны должны открываться в течение примерно секунды. В практике успешно применяются дроссельные кра­ны с резиновыми прокладками, приводимые в действие балло­нами сжатого воздуха. Для сни­жения потерь давления диаметры быстродействующих кранов должны быть достаточно боль­шими.

Наиболее громоздкой частью трубы являются осушающие устройства (особенно для вакуумных труб). В качестве погло­тителя влаги используется силикагель или активированный боксит (глинозем). Чтобы в рабочей части трубы не возникало конденсации паров воды, абсолютная влажность воздуха не должна превышать 0,01%. Ко­личество глинозема, необходи­мого для вакуумной трубы, можно определить из расчета 1000 кг глинозема на 13 500 кг воздуха, если при этом считать, что полезная концентрация слоя равна 2%, а абсолютная атмосфер­ная 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.

В эжекторной трубе так же, как и в баллонной, осушение воз­духа производится сжатием его при некоторой постоянной темпе­ратуре и последующим расширением.

На рис. 2.4 показана схема трубы эжекторного типа, в которой осуществлен почти замкнутый цикл. Трехступенчатый поршневой компрессор 1 имеет промежуточный и выходной холо­дильник 2. Воздух из компрессора, пройдя водоотделительную головку 3, попадает в ресивер 4, где окончательно охлаждается. Дросселирующий кран 5 служит для регулирования скорости. Поток 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 непродолжитель­ного периода запуска весь воздух в контуре трубы состоит из су­хого воздуха, поступающего из ресивера.