Методы экспериментального определения аэродинамических сил и моментов

1. Определение аэродинамических сил и моментов по распределению напряжений.

Аэродинамическая сила и момент, по определению, представляют собой главный вектор и главный момент для аэродинамических нагрузок, распределенных по поверхности тела. Поэтому, если из опыта или расчета известно распределение напряжений по поверхности, то сила и момент вычисляются путем интегрирования.

Пусть известно распределение давления p и касательных напряжений t по поверхности обтекаемого тела при некоторых значениях углов атаки a и скольжения b. На выделенную на поверхности тела площадку dS (рис.14) действуют нормальная сила от избыточного давления и касательная к площадке сила t dS. Спроецируем эти силы на оси поточной системы координат и для получения суммарных сил проинтегрируем по всей поверхности S. Получим формулы для сил лобового сопротивления, подъемной и боковой.

Приведем интегралы, входящие в эти формулы, к безразмерному виду с помощью коэффициента давления , местного коэффициента трения и характерной площади: допустим площади миделя :

(14)

Интегралы в формулах (14) - безразмерные величины, учитывающие влияние на аэродинамические силы характера обтекания тела заданной геометрической формы и распределения безразмерных коэффициентов давления и трения. В соответствии с формулами (1) они представляют собой коэффициенты аэродинамических сил . Например и т.д.

2. Определение аэродинамической силы методом импульсов

В этом методе непосредственно измеряются лишь скорости и давления в окружающей тело среде, а силы и моменты, действующие на тело, вычисляются по теореме импульсов или по теореме о моменте импульса. Этот метод может быть применим и в лабораторной практике, и при летных испытаниях.

Суть метода заключается в том, что в жидкости "проводят" контрольную поверхность, внутри которой находится обтекаемое тело, и, предполагая ее неподвижной, подсчитывают количество движения, протекающее сквозь эту поверхность в единицу времени. Для упрощения расчетов контрольную поверхность выбирают в форме параллелепипеда, передняя и задняя грани которого перпендикуляры вектору , а верхняя и нижняя - параллельны потоку.

На передней поверхности и . На плоскостях, параллельных , при в передней части струйки раздвигаются перед телом (скорости направлены наружу), а в задней части струйки смыкаются (скорости направлены внутрь выделенного объема). Для упрощения вычислений удобно эти поверхности отодвинуть бесконечно далеко от тела. Тогда протекающие через них количества движения становятся равными нулю. Это позволяет перейти к контрольной поверхности, состоящей только из двух бесконечных плоскостей, перпендикулярных . Тогда выражение для главной аэродинамической силы можно представить в виде:

.

3. Баллистический метод

Он состоит в том, что испытываемая модель выстреливается (обычно с помощью ракеты) в атмосферу и затем ее движение фиксируется с помощью кино- телекамер. Модель фотографируют с двух или трех точек и таким образом определяют траекторию ее движения. Фиксация движения модели в атмосфере позволяет судить о том, как она реагирует на отклонение рулей, элеронов и т.п., управление которыми производится по каналам телеметрии. Баллистический метод особенно удобен для изучения аэродинамических сил и моментов при движении с переменной линейной и угловой скоростями, в частности при криволинейном движении. Он пригоден также для изучения устойчивости и управляемости модели ЛА.

4. Динамометрический метод определения аэродинамических сил и моментов. Аэродинамические весы.

Динамометрический метод определения аэродинамических сил и моментов состоит в их измерении с помощью системы динамометров, на которых крепится испытываемая модель. Система динамометров вместе с креплением модели называется аэродинамическими весами.

Этот метод позволяет непосредственно наиболее быстро и достаточно легко определить аэродинамические силы и моменты. Его недостаток заключается в том, что система подвески модели создает дополнительное сопротивление и вносит искажения в поток и в результаты измерения сил и моментов. Влияние системы подвески приходится учитывать с помощью дополнительных опытов. Тип и конструкция весов зависит от типа трубы и проводимых в ней экспериментов. Для труб малых скоростей и сравнительно небольших размеров применяют простейшие весы механического типа, которые представляют собой металлическую раму, на которой смонтировано весовое устройство для измерения сил и моментов. Модель соединяется с весовым устройством при помощи комбинации проволочных или тросовых расчалок, или же при помощи стоек или державок. Весы с механическими весовыми элементами позволяют определять аэродинамические усилия с точностью до 0,1%.

Аэродинамические весы различаются по числу измеряемых компонентов. В зависимости от характера решаемой задачи их число может изменяться от одного до шести. При изучении обтекания осесимметричных и симметричных относительно вертикальной плоскости моделей (при нулевом угле скольжения) применяют одно-, двух- и трехкомпонентные весы для измерения силы лобового сопротивления, подъемной силы и момента тангажа. Основным требованием к многокомпонентным весам является независимость измерений по разным каналам, то есть чтобы каждый весовой элемент измерял только требуемую составляющую силы или момента и не реагировал на действия других составляющих.

Различают внешние и внутренние весы. У внешних весов измерительные элементы располагаются вне модели, а у внутренних – внутри модели или устройства, поддерживающего эту модель в рабочей части трубы. Аэродинамические весы измеряют компоненты аэродинамической силы и момента в заранее выбранной системе координат. Внешние весы позволяют непосредственно измерить величины составляющих аэродинамической силы и момента в скоростной (или поточной) системе координат. Внутримодельные весы – в связанной системе координат.

Основными узлами, встречающимися во всех конструкциях аэродинамических весов являются:

1) поддерживающее устройство, присоединяющее модель к весам;

2) система разложения воспринимаемых моделью сил и моментов на их составляющие (компоненты) по осям координат;

3) весовые элементы для отсчета измеряемых величин;

4) механизмы изменения углов атаки и скольжения.

По способу присоединения модели к весам различают весы с гибкой (проволочной или ленточной) подвеской и весы с жестким креплением модели. Весы с гибкой подвеской в основном используются в АДТ малых скоростей. В сверхзвуковых АДТ модели крепят чаще всего при помощи жестких хвостовых державок.

Системы разложения сил в аэродинамических весах можно разделить на три основных типа: рычажные системы, гидравлические (пневматические) системы и системы, основанные на деформации упругих элементов.

В качестве весовых элементов применяют самые разнообразные динамометрические устройства. В старых конструкциях - коромысловые весы с ручным уравновешиванием или циферблатные весы. Современные АДТ оборудуются автоматическими устройствами уравновешивания и ЭВМ, управляющими этими устройствами, обрабатывающими измеряемые данные и выдающими окончательные значения аэродинамических коэффициентов в темпе эксперимента в табличной или графической форме. В настоящее время в практике весовых измерений широкое распространение имеют аэродинамические весы, у которых в качестве весовых элементов применяются тензометрические датчики. Принцип работы таких датчиков основан на преобразовании деформации упругого элемента, вызванного аэродинамической силой, в изменение электрического сопротивления. По измеренной величине изменения электрического сопротивления можно определить соответствующую аэродинамическую силу. Конструктивно упругие элементы выполнены так, что они имеют наименьшую жесткость относительно одной из осей. При приложении нагрузки вдоль этой оси возникает наибольшая деформация этого элемента. В других направлениях жесткость элемента значительно больше. Аэродинамические весы с тензометрическими элементами позволяют измерить силы и моменты с точностью до 1%.

Дата добавления: 2015-08-10