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 не замкнутым 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 [Центральный аэрогидродинамический институт];

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 их низкий к. п. д., 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 [научно-исследовательский институт] получили замкнутые трубы с одним обратным каналом (рис. 2.1, в) и открытой или закрытой рабочей частью. Основными элементами таких труб являются конфузор (или коллектор) Е, рабочая часть А, диффузор Б, винто-моторная группа В, поворотные колена Г и обратный канал Д (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 [расширение в виде воронки] 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

Дата добавления: 2015-08-10