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.

Рис. 2.4. Труба эжекторного типа

На рис. 2.5 приведены кривые изменения отношения мощности трубы непрерывного действия (к. п. д. компрессора — 80%) к мощности труб кратковременного действия в зависимости от числа М, работающих 60 с/ч при равных числах М.

Видно, что для всех чисел М потребная мощность труб непре­рывного действия больше, чем для труб кратковременного действия. При М = 4,5 вакуумные трубы требуют мощность в 15 раз меньшую мощности труб непрерывного действия. При М > 2,5 вакуумные трубы значительно выгоднее баллонных труб давления, а при М < 2,5 — первые менее выгодны, чем вторые.

Рис. 2.5. Отношение потребных мощностей для труб

непрерывного и кратковременного действия:

1 – привод от сжатого воздуха; 2 – вакуумный привод

1. Ударные трубы

Для изучения движений при больших числах М в последние годы широкое применение получили ударные трубы различных конструкций. Они использовались для изучения про­цессов возникновения ударных волн, отражения и преломления их, процессов детонации в горючих газах, для изучения явлений конденсации и поведения газов при высокой температуре. Ударные трубы могут также применяться для исследования ряда нестационарных явлений в машинах, изучения гашения возмуще­ний при электрических разрядах, распространения взрывных волн в горных разработках, при изучении действия взрывных волн на элементы конструкций машин и сооружений.

Устройство ударной трубы очень несложно. Обычно она представляет собой трубу (рис. 2.6, а), чаще всего прямоуголь­ного сечения, разделенную перегородкой (диафрагмой) на две неравные части: меньшую — камеру высокого давления и боль­шую — камеру низкого давления.

Площадь поперечного сечения современных труб меняется в широком диапазоне — от нескольких квадратных сантиметров до квадратного метра и даже больше. Длина труб достигает десяти и более метров. Для изготовления корпуса трубы при высоких давлениях используются достаточно прочные материалы, чаще всего сталь. Разделяющая трубу диафрагма изготовляется обычно из фольги, тонких металлических пластин и т. п. В некоторых случаях (при получении ударных волн малой интенсивности) в качестве диафрагмы можно применять фотопленку и даже кальку.

Рис. 2.6. Схема ударной трубы и изменение основных параметров потока

Присоединяемый к камере низкого давления бак играет вспо­могательную роль и служит главным образом для гашения звука, возникающего при разрыве диафрагмы.

Для «запуска» трубы в камеру высокого давления подают газ под большим (часто до нескольких десятков атмосфер) давлением либо создают в ней резкое повышение давления за счет взрыва какой-либо горючей смеси или мощного электрического разряда. При этом в камере низкого давления оставляют нормальное дав­ление или даже создают некоторое разрежение.

Под действием созданного высокого давления или каким-либо другим способом диафрагма разрывается, и по трубе низкого дав­ления распространяется волна сжатия, которая, быстро увеличи­вая свою крутизну, превращается в ударную волну. Ударная волна, бегущая по частицам невозмущенного газа в камере низ­кого давления, создает за собой спутный поток газа, имеющий вполне определенную скорость (но меньшую, чем скорость самой волны).

Вслед за частицами газа, находившегося до разрыва диафрагмы в камере низкого давления, в спутном потоке движутся частицы газа из камеры высокого давления. Перемещающаяся поверх­ность, разделяющая в процессе движения частицы этих газов, называется контактной поверхностью. Передвижение частиц газа из камеры высокого давления приводит к возникновению непре­рывной системы волн разрежения, в которой происходит плавное изменение давления от давления в спутном потоке до давления в невозмущенной еще движением части камеры высокого дав­ления.

Таким образом, всю длину трубы в некоторый произвольный момент времени t можно разделить на пять участков (рис. 2.6).

Первый — камера низкого давления до распространяющейся в ней ударной волны. В этой области все параметры газа остались такими же, как и до разрыва диафрагмы.

Второй участок занимает область от ударной волны до кон­тактной поверхности. В этой области скорость движения частиц, давление и температура, возросшие в ударной волне, а также и число М остаются постоянными.

Третий участок расположен между контактной поверхностью и началом области разрежения. Сравнивая значения параметров газа на этом участке с их значениями во втором участке, можно установить, что давление и скорость имеют такие же величины, температура резко падает, а число М возрастает.

Четвертый участок — это область, в которой происходит рас­ширение газа. Здесь давление, плотность и температура падают (от их значений в камере высокого давления), а скорость и число М растут от нуля до соответствующих величин в третьем участке. Наконец, в камере высокого давления будет еще область невоз­мущенного газа — пятый участок, в котором все параметры газа останутся такими же, какими они были до разрыва диафрагмы. Характер изменения параметров газа по всем участкам трубы в момент времени t показан на рис. 2.6, б—е.

Весь процесс, происходящий в трубе, удобно представить в координатной системе х—t. На рис. 2.6, ж приведен процесс перемещения границ указанных выше участков от момента раз­рыва диафрагмы (t = 0) со временем t. Такие диаграммы широко используются для изучения одномерных движений газа. Для каж­дого момента времени , пользуясь этой диаграммой, можно найти ширину каждого участка трубы, а для каждой точки трубы за диафрагмой вправо можно найти момент времени про­хождения ударной волны t₁, контактной поверхности t₂ и начала четвертого участка t₃. Очевидно, что разность опре­деляет время, в течение которого участок 2 проходит точку трубы с координатой , а разность — время про­хождения третьего участка.

Весьма широкое распространение получили ударные трубы переменного сечения, а также трубы, разделенные на три и более камеры.

Вопросы для контроля

1. Назовите три группы гидроаэродинамических задач, встречающихся в практике, приведите примеры для каждой из них.

2. Какие существуют методы аэродинамического эксперимента (4 метода)?

3. Какие два основные вида аэродинамических труб существуют? Назовите достоинства и недостатки каждого из них.

4. Какова цель обычных аэродинамических труб? Каким образом она достигается?

5. Какие классификации аэродинамических труб постоянного действия существуют? (Перечислить все, про один – по заданию преподавателя – рассказать подробнее).

6. Расскажите, какие типы труб изображены на рис. 2.1.

7. В чем заключается геометрическое / кинематическое / динамическое подобие? Запишите и поясните формулу числа Рейнольдса.

8. Как соблюдаются требования геометрического / кинематического / динамического подобия в аэродинамических трубах постоянного действия?

9. Какими способами можно увеличить число Рейнольдса в аэродинамических трубах?

10. Рассказать устройство аэродинамической трубы, изображенной на рис. 2.2.

11. Для чего применяется величина качества трубы? Чему она равна? Что такое λ?

12. Чему равна величина качества трубы с учетом потерь в трубе?

13. Чему на практике может быть равна величина качества трубы?

14. Объясните устройство основных типов аэродинамических труб кратковременного действия, используя рис. 3.

15. Из чего состоит рабочий участок аэродинамической трубы кратковременного действия?

16. Расскажите о быстродействующих кранах аэродинамических труб кратковременного действия.

17. Расскажите об осушающих устройствах аэродинамических труб кратковременного действия.

18. Рассказать устройство аэродинамической трубы, изображенной на рис. 2.4.

19. Объясните графики, изображенные на рис. 2.5.

20. Для чего применяются ударные трубы? Каково их устройство?

21. Расскажите принцип действия ударных труб.

22. Какие пять участков возникают при движении ударной волны в аэродинамической трубе?

Дата добавления: 2015-08-10