Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Во время схлопывания образуется ударная волна, сопровождающаяся резким повышением температуры и давления газа, содержащегося в полости пузырька. Оценки н измерения показывают, что в окружении пузырька перепад температур и давлений может быть соответственно 500 + 800' С и 4000 атм. Сам газ, находящийся в полости пузырька, под влиянием скачка уплотнения может испускать слабое видимое излучение.
При обтекании тел достаточно скоростными потоками жидкости ( 40 ег 50 м/с), в местах наибольшей скорости образуется пониженное давление, и это может вызвать местное кипение в жидкости, сопровождающееся ростом и последующим схлопыванием пузырьков. Это явление в гидродинамике называют кавнтацией.
Заметим, что беспримесная жидкость, очищенная от микроскопических пузырьков, может выдерживать отрицательные давления (всестороннее растяжение без разрыва сплошности среды) порядка 10з атм. Реальные же жидкости, содержащие мельчайшие газовые пузырьки, способны выдерживать отрицательные давления лишь в несколько десятков атм.
Кавитация в быстротекущей жидкости может вести к образованию больших полостей (каверн) в местах пониженного давления и их «самоликвидации» в местах повышенного давления. Кавитация изменяет характер течения н вызывает уменьшение подъемной силы и рост сопротивления подводных крыльев высокоскоростных судов.
Конструкционный материал гребных винтов, лопастей водяных турбин и скоростных насосов благодаря кавитацни подвергается эрозии и разрушению. При количественном изучении кавитации можно исходить из уравнения Бернулли 115 Э 13. Кавитация в жидкоапи Легко оценить величину силы сопротивления Рл, связанную с возникновением кавитационной каверны с площадью поперечного сечения 5л.
Если воспользоваться полученным нами ранее общим соотношением Р=Сро 5, то для кавитационного коэффициента сопротивления можно написать Рв (13.2) ритва Если теперь заметить, что в (13.1) (Р— Р„р) Ра/Ял, то (13.2) перепишется в виде Св =йи, где й зависит от типа течения н принимает значения й = тг/4 для плоских течений и й = 0,9 лг 0,95 для осесимметричных течений. Явления кавнтации могут искусственно создаваться тем или иным способом, например, путем подачи в область разрежения около тела какого-либо газа. Это делается для того, чтобы в гидродинамических трубах моделирование явления кавитации производить не при скоростях потока >50 м/с, как это бывает в натурных условиях, а при скоростях лишь в несколько и/с.
При таком моделировании, необходимо, чтобы искусственные и естественные каверны существовали при одинаковых числах кавитации 'и 'е1. нб для полного подобия несблодимо также равенство чисел Реанолвдса Ке и ряда других. Модель Ту-144 в большой аэродинамической трубе ЦАГИ (с открытой рабочей частью). Модель установлена на аэродинамических весах, позволяющих вести измерения сил и моментов сил, воздействующих на обтекаемое тело при эволюциях его положения.
У вентиляторов трубы показана фигура человека в белом халате. Это позволяет оценить масштабы установки в 14. Моделирование и ооьнп 14.1. Аэродинамические н плазменные трубы Основные представления теории подобия и моделирования явлений в гидродинамике были изложены в з 6.1. При движении тел в среде при больших числах Рейнольдса (см. з6.3), например, для силы сопротивления имеет место связь Р=Сре Ь, (14, 1) где р — плотность среды, Ь вЂ” характерные размеры тела, е — скорость его движения, С вЂ” безразмерный коэффициент, зависящий от формы тела. При этом коэффициент сопротивления С может быть лишь функцией безразмерного числа Рейнольдса С = Г(Ке).
(14,2) Напомним, что число Рейнольдса есть безразмерная комбинация р, е, Ь и коэффициента вязкости т), а именно реЬ Ке = —. (14. 3) Выражение (!4.1) было получено из соображений размерности, причем никаких указаний о численном значении коэффициента пропорциональности С зтн соображения, естественно, дать не могли. Сама функция (14.2) может быть определена из эксперимента по продувке модели тела в аэродинамической трубе. Функция (14.2) не универсальна и для каждого тела, определенной геометрической формы, она своя, Например, для неограниченного цилиндра с круговым сечением эта функция представлена на рис. 14,1. Из этого рисунка видно, что эмпирическая функция С = у(Ке) весьма сложна и ее ход отражает изменение характера обтекания тела с ростом числа Ке (см.
З 6.3 и рис. 6.1а, б, в). Как была получена кривая рис.!4.1? Экспериментаторы брали круговой цилиндр определенного радиуса 22 и достаточно большого удлинения. Э 14. Иоделорованое и опыю С 3 1О Ю 10 Ю Ю 1О 10 Рис.14.1. Коэффициент сопротивления С кругового цилиндра как функция числа Рейнольдса Ке Помещали это тело в определенную среду (с данной плопюстью р и вязкостью т1) и создавали течение этой среды, меняя значение ее скорости о. При этом изменение числа Рейнольдса р1с Ке = — о =сопзг о г1 сводилось к изменению скорости о потока среды. Само значение коэффициента С определялось из (14.1): Р Р ряэог сопвг. 62 и требовалось измерять лишь силу сопротивления Р. Экспериментально найденная функция С = 1(Ке ) применима для любых круговых цилиндров (геометрически подобной формы с исходным телом) при их движении в любых непрерывных средах, которые могут характеризоваться плотностью и вязкостью.
При этом ставить каждый раз новый эксперимент в гидродинамнческом канале или аэродинамиче: ской трубе уже не требуется, Теперь аэродинамические характеристики .'натурных объектов рассмотренной формы могут быть получены чисто 1 расчетным путем. Однако, чтобы переносить результаты, полученные при испытании ' модели в аэродинамической трубе, на натурные летательные аппараты, :.
необходимо обеспечить равенство чисел Рейнольдса для модели и натуры )П(см. эб.1) Ке„= Ке„, 11В э 14. Иодепирование и опыт или Рмим2м РнинЕн (14.4) г1м чн Поскольку размеры модели много меньше размеров натурных объектов Ь„(( Ь„, то для сохранения равенства (14.4) обычно повышают плотность воздуха в аэродинамической трубе рм » рн Последнее неравенство, согласно уравнению состояния идеальных газов Р = — ЯТ, Р р означает, что давление воздуха в аэродинамическом эксперименте должно быть значительно выше его давления в естественных условиях полета. К счастью, коэффициент вязкости и в газе не зависит от давления (см.
конец 9 5.4), т. е. г1м — чн. Что касается скоростей газовых потоков в эксперименте и скоростей полета натурных объектов, то они должны быть одинаковы ом он1 ибо в общем случае (при больших скоростях) мы обязаны учитывать сжимаемость воздуха, т. е. обеспечивать равенство чисел Маха Ма =— (14. 5) с, для модели и натуры. В дополнительный критерий подобия (14.5) входит с, — скорость звука, которая в газе не зависит от давления (см. э" 11.2).
Что же представляют собой аэродинамические трубы? Обычно это замкнутый воздушный канал переменного сечения, в котором искусственно создается высокоскоростной газовый поток. Для дозвуковых скоростей иногда строят натурные аэродинамические трубы, имеющие огромные размеры.
Мощности воздушных вентиляторов таких труб достигают значений 200 тыс. кВт н более. В них могут испытываться натурные объекты, поэтому рабочая часть трубы делается открытой. Ибо, согласно проведенному выше количественному анализу, при равенстве размеров модели и натуры, давление в трубе может быть атмосферным. Фотография рабочей части дозвуковой аэродинамической трубы представлена на фото-заставке к этому параграфу. Для сравнения на фотографии внизу у вентиляторов показана фигура человека в белом халате. Испытуемый объект установлен на аэродинамических весах. Последние позволяют измерять силовые нагрузки, действующие на объект со стороны потока воздуха.
С помощью аэродинамических весов может быть определена управляемость и устойчивость летательного аппарата, его поведение на режимах взлета и посадки. э 14. Иоделорояоное и опыт Сверхзвуковые аэродинамические трубы непрерывного действия делаются с закрытой рабочей частью (см. рис. 14.2). В таких трубах могут испытываться лишь модели, а значит, в самих замкнутых герметичных трубах должно поддерживаться высокое давление газа. Сверхзвуковой поток воздуха в каналах трубы создается многоступенчатым осевым компрессором. 6 7 Рне.!4.2. Схема замкнутой аэродинамической трубы: з — форкамера, 2 — теплообменнин для охлаждения рабочего газа, 3 — сопло, 4 — модель в рабочей части, 5— диффузор, б — лопатки, изменяющие направление движения газа, 7 — компрессор, 8— обратный канал, 9 — электромотор В работе сверхзвуковых аэродинамических труб имеется ряд осложняюгцих обстоятельств.
А именно, благодаря трению о стенки трубы и работе газодинамического компрессора, воздух нагревается и его необходийго непрерывно охлаждать. Кроме того, аэродинамический эксперимент в трубе требует воздуха, практически лишенного влаги. Ибо при прохождении через сопло Лаваля, перед рабочей частью трубы, воздух испытывает алиабатическое расширение и резкое охлаждение, что ведет к конденсации водяных паров и непредвиденному изменению состояния газа. Очень важной задачей при созданий аэродинамических труб является воспроизведение в рабочей части трубы однородного поля скоростей, ;давлений и температур в газовом потоке.
Стенки трубы турбулизуют поток Воздуха; ударные волны, возникаюшие на модели при сверхзвуковом обтекании, испытывают отражение от стенок трубы и искажают поток, для обеспечения достоверности аэродинамического эксперимента все этн мешаюшие факторы необходимо устранять. Гиперзвуковые аэродинамические трубы позволяют исследовать картину обтекания тел воздушным потоком при числах Маха Ма > 5, т. е. при скоростях потока о > 1,65 км/с. В таких трубах газовый поток создается за счет разности давлений в форкамере и рабочей части. Большая батарея баллонов нагнетается до давлений 300 зь 500 атм, а рабочая часть трубы соединяется с вакуумной емкостью (газгольдером), в которой 120 я 14.
Моделирование и опыт поддерживается вакуум в 10 з —: 1О з атм. Ясно, что такого рода труба будет работать кратковременно. Время ее действия зависит от массы запасенного в баллонах воздуха (обычно оно измеряется несколькими минутами). В гиперзвуковых аэродинамических трубах, например, для получения газового потока с числом Маха Ма = 8, необходимо обеспечить отношение давлений в форкамере и рабочей части Ре/Р,„104. Абсолютные значения давлений при этом: в форкамере 50 атм, в рабочей части — 10 з атм.
Соответствующее отношение температур газового потока, после прохожления сопла, будет Те/Т,„= 14. Если в форкамере трубы температура воздуха Те — — 288 К (15' С), то в рабочей части она падает до Т,„= 21 К. Это приведет к сжижению (конденсации) практически всех компонент воздуха. Чтобы этого избежать, в конструкцию гиперзвуковых аэродинамических труб вводят подогреватели, прн этом воздух нагревают до температур - 1500 С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
