Задачи общего физико-механического практикума по аэромеханике (1125742)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имена М.В.ЛОМОНОСООВА ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ОБЩИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ПО АЭРОМЕХАНИКЕ Под редакцией академика РАН Г.Г.Черного Издательство Московского университета 2005 УДК 531.517.4 ББК 35.114 028 Авторы: Арафайлов С.И., Васильев В.А., Виноградов Ю.А., Измоденов В.В., Котелкин ВД., Некрасов И.В., Потапов В.С., Случановская З.П., Стронгин М.М.
Рецензент: доктор фю.-мат. наук, проф. Герценштейн С.Я. к.ф.-м.и., в.н.с. Сухоруков А.Н. Общий физико- механический практикум по аэромеханике /Под редакцией 028 академика РАН Г.Г.Черного. — М.: Изд-во Моск.ун-та, 2005.- 106 с. 1БВХ 5-211-06047-4 Пособие рассчитано на студентов старших курсов механикоматематнческого факультета, специализирующихся в области юучения аэромеханикн.
Пособие будет также полезно для студентов и преподавателей МАИ, Фюико-технического института н других блюких по тематике инстнтугов. УДК 531.517.4 ББК 35.114 1БВХ 5-21! -06047-4 © Московский государственный университет, 2005 ВВЕДЕНИЕ Помимо классических курсов лекции по ряду разделов математики и механики на механико-математическом факультете МГУ традиционно проводится физико-механические практикумы. Проведение подобных практических занятий чрезвычайно полезно для студентов. Фактически они знакомятся с новым для себя подходом к науке. На этих занятиях студент видит, например, что хорошая экспериментальная установка, на которой исследуются гидродинамические течения, ничем не хуже мощного компьютера, на котором проводится расчет подобных течений. Что на практике есть масса тонкостей, от которых существенно зависит и характер исследования и конечный результат.
И далеко не всегда все эти тонкости можно реально учесть при численном моделировании рассматриваемых явлений на ЭВМ. И вообще, одно дело - теоретически исследовать ударную волну и совсем другое дело - увидеть ударную волну. Кроме всего прочего хороший эксперимент — это прежде всего красиво! В целом, широкое знакомство с практикой способствует более глубокому усвоению основных курсов, формированию нового мышления и нового взгляда на научные исследования. Знакомство с настоящим экспериментом несомненно окажет большую практическую полдержку студентам в их будущей научной и научно-практической деятельности в самых разных сферах возможного применениа их интеялеки и полученного образования. 1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ, ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ И СКОРОСТЕЙ В ПОТОКЕ Некрасов И.В.
Аэродинамические трубы являются одним из основных методов экспериментального изучения взаимодействия воздуха нли газа с разнообразными естественными и искусственными объектами и сооружениями. 1.1. Аэродинамические трубы Аэродинамические трубы служат для создания потока воздуха или другого газа с постояннымн параметрами (давлениями, скоростями и температурами) в рабочей части трубы, где устанавливается объем для изучения, например, модель самолета. Возможность проведения аэродинамического эксперимента с моделями объектов и переноса этих результатов на натурные условия основывается на теории подобия 11]. В болъшинстве случаев в аэродинамических трубах натурные явления обрашшотся. Так, вместо поступательного движения тела в однородной неограниченной среде изучается обтекание неподвнжного тела равномерным потоком с той же скоростью. По принципу относительности Галилея-Ньютона механические явления в обоих случаях будут одинаковыми.
Здесь рассмотрим простейшие трубы малых скоростей, работающие в условиях практической несжимаемости воздуха при скоростях до 50-60 м/сек. Схемы таких труб показаны на рнс. 1.1.1. и 1.1.2. Рис. 1.1.1 Здесь 1 — рабочая часть, где помещается исследуемый объект, 2- конфузоры, называемые часто коллектором и соплом. 3 — диффузор, расширяющийся по течению, 4- вентилятор с мотором 5.
Труба прямого действия показана с закрытой рабочей частью, а замкнутая труба — с открытой рабочей частью. Рис. 1.1.2 Представление об изменениях величин скоростей и давлений в отдельных деталях прямоточной аэродинамической трубы, в частностях, в сечениях диффузора и конфузора, можно получить, предполагая течение вдоль трубы установившимся, несжимаемым и невязким. Тогда из уравнения неразрывности вдоль трубы получим р1З = солз11 (1.1.1) где $ — площадь поперечного сечения, а из интеграла Бернулли будем Р + — Р~ = солзгз 2 2 Теперь определим солзгз (рис.
1.1.1) вдоль линии тока, начинающейся в атмосфере, где 1'е = О, Р = Р„. Получим, пренебрегая потерями, всюду в трубе до сечения вентивпора Р+1 1'з=Р (1.1.3) 2 Следовательно, там, где Я больше, 1' будет меньше по (1.1.1), а по (1.1.2) там будет Р больше, например, вдоль диффузора. На рис. 1.1.1 пунктиром показана камера Эйфеля, названная в честь французского инженера, создателя Эйфелевой башни. Он впервые применил зту камеру для исследования воздействия ветрового потока на (1.1.2) элементы башни, поскольку такая камера позволяет сделать рабочую часть открытой.
Однако прошло более полувека, когда стало ясно, что классические аэродинамические трубы пригодны в основном для моделирования взаимодействия с телами безграничного воздушного потока. Для зданий, сооружений, транспорт находящихся на поверхности Земли, требуются совсем другие условия моделирования. Это связано с тем, что у поверхности Земли существует пограничный слой с высокой турбулентностью и большим градиентом скоростей. Многочисленные исследования показали, что аэродинамические характеристики тел в таком потоке значительно (а порой и качественно) отличаются от полученных в классических трубах. Поэтому, если главным достоинством классических труб считалась малая неоднородность потока и низкая турбулентность (менее 1%), то здесь перед конструкторами встала противоположная задача Были разработаны различные конструктивные решения этих так называемых метеорологических аэродинамических труб (МАТ) [2).
Простейшая схема МАТ похожа на рис. 1 1.1. Отличия состоят в следующем. После коллектора начинается длинная (более 20м) прямоугольная рабочая часть, заканчивающаяся решеткой — глушителем шума и камерой с вентилятором. На входе в рабочую часть устанавливаются турбулнзаторы, простейшим из которых является поперечная доска. Нижняя поверхность рабочей части делается шероховатой (например, с помощью гравия или искусственных элементов). При правнльно подобранных параметрах на расстоянии примерно 8м формируется по~раничный слой толщиной более метра с параметрами близкими к атмосферному. В частности, интенсивность турбулентности у нижней стенки превышает 20зь Здесь возникает вопрос о подобии. Для низкоскоростного потока из всех параметров подобия существенным остается только число РейиИ нольдса Ке = —, где и — скорость потока, И- характерный размер, вкинематическая вязкость. Для всех сколько нибудь практических задач подобие по числу Рейнольдса в воздухе не соблюдается.
Например, типичный размер крыла низкоскоростного самолета - 1О м, скорость -100 м!с, Ке. г — 10 м /с. Типичный размер модели - 2 м, скорость в трубе 3 2 -50 м/с, Ке г = 10 м Iс. Таким образом в лучшем случае эти числа от- 2 личаются на порядок. В трубах типа МАТ эти числа отличаются на два порядка и больше. Выход из этой ситуации заключается в следующем. Для хорошо обтекаемых тел типа крыла самолета аэродннамвческие характеристики мало зависят от числа Рейнольдса, поэтому точное подобие не требуется.
Для плохообтекаемых тел типа шара, цилиндра и т.п., обладающих кризисом сопротивления, когда, например, коэффициент сопротивления почти скачком изменяется в узком диапазоне скорости такое подобие необходимо. Существуют методы управления точкой отрыва из-за перемещения которой возникает скачок сопротивления, которые уменьшают эту проблему. И, наконец, для плохообтекаемых тел с острыми гранями, которые фиксируют точку отрыва потока, также существует большая зона чисел Рейнольдса (так называемая «зоиа автомодельностиь), где аэродинамические характеристики остаются постоянными. Однако при аэродинамическом эксперименте все эти положения требуют дополнительной проверки в каждом конкретном случае.
1.2. Измерение скоростей потока 1.2.1. Измерение скоростей потока возможно пугем наблюдения перемещения какой-либо метки: твердой взвешенной частицы, магнитной, электрической, тепловой или какой либо другой метки в течение определенного времени. Также возможно определение скорости по изменению частоты акустической или свеговой волны в связи с эффектом Допплера. Однако этн методы применяются в основном в специааьных лабораторных установках.
Привлекательность этих методов состоит в том, что оин являются прямыми, т.е. не требуют дополнительной калибровки измерительных приборов. Наибольшее развитие получает сейчас наблюдение за частипами (РРЧ вЂ” рагйс1е (шаве те1осппе~гу), где скорость пааучаот из школьной формулы как отношение нуги ко времеви. Также акпвно развивается лазер-допплеровская анемометром. Основным методом определения скорости в азромеханике остается косвенный способ, т.е. определение скорости по тому эффекту, который вызывает движущийся поток: измерение давления, изменение числа оборотов анемометра, охлаждение нити термоанемометра и т.п. Методы это типа являются косвенными, т.е. измерительные приборы требуют калибровки. 1.2.2.
Измерение малых скоростей Измерение малых скоростей от 0,5 до 40 м/с возможно с помощью различного рода анемометров. Анемометры измеряют скорость враще- ння осгь на которую насажена либо горизонтальная крыльчатка (маленький вентндатор) на горизонтальную ось, либо крестовина нз чашек на вертикальную ось. В последнем случае вогнутая часть чашки нз-за большего сопротивления движется по направлению потока.
Анемометры применяются, главным образом, для нзмерения скорости в больших помещениях (вентнляпнонных каналах нлн на наружном воздухе) при условии, что потребная точность невелика (3-5%), а другие способы оказываются хотя н более точными, но вместе с тем громоздкими. Эгн приборы требуют, как уже указывалось, калибровки, но нх достоинством является то, что калибровка является почти линейной зависимостью.
Дополнительное преимушество заключается в их чувствительности к перемене нагпгавления потока (меняется направление вращения). Такие свойства датчиков незаменимы при исследовании структуры отрывных зон за препятствиями, где поток в функции координаты может менять направление. 1.2.3. Измеренне скорости с помощью зондов — трубок Основным способом определения скорости в аэродинамическом эксперименте является определение скорости по разности давленнй.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
