Экспериментальные измерения аэродинамических сил и моментов, действующих на обтекаемое тело, из опытов в аэродинамической трубе (1125748), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При данной плоской конфигурации полета эта сила лежит целиком в плоскости (х, у) и обладает проекцией Х на ось х (скорость), называемой силой сопротивления, н проекцией К на ось у, называемой подъемной силой, так чго (З.б) можно записать в виде: Р = Хе„+ Ге„ (3.7) Свойство силы сопротивления состоит в том„что она имеет днссяпатнвную природу„так нли иначе связанную с силами трения, н является всегда положительной: Х>0 (3.8) Возвращаясь к системе (3.5), укажем, во-вторых, что распределенная поверхностная сила создает механический момент относительно оси вращения крыла Для определения элементарного момента лМо относительно точки О, достаточно произвести векторное умножение радиус- вектора г„проведенного из точки О в точку приложения силы: с(г = г"(го)Ы~Ю.
В результате получается: (М, =[г, аФ~=[г, хДг,))Б Из этой формулы видно, что в случае обтекания симметричного относительно плоскости з = 0 крыла суммарный момент аэродинамических сил М, =фг, АЖ =М,,е, = М,(Е) (3.8) фактически направлен по оси з, перпендикулярной плоскости (х, у), и имеет некоторое конкретное значение, обеспечивающее равновесие. В авиации момент аэродинамических сил (3.8) принято называть «тангажем».
Итак, механическое взаимодействие крыла и потока сводится к тому, что к крылу оказывается приложенной система поверхностных сил с равнодействующей (З.б) и моментом (3.8). При этом из-за наяичия связей такая система сил не приводит к какому-либо перемещению крыла, так что оно оказывается в том же геометрическом положении, как и в случае отсутствия потока. Поэтому в ситуации с наличием потока (рнс.
4б) можно вновь записать условия механического равновесия, учитывающие теперь внешние по отношению к системе аэродинамические силы. Очевидно, по сравнению с (3.1), (3.2) условия равновесия модифицируются следующим обрезом: [тз+ + =<и.+д), т, =-х М„(и 8)+ М (Иа)+ Тгл+ М,(Г~ = 0 (3.10) Вычитая теперь из линейных уравнений (3.9), (3.10) уравнения (3.1), (3.2) и исключая тем самым учет сил тяжести, приходим к основным соотношениям метода: 71 Тз 7з +73 Тз х =-(т, -т,"), м„(г)= Ст,'-т,) (3.1 1) 4. Способ измерения енл реакпнй связей н устройство весового элемента Для того, чтобы найти аэродинамические воздействия, согласно (3.11), необходимо измерить силы реакций связей.
Очевидно, существует много разных способов их измерения, однако на данной установке силы измеряются при помощи весов рычажного типа. Чтобы ввести в схему подвесов (рис. 4) весы, рассмотрим для определенности, узел заделки стержня (2) с внешней опорой. Изначальная цель этого закрепления состояла в том, чтобы не давать возможности точке О перемешаться в вертикальном направлении. Ясно, что та же цель будет достигнута, если вместо непосредственной заделки установить на внешней опоре рычаг так, как изображено на рис. 5а. 72 которые дают линейную связь между непосредственно измеряемыми напрвкениями Т и аэродинамическими взаимодействиями Х, У, М Формулы (3.11) составляют основу метода измерения аэродинамических воздействий на крыло.
В связи с (3.11) заметим, что в правой части стоят непосредственно измеряемые реакции связей Т;, имеющие с точки зрения механики, упругую природу. В то же время левые части (3Л 1) вовсе не связаны с какими либо связями и зависят фактически лишь от взаимодействия модели и потока воздуха Именно на соотношении (3.11) и заключается методика измерения аэродинамических воздействий потока на крыло. Таким образом, экспериментальное определение аэролинамических воздействий на крыло проводится в два этапа.
На первой стадии прн выюпоченной трубе, согласно (3.1), (3.2), измеряются напряжения Т, о в связях, отвечающие нагрузке системы за счет силы тяжести. На второй стадии вюпочается пропеллер, создающий поток в трубе, и измеряются напряжения Т,, определяемые (3.9), (3.10). Данные этих двух экспериментов позволяют найти аэродинамические характеристики по формулам (3.11). Рис. 5. (а) Закрепление точки О относительно перемещения в вертикальном направлении, уточняющее крепление на рис. 4(а). (6). Показано образование из рычага рычажных весов, 1Π— ллнна левого плеча, 1 — равновесное положение груза с весом мл, Тз— приложенная внешняя сила.
Если на правом плече рычага сделать малый по сравнению с его ллнной зазор и разместить на ием свободно перемещающийся груз с известной массой иь то рычаг превращается в «примитивные» рычажные весы, преображенные на рис. 5(б). С помощью таких весов можно измерить силу Т~з, если переместитыруз в «равновесное» положение 1, когда конец правого рычага не имеет физического контакта с краями зазора, и поэтому на правое плечо в равновесном состоянии будет действовать лишь сила тяжести груза тл. Записав условие равновесия рычага в виде равенства моментов относительно опоры (О), получим соотношение: Тз'1,= л1, из которого следует, что при известных 1„а,л, длина 1 прямо пропорциональна измеряемой силе Тзо. На экспериментальной установке используется модифицированная версия примитивных весов, изображенных на рис.
5. Основная модификация состоит в том, что процедура «взвешиванию>, т.е. переход к равновесному состоянию, осуществляется автоматически при помощи так называемой следящей системы, которой снабжаются весы. 73 Эта система представляет собой электромотор с постоянным током, который укрепляется на той же опоре, что и рычаг. При этом учитывается такое свойство электромотора, как изменение направления вращения его ротора прн изменении направления электрического тока, проходящего через его обмотку. Длина ротора электромотора сопоставима с размахом правого плеча рычага на рис.
5, причем на ротор нарезается резьба с определенным шагом и на эту резьбу накручнвается соответствующая гайка с вилкой. Эта вилка связана с грузом весов и способна перемещать груз горизонтально вправо или влево в зависимости от направления вращения ротора, однако она не действует на груз в вертикальном направлении (передача вращательного движения в посгупательное). Принпипиальная схема весового элемента изображена на рис. 6.
ээ э Тх Рис. 6. Принципиальная схема весового элемента. М вЂ” электромотор постоянного токе, Б Б — источники питания тока с разными поляэсами, Р— ротор электромотора с нанесенной на него резьбой, С вЂ” электромеханический счетчик оборотов ротора пг — перемепмемый груз. При этом полюса батарей Б„Б подобраны так, что при замкнутой верхней цепи (коитакт с верхним краем зазора) груз «г перемещйется вправо, а прн замыкании нижней цепи — влево. Из схемы на рис. 6 ясно, 74 что при фиксированной силе Тз груз перейдет в конечном счете в равновесное состояние, в котором будут отсу>ствовать контакты правого плеча рычага с краями зазора. Результат измерения фиксируется при помощи электромеханического счетчика оборотов ротора электромотора («С» на рис. 6). Этот результат передается через электрический кабель на пульт управления установкой, где и выдается экспериментатору в виде печатного числа «и>», означающего, сколько оборотов совершается ротором электромотора для того, чтобы переместить груз л> из «нулевого», исходного положения «0» в равновесное для силы Тз .
Как видно из рис. 6, и» пропорционально расстоянию от «нулевого положения» до равновесного. Совокупность чисел ло — — ло(а) и фиксируется в «нулевой продувке». При запуске аэродинамической трубы в том же самом положении крыла с углом атаки а на левый рычаг весов, изображенных на рис. 6, будет действовать, вообще говоря, другая сила Тз . При этом весовой элемент отбалансирует зту силу Тз, и счетчик выдает показание «и» (оборотов) на пульт управления. Очевидно, что разность показаний (и — ло) пропорциональна разности сил Тз — Тз . О.
Тз — Тз =Й(л — по) (4.1) причем если размер зазора очень мал по сравнению с размахом правого рычага, то А в (4.1) практически не зависит от величины измеряемых сил и, «путем тарировкю>, задается для весового элемента в виде кон- кГ кретиого числа с размерностью [«1 = —. Силы здесь определяются в об т.н. «технической» системе едини», в которой 1 кг массы равен 1 кГ веса, т.е. 1 кГ= 1кг 9,8 — =9,8 ньютон.
с Таким образом, на рассмотренных весах измеряется значение (4.1), входящее в общее выражение для сил (3.11). Для того, чтобы определить другие слагаемые в (3.11), необходимо иметь в наличии достаточное количество весовых элементов, каждый из которых устроен по описанному выше принципу. Если вернуться к рис. 4, то экспериментальная схема определения аэродинамических сил и их момента с учетом измерительных устройств, будет выглядеть так, как показано на рис. 7. Рнс. 7 (а, б1. Установка весовых элементов лля измерения азродивамнческвх свя н нх момента В случае отсутствия потока определяются силы 1Т, 1, а при его наличии — силы 1Т,1, г = 1, 2, .
Изображен 1-о1 также блок Б, посредством которого горизонтальный поднес соединяется с внешней опорой. Если ввести индекс 1 = 1,2,3, соответствующий вертикальным подвесам на рис. 7, то очевидно, что при «нулевой продувке» с каждого из весовых элементов «Х, у, Мг в получатся данные н„, имеющие смысл количества оборотов соответствующего ротора электромотора, как это было объяснено выше. При наличии потока аэродинамические силы уравновешиваются реакциями связей, согласно (3.11). В результате с весов! = 1,2,3, показанных на рис.7, получатся показания и„имеюпще смысл числа оборотов соответствующих роторов, и именно эти показания фиксируются печатными устройствами на пульте управления всей установкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
