Аэродинамически трубы, измерение давления и скоростей в потоке (Раздаточный материал)

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 обращаются. 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 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 ~, = 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) 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. 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~раиичный слой толщиной более метра с параметрами близкими к атмосферному. В частности, интенсивность турбулентности у нижней стенки превышает 20Фь 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 lс. 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 ие 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 «зона автомодельностнь), 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 часпщы, 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 эти методы применяются в основном в специавьных лабораторных установках. Привлекательность этих методов состоит в том, что оии являются прямыми, т.е. не требуют дополнительной калибровки измерительных приборов. Наибольшее развитие получает сейчас наблюдение за частипами (РРЧ вЂ” рагйс1е 1шаце те1осппе~гу), где скорость паяучаот 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. Наиболее часго в прытнке аэродинамических измерений давлений н скоростей прнменякпся зонды — трубки различной формы (3) с измерительными трубкамн, соединенными с измерителями давления.

Наиболее употребительные формы зондов показаны на рис.1.2.3. Ч Р В Чсэ~ ) Р'Ч Рнс. 1.23. 2 (Р» Р Р (1.2.3.2) Следовательно, зоил позволяет определить г~, если им точно измеряется р,, так как всякое отверстие (а, б, в на рис.1.2.3) обращенное перпендикулярно к потоку своей плоскостью и присоединенное подводящей трубкой к манометру измеряет полное давление Р„точно.

Такие условия обеспечиваются трубкой Пито (рис.!.2.3 а), измеряющей р„, и от- верстием в стенке, измеряющем р „, если стенки канала плоские н параллельные потоку, а отверстие расположено в одном сечении с носиком трубки Пито и перпендикулярно к поверхности стенки. Здесь стенки являются граничными линиями (поверхностями тока), течение прямолинейно и статическое давление по сечению постоянно. Трубка ПитоПрандтля (рис.!.2.3 б) также точно измеряет давление р „, будучи ориентированной по прямолинейной линии (трубка) тока, т.е. трубка ПитоПрандтля лает возможность определить в малой области те Г,Р,, которые там были до нее (точнее см. 131).