Назначение и устройство аэродинамической трубы

Большинство задач экспериментальной механики жидкости и газа связано с изучением движения тел с некоторой скоростью в неподвижной на бесконечно большом удалении от тел среде (движение судна, движение крыла самолета и т.п.). Если ко всем частицам жидкости и точкам тела добавить такую же по величине, но противоположную по направлению скорость – , то движение обращается и имеем задачу обтекания неподвижного теперь тела однородным потоком жидкости или газа со скоростью на бесконечности, называемую также скоростью набегающего или невозмущенного потока. Во многих случаях удобнее экспериментально исследовать именно такое движение.

Обращенное движение изучается в специальных устройствах – аэродинамических или гидродинамических трубах. Исследуемое тело располагают в рабочем участке трубы и затем перед ним создают равномерный, прямолинейный, установившийся поток жидкости или газа с постоянной скоростью.

Схема простейшей аэродинамической трубы малых скоростей, используемой для проведения лабораторных работ, представлена на рис. 1.1.

Неподвижный воздух засасывается из помещения лаборатории вентилятором 12, установленным на выходе из трубы, и поступает в сопло 2. Сопло ускоряет поток и создает на входе в рабочий участок однородное поле скоростей (V ₀»20 м/с). В закрытом рабочем участке 4 прямоугольного поперечного сечения для испытаний устанавливаются обтекаемые тела: крыловые профили, пластины и т.д. Диффузор 9 преобразует кинетическую энергию выходящего из рабочего участка потока в энергию давления, уменьшая потери энергии в трубе. Для предотвращения отрыва потока в диффузоре по его длине установлены три сетки 7.

К рабочему участку и потоку в нём предъявляются следующие требования:

1. Однородность.

2. Малое изменение распределений скоростей и давлений по длине рабочего участка.

3. Низкая турбулентность набегающего потока.

4. Стационарность.

5. Границы рабочего участка не должны существенно влиять на обтекание тел, что требует применения рабочих участков, размеры которых велики по сравнению с размерами обтекаемых тел.

Рис. 1.1. Схема аэродинамической трубы (размеры в мм): 1–устройство визуализации потока; 2–сопло; 3–отверстие отбора статического давления Æ0,8 мм; 4–рабочий участок; 5–экспериментальный профиль; 6–микроманометр для измерения падения давления на сопле; 7–сетка; 8–барометр; 9–диффузор; 10–пускатель; 11–регулятор скорости потока; 12–вентилятор; 13–защитная решетка; 14–термометр

2. Измерение параметров потока и контрольно­‑измерительные приборы

При вычислении давлений в потоке сжимаемого воздуха с некоторой погрешностью можно пренебрегать изменением плотности и пользоваться уравнением Бернулли для несжимаемой жидкости. Погрешность уменьшается с уменьшением числа Маха М= V ₀/ a, представляющего собой отношение скорости жидкости V ₀ к скорости звука a. При скорости V ₀=68 м/с и a =340 м/с число М=0,2 и, как показывают расчеты, погрешности вычисления давлений и плотностей не превышают 1 и 2% соответственно. В данной аэродинамической трубе, где V ₀<40 м/с, указанные погрешности будут еще меньшими.

Температура воздуха t в градусах Цельсия измеряется термометром 14. Абсолютная температура в градусах Кельвина:

T =(273+ t) K (1.1)

Атмосферное давление p _ат в Па определяется по барометру.

Плотность r в кг/м³ вычисляется по уравнению состояния идеальных газов

r= p / RT, (1.2)

где p = p _ат – абсолютное давление воздуха, Па; R =287,14 Дж/кг×К– газовая постоянная воздуха.

Динамическая вязкость воздуха m при умеренных давлениях не зависит от давления и увеличивается с ростом температуры t. Эта зависимость показана на рис. 1.2. (Единицей динамической вязкости в системе СИ является 1 паскаль–секунда=1 кг/м×с=1 Па×с).

Избыточные давления или вакуумы измеряются чашечными микроманометрами с наклонной трубкой (рис.1.3).

Избыточное давление или вакуум в Па равны:

p _и= - p _в=r_р glK, (1.3)

где K =sin a – постоянная микроманометра;

a– угол наклона трубки микроманометра к горизонту;

r_р= 790 кг/м³ – плотность рабочей жидкости микроманометра;

g =9.81 м/с² – ускорение свободного падения;

l – отсчет по шкале микроманометра, м.

С уменьшением угла a точность измерения заданного давления возрастает, так как при этом увеличивается l.

Скорость набегающего потока V ₀ в м/с в рабочем участке находим по падению давления на сопле. Составим уравнение Бернулли для двух точек линии тока, показанной на рис. 1.1. Одну точку выберем на удалении от сопла в помещении лаборатории, где давление равно атмосферному p _ат, а скорость равна нулю. Другую точку – на входе в рабочий участок, где давление p ₀, а скорость V ₀. Уравнение Бернулли примет вид:

p _ат= p ₀+ r V ₀²/2+ z r V ₀²/2,

где r– плотность воздуха;

z– коэффициент потерь энергии.

Из этого уравнения получаем

,

где D p ₀= p _ат- p ₀ – падение давления на сопле. Измерения показали, что с погрешностью не более 0.5% можно принять z=0. Так как в соответствии с (1.3) D p ₀=r_р gl ₀ K ₀, то

(1.4)

и r V ₀²/2=r_р gl ₀ K ₀ (1.5)