Аэродинамические трубы — это машины, в которых объекты удерживаются неподвижно внутри трубы, а воздух продувается вокруг нее для изучения взаимодействия между объектом и движущимся воздухом. Они используются для проверки аэродинамических эффектов самолетов , ракет , автомобилей и зданий . Различные аэродинамические трубы имеют размер от менее фута в поперечнике до более 100 футов (30 м) и могут иметь воздух, движущийся со скоростью от легкого бриза до гиперзвуковых скоростей.
Обычно большие вентиляторы перемещают воздух через аэродинамическую трубу, в то время как испытываемый объект удерживается неподвижно. Объектом может быть объект аэродинамических испытаний, такой как цилиндр или аэродинамический профиль, отдельный компонент самолета, небольшая модель транспортного средства или, в самых больших туннелях, даже полноразмерное транспортное средство. В ходе этих испытаний могут быть получены различные измерения. Можно измерить аэродинамические силы, действующие на весь объект или на отдельные его компоненты. Давление воздуха в разных точках можно измерить с помощью датчиков. Дым можно ввести в воздушный поток, чтобы показать путь, который воздух проходит вокруг объекта. Или можно прикрепить небольшие нити к определенным частям, чтобы показать поток воздуха в этих точках.
Первые аэродинамические трубы были изобретены в конце 19-го века, на заре авиационных исследований, в рамках усилий по разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха. Аэродинамическая труба изменила обычную ситуацию. Вместо того, чтобы воздух стоял неподвижно, а самолет двигался, объект удерживался неподвижно, а воздух двигался вокруг него. Таким образом, неподвижный наблюдатель мог изучать летающий объект в действии и мог измерять аэродинамические силы, действующие на него.
Развитие аэродинамических труб сопровождало развитие самолета. Большие аэродинамические трубы были построены во время Второй мировой войны, и по мере разработки сверхзвуковых самолетов были построены сверхзвуковые аэродинамические трубы для их испытаний. Испытания в аэродинамических трубах считались стратегически важными во время холодной войны для разработки самолетов и ракет.
Другие проблемы также изучаются с помощью аэродинамических труб. Влияние ветра на искусственные сооружения необходимо изучать, когда здания становятся достаточно высокими, чтобы подвергаться значительному влиянию ветра. Очень высокие здания представляют большие поверхности для ветра, и возникающие силы должны быть уравновешены внутренней структурой здания, иначе здание рухнет. Определение таких сил требовалось до того, как строительные нормы могли указать требуемую прочность таких зданий, и эти испытания продолжают использоваться для больших или необычных зданий.
Испытания в аэродинамической трубе впервые были применены к автомобилям еще в 1920-х годах [1] на таких автомобилях, как Rumpler Tropfenwagen , а позже Chrysler Airflow . Первоначально автопроизводители испытывали масштабные модели своих автомобилей, но позже были построены полномасштабные автомобильные аэродинамические трубы. Начиная с 1960-х годов испытания в аэродинамической трубе начали получать широкое распространение для автомобилей [ 2] [ необходимы дополнительные ссылки ] не столько для определения аэродинамических сил так же, как у самолета, сколько для повышения топливной экономичности транспортных средств за счет снижения аэродинамического сопротивления. В этих исследованиях взаимодействие между дорогой и транспортным средством играет значительную роль, и это взаимодействие необходимо учитывать при интерпретации результатов испытаний. В реальном мире транспортное средство движется, в то время как дорога и воздух неподвижны. При испытании в аэродинамической трубе дорога также должна перемещаться мимо транспортного средства вместе с обдуваемым вокруг него воздухом. Это было достигнуто с помощью движущихся лент под испытательным транспортным средством для имитации движущейся дороги, и очень похожие устройства используются при испытаниях в аэродинамической трубе взлетно-посадочных конфигураций самолетов.
Спортивное оборудование также изучалось в аэродинамических трубах, включая клюшки для гольфа, мячи для гольфа, бобслеи, велосипедистов и шлемы гоночных автомобилей. Аэродинамика шлема особенно важна в гоночных автомобилях с открытым кокпитом, таких как Indycar и Formula One. Чрезмерные подъемные силы на шлеме могут вызвать значительное напряжение шеи у водителя, а разделение потока на задней стороне шлема может вызвать турбулентный баффтинг и, таким образом, затуманивание зрения у водителя на высоких скоростях. [3]
Достижения в моделировании вычислительной гидродинамики (CFD) на высокоскоростных цифровых компьютерах снизили спрос на испытания в аэродинамической трубе, но не устранили его полностью. Многие реальные проблемы все еще не могут быть смоделированы с помощью CFD достаточно точно, чтобы исключить необходимость физических испытаний в аэродинамических трубах.
Скорость и давление воздуха в аэродинамических трубах измеряются несколькими способами.
Скорость воздуха через испытательную секцию определяется принципом Бернулли . Измерение динамического давления , статического давления и (только для сжимаемого потока ) повышения температуры в воздушном потоке. Направление воздушного потока вокруг модели можно определить с помощью пучков пряжи, прикрепленных к аэродинамическим поверхностям. Направление воздушного потока, приближающегося к поверхности, можно визуализировать, монтируя нити в воздушном потоке перед и за испытательной моделью. Дым или пузырьки жидкости можно вводить в воздушный поток перед испытательной моделью, и их путь вокруг модели можно сфотографировать (см. велосиметрию изображения частиц ).
Аэродинамические силы, действующие на испытуемую модель, обычно измеряются с помощью коромысловых весов , соединенных с испытуемой моделью с помощью балок, струн или тросов.
Распределение давления в тестовой модели исторически измерялось путем сверления множества небольших отверстий вдоль пути воздушного потока и использования многотрубчатых манометров для измерения давления в каждом отверстии. Распределение давления может быть более удобно измерено с помощью чувствительной к давлению краски , в которой более высокое локальное давление указывается пониженной флуоресценцией краски в этой точке. Распределение давления также может быть удобно измерено с помощью чувствительных к давлению ремней давления, недавней разработки, в которой несколько сверхминиатюрных модулей датчиков давления интегрированы в гибкую полосу. Полоса прикреплена к аэродинамической поверхности с помощью ленты, и она посылает сигналы, изображающие распределение давления вдоль ее поверхности. [4]
Распределение давления на испытательной модели также можно определить путем проведения обследования следа , при котором либо используется одна трубка Пито для получения нескольких показаний ниже по потоку от испытательной модели, либо устанавливается многотрубный манометр ниже по потоку и снимаются все его показания.
Аэродинамические свойства объекта не могут оставаться одинаковыми для масштабированной модели. [5] Однако, соблюдая определенные правила подобия, можно достичь весьма удовлетворительного соответствия между аэродинамическими свойствами масштабированной модели и полноразмерного объекта. Выбор параметров подобия зависит от цели теста, но наиболее важными условиями, которые необходимо выполнить, обычно являются:
В некоторых конкретных тестовых случаях должны быть удовлетворены другие параметры подобия, такие как, например, число Фруда .
Английский военный инженер и математик Бенджамин Робинс (1707–1751) изобрел аппарат с вращающимся рычагом для определения сопротивления [6] и провел некоторые из первых экспериментов в теории авиации.
Сэр Джордж Кейли (1773–1857) также использовал вращающийся рычаг для измерения сопротивления и подъемной силы различных аэродинамических профилей. [7] Его вращающийся рычаг имел длину 5 футов (1,5 м) и достигал максимальной скорости от 10 до 20 футов в секунду (от 3 до 6 м/с).
Отто Лилиенталь использовал вращающийся рычаг для точного измерения аэродинамических профилей крыльев с различными углами атаки , устанавливая полярные диаграммы их аэродинамического качества , но у него не было понятий индуктивного сопротивления и чисел Рейнольдса . [8]
Однако вращающийся рычаг не создает надежного потока воздуха, воздействующего на тестовую форму при нормальном падении. Центробежные силы и тот факт, что объект движется в своем собственном следе, означают, что детальное исследование воздушного потока затруднено. Фрэнсис Герберт Уэнхэм (1824–1908), член Совета Авиационного общества Великобритании , решил эти проблемы, изобретя, спроектировав и запустив первую закрытую аэродинамическую трубу в 1871 году. [9] [10] После того, как этот прорыв был достигнут, подробные технические данные были быстро извлечены с помощью этого инструмента. Уэнхэму и его коллеге Джону Браунингу приписывают множество фундаментальных открытий, включая измерение соотношений l/d и выявление полезных эффектов высокого удлинения .
В 1897 году Константин Циолковский построил аэродинамическую трубу открытого сечения с центробежным нагнетателем и определил коэффициенты сопротивления плоских пластин, цилиндров и сфер.
Датский изобретатель Поль ла Кур применял аэродинамические трубы в процессе разработки и совершенствования технологии ветряных турбин в начале 1890-х годов. Карл Рикард Нюберг использовал аэродинамическую трубу при проектировании своего Flugan с 1897 года и далее.
В классическом наборе экспериментов англичанин Осборн Рейнольдс (1842–1912) из Манчестерского университета продемонстрировал, что картина воздушного потока над масштабной моделью будет такой же для полномасштабного транспортного средства, если определенный параметр потока будет одинаковым в обоих случаях. Этот фактор, теперь известный как число Рейнольдса , является основным параметром при описании всех ситуаций потока жидкости, включая формы картин потока, легкость теплопередачи и начало турбулентности. Это составляет центральное научное обоснование использования моделей в аэродинамических трубах для имитации реальных явлений. Однако существуют ограничения на условия, в которых динамическое подобие основано только на числе Рейнольдса.
Использование братьями Райт в 1901 году простой аэродинамической трубы для изучения эффектов воздушного потока над различными формами при разработке их летательного аппарата Райт было в некотором роде революционным. [11] Однако из вышесказанного следует, что они просто использовали общепринятую технологию того времени, хотя в Америке она еще не была распространена.
Во Франции Гюстав Эйфель (1832–1923) построил свою первую аэродинамическую трубу открытого типа в 1909 году, работавшую от электродвигателя мощностью 67 л. с. (50 кВт), на Марсовом поле, недалеко от подножия башни, носящей его имя .
В период с 1909 по 1912 год Эйфель провел около 4000 испытаний в своей аэродинамической трубе, и его систематические эксперименты установили новые стандарты для авиационных исследований. В 1912 году лаборатория Эйфеля была перемещена в Отей, пригород Парижа, где его аэродинамическая труба с двухметровой испытательной секцией работает и по сей день. [12] Эйфель значительно повысил эффективность аэродинамической трубы открытого типа, заключив испытательную секцию в камеру, спроектировав расширяющийся вход с сотовым выпрямителем потока и добавив диффузор между испытательной секцией и вентилятором, расположенным на нижнем конце диффузора; это было решение, за которым последовало несколько аэродинамических труб, построенных позже; на самом деле, аэродинамическую трубу открытого типа с низкой скоростью часто называют аэродинамической трубой типа Эйфеля.
Последующее использование аэродинамических труб получило широкое распространение по мере становления науки аэродинамики и авиационной техники, а также развития воздушных перевозок и энергетики.
В 1916 году ВМС США построили одну из крупнейших в мире на тот момент аэродинамических труб на верфи Вашингтон-ВМС. Входное отверстие имело диаметр почти 11 футов (3,4 м), а выпускное отверстие — 7 футов (2,1 м). Электродвигатель мощностью 500 л. с. (370 кВт) приводил в движение лопасти вентилятора лопастного типа. [13]
В 1931 году NACA построила полномасштабную аэродинамическую трубу размером 30 на 60 футов (9,1 на 18,3 м) в исследовательском центре Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния. Туннель приводился в действие парой вентиляторов, приводимых в действие электродвигателями мощностью 4000 л. с. (3000 кВт). Макет представлял собой двухконтурный замкнутый контур и мог вместить множество полноразмерных настоящих самолетов, а также масштабные модели. В конечном итоге туннель был закрыт, и, хотя в 1995 году он был объявлен Национальным историческим памятником , в 2010 году начался его снос.
До Второй мировой войны крупнейшая в мире аэродинамическая труба, построенная в 1932–1934 годах, находилась в пригороде Парижа, Шале-Медон , Франция. [ требуется ссылка ] Она была разработана для испытания полноразмерных самолетов и имела шесть больших вентиляторов, приводимых в движение мощными электродвигателями. [14] Аэродинамическая труба Шале-Медон использовалась ONERA под названием S1Ch до 1976 года при разработке, например, самолетов Caravelle и Concorde . Сегодня эта аэродинамическая труба сохраняется как национальный памятник.
Людвиг Прандтль был учителем Теодора фон Кармана в Геттингенском университете и предложил построить аэродинамическую трубу для испытаний дирижаблей, которые они проектировали. [15] : 44 Вихревая дорожка турбулентности за цилиндром была испытана в трубе. [15] : 63 Когда он позже перешел в Ахенский университет, он вспоминал об использовании этой установки:
Я вспомнил, что аэродинамическая труба в Геттингене была создана как инструмент для изучения поведения цеппелина, но она оказалась ценной для всего остального, от определения направления дыма из трубы корабля до того, полетит ли данный самолет. Я чувствовал, что прогресс в Аахене был бы практически невозможен без хорошей аэродинамической трубы. [15] : 76
Когда фон Карман начал консультироваться с Калтехом, он работал с Кларком Милликеном и Артуром Л. Кляйном. [15] : 124 Он возражал против их конструкции и настаивал на обратном потоке, делающем устройство «независимым от колебаний внешней атмосферы». Оно было завершено в 1930 году и использовалось для тестирования Northrop Alpha . [15] : 169
В 1939 году генерал Арнольд спросил, что требуется для развития ВВС США, и фон Карман ответил: «Первый шаг — построить правильную аэродинамическую трубу». [15] : 226 С другой стороны, после успехов Bell X-2 и перспектив более продвинутых исследований он писал: «Я был сторонником строительства такого самолета, потому что я никогда не верил, что можно получить все ответы из аэродинамической трубы». [15] : 302–03
В 1941 году США построили одну из крупнейших аэродинамических труб того времени в Райт-Филд в Дейтоне, штат Огайо. Эта аэродинамическая труба начинается на 45 футах (14 м) и сужается до 20 футов (6,1 м) в диаметре. Два 40-футовых (12 м) вентилятора приводились в движение электродвигателем мощностью 40 000 л. с. Крупномасштабные модели самолетов могли испытываться на скорости воздуха 400 миль в час (640 км/ч). [16]
Во время Второй мировой войны Германия разработала различные конструкции больших аэродинамических труб для дальнейшего углубления своих знаний в области аэронавтики. Например, аэродинамическая труба в Пенемюнде была новой конструкцией аэродинамической трубы, которая позволяла проводить исследования высокоскоростных воздушных потоков, но принесла несколько проблем проектирования, связанных с постройкой высокоскоростной аэродинамической трубы в масштабе. Тем не менее, она успешно использовала несколько больших естественных пещер, которые были увеличены в размерах путем выемки грунта, а затем запечатаны для хранения больших объемов воздуха, которые затем можно было направлять через аэродинамические трубы. К концу войны у Германии было по крайней мере три различных сверхзвуковых аэродинамических трубы, одна из которых была способна создавать воздушные потоки со скоростью 4,4 Маха (с подогревом).
Большая аэродинамическая труба, строящаяся около Эцталя , Австрия, имела бы два вентилятора, напрямую приводимых в движение двумя гидравлическими турбинами мощностью 50 000 лошадиных сил . Установка не была завершена к концу войны, и демонтированное оборудование было отправлено в Модан , Франция, в 1946 году, где оно было повторно установлено и до сих пор эксплуатируется там ONERA . С его испытательной секцией длиной 26 футов (8 м) и скоростью полета до 1 Маха, это крупнейшая трансзвуковая аэродинамическая труба в мире. [17] Фрэнк Ваттендорф докладывал об этой аэродинамической трубе для ответа США. [18]
22 июня 1942 года Curtiss-Wright профинансировала строительство одной из крупнейших в стране дозвуковых аэродинамических труб в Буффало, штат Нью-Йорк. Первый бетон для строительства был залит 22 июня 1942 года на месте, которое в конечном итоге стало Калспаном , где аэродинамическая труба работает до сих пор. [19]
К концу Второй мировой войны США построили восемь новых аэродинамических труб, включая самую большую в мире на аэродроме Моффетт-Филд около Саннивейла, Калифорния, которая была разработана для испытания полноразмерных самолетов на скоростях менее 250 миль в час (400 км/ч) [20] и вертикальную аэродинамическую трубу на аэродроме Райт-Филд, штат Огайо, где поток воздуха направлен вверх для испытания моделей в условиях штопора, а также концепций и инженерных проектов первых примитивных вертолетов, летавших в США. [21]
.jpg/1280px-Theodore_von_K%C3%A1rm%C3%A1n_230419-F-F3405-0001_(restored).jpg)
Более поздние исследования воздушных потоков, близких к скорости звука или превышающих ее, использовали связанный подход. Металлические камеры давления использовались для хранения воздуха высокого давления, который затем ускорялся через сопло, предназначенное для обеспечения сверхзвукового потока. Затем камера наблюдения или измерительная камера («испытательная секция») помещалась в нужное место в горловине или сопле для желаемой скорости воздуха.
В Соединенных Штатах беспокойство по поводу отставания американских исследовательских объектов по сравнению с теми, которые построили немцы, привело к принятию Закона о едином плане аэродинамических труб 1949 года, который санкционировал расходы на строительство новых аэродинамических труб в университетах и на военных объектах. Некоторые немецкие аэродинамические трубы военного времени были демонтированы для отправки в Соединенные Штаты в рамках плана по использованию немецких технологических разработок. [22]
Для ограниченного применения вычислительная гидродинамика (CFD) может дополнять или, возможно, заменять использование аэродинамических труб. Например, экспериментальный ракетный самолет SpaceShipOne был разработан без использования аэродинамических труб. Однако в одном из испытаний нити полета были прикреплены к поверхности крыльев, выполняя испытание типа аэродинамической трубы во время реального полета, чтобы усовершенствовать вычислительную модель. Там, где присутствует внешний турбулентный поток, CFD непрактичен из-за ограничений современных вычислительных ресурсов. Например, область, которая все еще слишком сложна для использования CFD, — это определение эффектов потока на и вокруг конструкций, мостов и рельефа.
Наиболее эффективным способом моделирования внешнего турбулентного течения является использование аэродинамической трубы пограничного слоя.
Существует множество приложений для моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя. Например, понимание воздействия ветра на высотные здания, заводы, мосты и т. д. может помочь проектировщикам зданий построить конструкцию, которая выдержит воздействие ветра наиболее эффективным способом. Еще одно важное приложение для моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя — это понимание закономерностей рассеивания выхлопных газов для больниц, лабораторий и других источников выбросов. Другими примерами приложений в аэродинамической трубе пограничного слоя являются оценки комфорта пешеходов и снежных заносов. Моделирование в аэродинамической трубе принято как метод помощи в проектировании зеленых зданий . Например, использование моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя может быть использовано в качестве кредита для сертификации Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) через Совет по зеленому строительству США.
Испытания в аэродинамической трубе в пограничном слое позволяют моделировать естественное сопротивление поверхности Земли. Для точности важно моделировать средний профиль скорости ветра и эффекты турбулентности в пограничном слое атмосферы. Большинство кодексов и стандартов признают, что испытания в аэродинамической трубе могут предоставить надежную информацию для проектировщиков, особенно когда их проекты находятся на сложной местности или на открытых участках.
В Соединенных Штатах многие аэродинамические трубы были выведены из эксплуатации с 1990 по 2010 год, включая некоторые исторические объекты. На оставшиеся аэродинамические трубы оказывается давление из-за снижающегося или нерегулярного использования, высоких затрат на электроэнергию и, в некоторых случаях, высокой стоимости недвижимости, на которой находится объект. С другой стороны, для проверки CFD по-прежнему требуются данные аэродинамической трубы, и это, вероятно, будет иметь место в обозримом будущем. Были проведены исследования, и другие ведутся в настоящее время для оценки будущих потребностей военных и коммерческих аэродинамических труб, но результат остается неопределенным. [23] В последнее время все более широкое использование реактивных, оснащенных приборами беспилотных летательных аппаратов или исследовательских дронов заменило некоторые из традиционных видов использования аэродинамических труб. [24] Самой быстрой аэродинамической трубой в мире по состоянию на 2019 год является аэродинамическая труба LENS-X, расположенная в Буффало, штат Нью-Йорк. [25]
Воздух продувается или всасывается через воздуховод, оборудованный смотровым окном и приборами, где для изучения устанавливаются модели или геометрические фигуры. Обычно воздух перемещается по туннелю с помощью ряда вентиляторов. Для очень больших аэродинамических труб диаметром в несколько метров один большой вентилятор нецелесообразен, поэтому вместо этого используется массив из нескольких вентиляторов, работающих параллельно, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха. Из-за огромного объема и требуемой скорости движения воздуха вентиляторы могут приводиться в действие стационарными турбовентиляторными двигателями, а не электродвигателями.
Воздушный поток, создаваемый вентиляторами, который поступает в туннель, сам по себе является сильно турбулентным из-за движения лопастей вентилятора (когда вентилятор нагнетает воздух в испытательную секцию – когда он высасывает воздух из испытательной секции ниже по потоку, турбулентность лопастей вентилятора не является фактором), и поэтому не является напрямую полезным для точных измерений. Воздух, движущийся через туннель, должен быть относительно свободным от турбулентности и ламинарным. Чтобы исправить эту проблему, используются близко расположенные вертикальные и горизонтальные воздушные лопатки, чтобы сгладить турбулентный поток воздуха перед достижением объекта испытания.
Из-за эффектов вязкости поперечное сечение аэродинамической трубы обычно круглое, а не квадратное, поскольку в углах квадратной трубы будет большее сужение потока, что может сделать поток турбулентным. Круглая труба обеспечивает более плавный поток.
Внутренняя поверхность туннеля обычно максимально гладкая, чтобы уменьшить поверхностное сопротивление и турбулентность, которые могут повлиять на точность испытаний. Даже гладкие стены вызывают некоторое сопротивление в воздушном потоке, поэтому испытываемый объект обычно находится вблизи центра туннеля с пустой буферной зоной между объектом и стенами туннеля. Существуют поправочные коэффициенты для соотнесения результатов испытаний в аэродинамической трубе с результатами на открытом воздухе.
Освещение обычно встроено в круглые стены туннеля и светит через окна. Если бы свет был установлен на внутренней поверхности туннеля обычным способом, лампочка создавала бы турбулентность, когда воздух обдувает ее. Аналогично, наблюдение обычно осуществляется через прозрачные иллюминаторы в туннель. Вместо того, чтобы быть просто плоскими дисками, эти окна освещения и наблюдения могут быть изогнуты, чтобы соответствовать поперечному сечению туннеля и еще больше уменьшать турбулентность вокруг окна.
Для изучения фактического потока воздуха вокруг геометрии и сравнения его с теоретическими результатами, которые также должны учитывать число Рейнольдса и число Маха для режима работы, используются различные методы.
Давление на поверхностях модели можно измерить, если модель включает в себя отводы давления. Это может быть полезно для явлений, в которых доминирует давление, но это учитывает только нормальные силы на теле.
С помощью модели, установленной на весах, можно измерить подъемную силу, сопротивление, боковые силы, рыскание, крен и моменты тангажа в диапазоне углов атаки . Это позволяет создавать общие кривые, такие как коэффициент подъемной силы в зависимости от угла атаки (показано).
Сам баланс сил создает сопротивление и потенциальную турбулентность, которые повлияют на модель и внесут ошибки в измерения. Поэтому опорные конструкции обычно имеют плавную форму, чтобы минимизировать турбулентность.
Поскольку воздух прозрачен, трудно непосредственно наблюдать само движение воздуха. Вместо этого были разработаны многочисленные методы как количественной, так и качественной визуализации потока для тестирования в аэродинамической трубе.
Высокоскоростную турбулентность и вихри трудно увидеть напрямую, но стробоскопы и пленочные камеры или высокоскоростные цифровые камеры могут помочь запечатлеть события, которые невооруженным глазом видны нечетко.
Высокоскоростные камеры также необходимы, когда объект испытания сам движется с высокой скоростью, например, пропеллер самолета. Камера может запечатлеть покадровые изображения того, как лопасть прорезает потоки частиц и как вихри образуются вдоль задних кромок движущейся лопасти.
Существует множество различных видов аэродинамических труб. Обычно их классифицируют по диапазону скоростей, достигаемых в тестовой секции, следующим образом:
Аэродинамические трубы также классифицируются по ориентации воздушного потока в испытательной секции относительно силы тяжести. Обычно они ориентированы горизонтально, как это происходит во время горизонтального полета . Другой класс аэродинамических труб ориентирован вертикально, так что сила тяжести может быть уравновешена сопротивлением, а не подъемной силой, и они стали популярной формой отдыха для имитации прыжков с парашютом :
Аэродинамические трубы также классифицируются по их основному использованию. Для тех, которые используются с наземными транспортными средствами, такими как автомобили и грузовики, тип аэродинамики пола также важен. Они варьируются от стационарных полов до полностью подвижных полов, причем подвижные полы меньшего размера и некоторые попытки контроля уровня границы также важны.
Основными подкатегориями авиационных аэродинамических труб являются:
Число Рейнольдса является одним из основных параметров подобия для моделирования потока в аэродинамической трубе. Для числа Маха менее 0,3 это основной параметр, который управляет характеристиками потока. Существует три основных способа моделирования высокого числа Рейнольдса, поскольку нецелесообразно получать полномасштабное число Рейнольдса с использованием полномасштабного транспортного средства. [ необходима цитата ]
Для туннелей V/STOL требуется большая площадь поперечного сечения, но только небольшие скорости. Поскольку мощность меняется в зависимости от куба скорости, мощность, необходимая для работы, также меньше. Примером туннеля V/STOL является туннель NASA Langley размером 14 на 22 фута (4,3 на 6,7 м). [27]
Самолеты имеют тенденцию к вращению при сваливании . Эти туннели используются для изучения этого явления.
Автомобильные аэродинамические трубы делятся на две категории:
Вунибальд Камм построил первую полномасштабную аэродинамическую трубу для автотранспортных средств. [28]
Для внешних проточных туннелей используются различные системы для компенсации влияния пограничного слоя на поверхность дороги, включая системы движущихся ремней под каждым колесом и кузовом автомобиля (системы с 5 или 7 ремнями) или один большой ремень под всем автомобилем, или другие методы управления пограничным слоем, такие как ковши или перфорации для его отсасывания. [29]
Эти туннели используются для изучения шума, создаваемого потоком, и его подавления.
Высокоэнтальпийная аэродинамическая труба предназначена для изучения потока воздуха вокруг объектов, движущихся со скоростью, намного превышающей локальную скорость звука ( гиперзвуковые скорости). « Энтальпия » — это полная энергия газового потока, состоящая из внутренней энергии, обусловленной температурой, произведением давления и объема, и скоростью потока. Дублирование условий гиперзвукового полета требует больших объемов нагретого воздуха высокого давления; большие напорные горячие резервуары и электрические дуги — вот два используемых метода. [30]
Аэродинамические принципы аэродинамической трубы работают также и на водных судах, за исключением того, что вода более вязкая и, следовательно, создает большие силы на испытываемом объекте. Петлевой желоб обычно используется для подводных аквадинамических испытаний. Взаимодействие между двумя различными типами жидкостей означает, что чисто аэродинамические испытания имеют лишь частичное значение. Однако, похожее исследование проводится в буксировочном танке .
Воздух не всегда является лучшей испытательной средой для изучения принципов аэродинамики в малых масштабах из-за скорости воздушного потока и движения аэродинамического профиля. Исследование крыльев плодовой мушки, призванное понять, как крылья создают подъемную силу, было проведено с использованием большого бака с минеральным маслом и крыльев в 100 раз больше фактического размера, чтобы замедлить взмахи крыльев и сделать вихри, создаваемые крыльями насекомого, более заметными и понятными. [31]
Также проводятся испытания в аэродинамической трубе для точного измерения движения воздуха вентиляторов при определенном давлении. Путем определения условий окружающей среды во время измерения и последующей проверки герметичности обеспечивается стандартизация данных.
Существует два возможных способа измерения: полный вентилятор или рабочее колесо на гидравлической установке. Две измерительные трубки позволяют измерять как более низкие потоки воздуха (< 30 000 м 3 /ч), так и более высокие потоки воздуха (< 60 000 м 3 /ч). Определение кривой Q/h вентилятора является одной из основных целей. Для определения этой кривой (и определения других параметров) измеряются воздушные технические, механические и электротехнические данные:
Воздушно-технический:
Электротехнические:
Измерение может проводиться на вентиляторе или в системе, в которой используется вентилятор.
В ветротехнике испытания в аэродинамической трубе используются для измерения скорости вокруг, а также сил или давлений на конструкции. [32] Очень высокие здания, здания необычной или сложной формы (например, высокие здания с параболической или гиперболической формой), вантовые подвесные мосты или вантовые мосты анализируются в специализированных аэродинамических трубах пограничного слоя атмосферы. Они имеют длинную секцию против ветра для точного представления скорости ветра и профиля турбулентности, действующего на конструкцию. Испытания в аэродинамической трубе обеспечивают необходимые измерения проектного давления при использовании динамического анализа и управления высотными зданиями.
