Аэродинамические трубы — это машины, в которых объект удерживается неподвижно внутри трубы, а вокруг него обдувается воздух для изучения взаимодействия между объектом и движущимся воздухом. Они используются для проверки аэродинамических эффектов самолетов, ракет, автомобилей и зданий. Размеры различных аэродинамических труб варьируются от менее фута в поперечнике до более 100 футов (30 м), и воздух в них может двигаться со скоростями от легкого бриза до гиперзвуковых скоростей.
Обычно большие вентиляторы перемещают воздух через аэродинамическую трубу, при этом испытуемый 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 можно получить различные измерения. Аэродинамические силы можно измерить как на всем объекте, так и на отдельных его компонентах. Давление воздуха в разных точках можно измерить с помощью датчиков. В воздушный поток можно добавить дым, чтобы показать путь, который воздух проходит вокруг объекта. Или к определенным частям можно прикрепить небольшие нити, чтобы показать поток воздуха в этих точках.
Самые ранние аэродинамические трубы были изобретены в конце 19 века, на заре авиационных исследований, как часть усилий по разработке летательных аппаратов тяжелее воздуха. Аэродинамическая труба изменила привычную ситуацию. Вместо того, чтобы воздух стоял неподвижно, а самолет двигался, объект будет оставаться неподвижным, а воздух будет двигаться вокруг него. Таким образом, стационарный наблюдатель мог изучать летающий объект в действии и измерять действующие на него аэродинамические силы.
Развитие аэродинамических труб сопровождало развитие самолета. Большие аэродинамические трубы были построены во время Второй мировой войны, а по мере разработки сверхзвуковых самолетов для их испытаний строились сверхзвуковые аэродинамические трубы. Во время холодной войны испытания в аэродинамической трубе считались стратегически важными для разработки самолетов и ракет.
Другие проблемы также изучаются с помощью аэродинамических труб. Влияние ветра на искусственные конструкции необходимо изучать, когда здания становятся достаточно высокими, чтобы подвергаться значительному влиянию ветра. Очень высокие здания представляют собой большие поверхности для ветра, и возникающим силам приходится противостоять внутренней конструкции здания, иначе здание рухнет. Определение таких сил требовалось до того, как строительные нормы и правила могли определить требуемую прочность таких зданий, и эти испытания продолжают использоваться для больших или необычных зданий.
Начиная с 1960-х годов [1] испытания в аэродинамической трубе стали применяться к автомобилям не столько для определения аэродинамических сил так же, как в самолетах, сколько для повышения топливной эффективности транспортных средств за счет уменьшения 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 автомобиль движется, а дорога и воздух неподвижны. При испытании в аэродинамической трубе дорога также должна проходить мимо транспортного средства вместе с обдувом его воздухом. Это было достигнуто с помощью движущихся лент под испытательным автомобилем для имитации движущейся дороги, и очень похожие устройства используются при испытаниях в аэродинамической трубе конфигураций взлета и посадки самолета.
В аэродинамических трубах также изучалось спортивное оборудование, включая клюшки для гольфа, мячи для гольфа, бобслеи, велосипедисты и шлемы гоночных автомобилей. Аэродинамика шлема особенно важна в гоночных автомобилях с открытой кабиной, таких как Indycar и Formula One. Чрезмерная подъемная сила, действующая на шлем, может вызвать значительную нагрузку на шею водителя, а разделение потока на задней стороне шлема может вызвать турбулентное колебание и, таким образом, ухудшение зрения водителя на высоких скоростях. [2]
Достижения в области вычислительной гидродинамики (CFD) моделирования на высокоскоростных цифровых компьютерах снизили спрос на испытания в аэродинамической трубе, но не устранили их полностью. Многие реальные проблемы до сих пор не могут быть смоделированы с помощью CFD достаточно точно, чтобы исключить необходимость физических испытаний в аэродинамических трубах.
Скорость воздуха и давление в аэродинамических трубах измеряются несколькими способами.
Скорость воздуха через рабочий участок 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, установив резьбу в воздушном потоке впереди и позади испытательной модели. Дым или пузырьки жидкости могут попасть в поток воздуха перед тестовой моделью, а их путь вокруг модели можно сфотографировать (см. Измерение скорости изображения частиц ).
Аэродинамические силы на тестовой модели обычно измеряются с помощью балочных весов , соединенных с тестовой моделью с помощью балок, струн или тросов.
Распределение давления по тестовой модели исторически измерялось путем сверления множества небольших отверстий вдоль пути воздушного потока и использования многотрубных манометров для измерения давления в каждом отверстии. Распределение давления удобнее измерять с помощью краски, чувствительной к давлению , в которой более высокое локальное давление определяется пониженной флуоресценцией краски в этой точке. Распределение давления также можно удобно измерять с помощью чувствительных к давлению прижимных ремней — недавней разработки, в которой несколько ультраминиатюрных модулей датчиков давления интегрированы в гибкую полоску. Полоса прикреплена к аэродинамической поверхности скотчем и посылает сигналы, изображающие распределение давления по ее поверхности. [3]
Распределение давления на испытательной модели также можно определить путем проведения исследования следа , при котором либо используется одна трубка Пито для получения нескольких показаний после испытательной модели, либо манометр с несколькими трубками устанавливается ниже по потоку и снимаются все его показания. .
Аэродинамические свойства объекта не могут оставаться одинаковыми для масштабной модели. [4] Однако, соблюдая определенные правила подобия, можно добиться весьма удовлетворительного соответствия аэродинамических свойств масштабной модели и полноразмерного объекта. Выбор параметров сходства зависит от цели теста, но наиболее важными условиями, которые необходимо удовлетворить, 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 [5] и провел некоторые из первых экспериментов в теории авиации.
Сэр Джордж Кэли (1773–1857) также использовал вращающуюся руку для измерения сопротивления и подъемной силы различных аэродинамических профилей. [6] Его вращающаяся рука имела длину 5 футов (1,5 м) и развивала максимальную скорость 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 их полярные диаграммы отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению , но ему не хватало понятий индуцированного сопротивления и чисел Рейнольдса . [7]
Однако вращающийся рычаг не создает надежного потока воздуха, воздействующего на форму теста при нормальном падении. Центробежные силы и тот факт, что объект движется сам по себе, означают, что детальное исследование воздушного потока затруднено. Фрэнсис Герберт Уэнам (1824–1908), член Совета Аэронавтического общества Великобритании , решил эти проблемы, изобретая, спроектировав и применив в 1871 году первую закрытую аэродинамическую трубу. [8] [9] Как только этот прорыв был достигнут, подробные технические данные были быстро получены с помощью этого инструмента. Уэнаму и его коллеге Джону Браунингу приписывают множество фундаментальных открытий, в том числе измерение отношения l/d и открытие благотворного воздействия высокого удлинения .
Константин Циолковский построил в 1897 году аэродинамическую трубу открытого сечения с центробежным нагнетателем и определил коэффициенты сопротивления плоских пластин, цилиндров и сфер.
Датский изобретатель Поуль ла Кур применил 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 позже.
В ходе классической серии экспериментов англичанин Осборн Рейнольдс (1842–1912) из Манчестерского университета продемонстрировал, что картина воздушного потока на масштабной модели будет одинаковой для полномасштабного транспортного средства, если определенный параметр потока будет одинаковым в обоих случаях. случаи. Этот фактор, теперь известный как число Рейнольдса , является основным параметром при описании всех ситуаций с потоком жидкости, включая форму структур потока, легкость теплопередачи и возникновение турбулентности. Это является основным научным обоснованием использования моделей в аэродинамических трубах для моделирования реальных явлений. Однако существуют ограничения на условия, в которых динамическое подобие основано только на числе Рейнольдса.
Использование братьями Райт простой аэродинамической трубы в 1901 году для изучения воздействия воздушного потока на различные формы при разработке своего флаера Райта было в некотором смысле революционным. [10] Однако из вышеизложенного видно, что они просто использовали принятую технологию того времени, хотя она еще не была распространенной технологией в Америке.
Во Франции Гюстав Эйфель (1832–1923) построил свою первую аэродинамическую трубу с открытым возвратом в 1909 году, оснащенную электродвигателем мощностью 67 л.с. (50 кВт), на Марсовом поле, недалеко от подножия башни, носящей его имя. .
Между 1909 и 1912 годами Эйфель провел около 4000 испытаний в своей аэродинамической трубе, и его систематические эксперименты установили новые стандарты авиационных исследований. В 1912 году лаборатория Эйфеля была перенесена в Отей, пригород Парижа, где его аэродинамическая труба с двухметровой испытательной секцией работает до сих пор. [11] Эйфель значительно повысил эффективность аэродинамической трубы с открытым возвратом, поместив испытательную секцию в камеру, сконструировав расширяющееся впускное отверстие с сотовым выпрямителем потока и добавив диффузор между испытательной секцией и вентилятором, расположенным на выходном конце трубы. диффузор; по этому соглашению позже было построено несколько аэродинамических труб; на самом деле низкоскоростную аэродинамическую трубу с открытым возвратом часто называют аэродинамической трубой Эйфелевого типа.
Последующее использование аэродинамических труб получило широкое распространение по мере развития науки аэродинамики и авиационной техники, а также развития авиаперевозок и энергетики.
ВМС США в 1916 году построили на Вашингтонской военно-морской верфи одну из крупнейших на тот момент аэродинамических труб в мире. Входное отверстие имело диаметр почти 11 футов (3,4 м), а выпускная часть - 7 футов (2,1 м). Электродвигатель мощностью 500 л.с. (370 кВт) приводил в движение лопасти вентилятора. [12]
В 1931 году NACA построило полномасштабную аэродинамическую трубу размером 30 на 60 футов (9,1 на 18,3 м) в Исследовательском центре Лэнгли в Лэнгли, штат Вирджиния. Туннель приводился в движение парой вентиляторов, приводимых в движение электродвигателями мощностью 4000 л.с. (3000 кВт). Компоновка имела двойной возврат, замкнутый контур и могла вместить множество полноразмерных реальных самолетов, а также масштабные модели. В конечном итоге туннель был закрыт, и хотя в 1995 году он был объявлен национальным историческим памятником , снос начался в 2010 году.
До Второй мировой войны крупнейшая в мире аэродинамическая труба, построенная в 1932–1934 годах, располагалась в пригороде Парижа Шале-Мёдон , Франция. [ нужна цитата ] Он был разработан для испытаний полноразмерных самолетов и имел шесть больших вентиляторов, приводимых в движение мощными электродвигателями. [13] Аэродинамическая труба Шале-Медон использовалась ONERA под названием S1Ch до 1976 года при разработке, например, самолетов Caravelle и Concorde . Сегодня эта аэродинамическая труба сохранена как национальный памятник.
Людвиг Прандтль был учителем Теодора фон Кармана в Геттингенском университете и предложил построить аэродинамическую трубу для испытаний проектируемых ими дирижаблей. [14] : 44 В туннеле была испытана вихревая дорожка турбулентности за цилиндром. [14] : 63 Когда он позже переехал в Аахенский университет, он вспоминал, как пользовался этим учреждением:
Я вспомнил, что аэродинамическая труба в Геттингене была задумана как инструмент для изучения поведения цеппелинов, но она оказалась ценной и для всего остального, от определения направления дыма из трубы корабля до возможности полета данного самолета. Я чувствовал, что прогресс в Аахене был бы практически невозможен без хорошей аэродинамической трубы. [14] : 76
Когда фон Карман начал консультироваться с Калифорнийским технологическим институтом , он работал с Кларком Милликеном и Артуром Л. Кляйном. [14] : 124 Он возражал против их конструкции и настаивал на обратном потоке, делающем устройство «независимым от колебаний внешней атмосферы». Он был завершен в 1930 году и использовался для испытаний Northrop Alpha . [14] : 169
В 1939 году генерал Арнольд спросил, что необходимо для развития ВВС США, и фон Карман ответил: «Первый шаг — построить правильную аэродинамическую трубу». [14] : 226 С другой стороны, после успехов Bell X-2 и перспектив более продвинутых исследований он писал: «Я был за постройку такого самолета, потому что никогда не верил, что можно получить все ответы из аэродинамической трубы». [14] : 302–03.
В 1941 году США построили одну из крупнейших на тот момент аэродинамических труб на Райт-Филд в Дейтоне, штат Огайо. Эта аэродинамическая труба начинается на высоте 45 футов (14 м) и сужается до 20 футов (6,1 м) в диаметре. Два 40-футовых (12-метровых) вентилятора приводились в движение электродвигателем мощностью 40 000 л.с. Крупномасштабные модели самолетов можно было испытывать на скорости воздуха 400 миль в час (640 км/ч). [15]
Во время Второй мировой войны Германия разработала различные конструкции больших аэродинамических труб, чтобы расширить свои знания в области воздухоплавания. Например, аэродинамическая труба в Пенемюнде представляла собой новую конструкцию аэродинамической трубы, которая позволяла проводить исследования высокоскоростного воздушного потока, но вызвала ряд проблем при проектировании, связанных с созданием высокоскоростной аэродинамической трубы в больших масштабах. Тем не менее, он успешно использовал некоторые большие естественные пещеры, которые были увеличены в размерах за счет раскопок, а затем запечатаны для хранения больших объемов воздуха, который затем можно было направить через аэродинамические трубы. К концу войны в Германии было как минимум три различных сверхзвуковых аэродинамических трубы, одна из которых обеспечивала поток воздуха со скоростью 4,4 Маха (нагретый).
Большая аэродинамическая труба, строящаяся недалеко от Эцталя в Австрии, должна была иметь два вентилятора, приводимые в движение двумя гидравлическими турбинами мощностью по 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 восстановлено и до сих пор эксплуатируется там компанией ONERA . С испытательной секцией длиной 26 футов (8 м) и скоростью полета до 1 Маха это крупнейшая трансзвуковая аэродинамическая труба в мире. [16]
22 июня 1942 года Кертисс-Райт профинансировал 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 впоследствии стало Калспаном, где аэродинамическая труба действует до сих пор. [17]
К концу Второй мировой войны США построили восемь новых аэродинамических труб, в том числе самую большую в мире в Моффетт-Филд недалеко от Саннивейла, Калифорния, которая была предназначена для испытаний полноразмерных самолетов на скорости менее 250 миль в час (400 км). /h) [18] и вертикальная аэродинамическая труба в Райт-Филд, штат Огайо, где поток ветра направлен вверх для тестирования моделей при вращении, а также концепций и инженерных проектов первых примитивных вертолетов, летавших в США. [19]
.jpg/1280px-Theodore_von_K%C3%A1rm%C3%A1n_230419-F-F3405-0001_(restored).jpg)
В более поздних исследованиях воздушных потоков, близких к скорости звука или превышающих ее, использовался аналогичный подход. Металлические камеры давления использовались для хранения воздуха под высоким давлением, который затем ускорялся через сопло, предназначенное для обеспечения сверхзвукового потока. Затем камеру наблюдения или приборную камеру («испытательный участок») помещали в нужное место в горловине или сопле для желаемой скорости полета.
В Соединенных Штатах обеспокоенность по поводу отставания американских исследовательских центров по сравнению с теми, которые построили немцы, привела 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. [20]
Для ограниченных приложений вычислительная гидродинамика (CFD) может дополнить или, возможно, заменить использование аэродинамических труб. Например, экспериментальный ракетоплан SpaceShipOne был спроектирован без использования аэродинамических труб. Однако в одном из испытаний к поверхности крыльев были прикреплены летные нити, что позволило провести испытание типа аэродинамической трубы во время реального полета с целью уточнения вычислительной модели. 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 воздействия потока на конструкции, мосты и местность и вокруг них.
Наиболее эффективным способом моделирования внешнего турбулентного течения является использование аэродинамической трубы пограничного слоя.
Существует множество приложений для моделирования аэродинамической трубы пограничного слоя. Например, понимание воздействия ветра на высотные здания, фабрики, мосты и т. д. может помочь проектировщикам зданий сконструировать конструкцию, которая максимально эффективно противостоит воздействию ветра. Еще одним важным применением моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя является понимание закономерностей рассеивания выхлопных газов в больницах, лабораториях и других источниках выбросов. Другими примерами применения аэродинамических труб с пограничным слоем являются оценки комфорта пешеходов и заноса снега. Моделирование в аэродинамической трубе считается методом помощи в проектировании экологически чистых зданий . Например, использование моделирования в аэродинамической трубе пограничного слоя может быть использовано в качестве оценки для получения сертификата «Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании» (LEED) Совета по экологическому строительству США.
Испытания в аэродинамической трубе в пограничном слое позволяют моделировать естественное сопротивление поверхности Земли. Для обеспечения точности важно смоделировать профиль средней скорости ветра и эффекты турбулентности в пограничном слое атмосферы. Большинство норм и стандартов признают, что испытания в аэродинамической трубе могут предоставить проектировщикам надежную информацию, особенно когда их проекты реализуются на сложной местности или на открытых площадках.
В США с 1990 по 2010 год было выведено из эксплуатации множество аэродинамических труб, в том числе некоторые исторические объекты. На оставшиеся аэродинамические трубы оказывается давление из-за сокращения или нерегулярного использования, высоких затрат на электроэнергию и, в некоторых случаях, высокой стоимости недвижимости, на которой расположен объект. С другой стороны, для проверки CFD по-прежнему требуются данные аэродинамической трубы, и это, вероятно, так и будет в обозримом будущем. Были проведены и другие исследования для оценки будущих потребностей военных и коммерческих аэродинамических труб, но результат остается неопределенным. [21] В последнее время все более широкое использование реактивных беспилотных транспортных средств с приборами или исследовательских дронов заменило некоторые традиционные методы использования аэродинамических труб. [22] Самая быстрая аэродинамическая труба в мире по состоянию на 2019 год — это аэродинамическая труба LENS-X, расположенная в Буффало, штат Нью-Йорк. [23]
Воздух продувается или всасывается через воздуховод, оборудованный смотровым окном и приборами, в которых для изучения устанавливаются модели или геометрические фигуры. Обычно воздух перемещается по туннелю с помощью ряда вентиляторов. Для очень больших аэродинамических труб диаметром несколько метров один большой вентилятор нецелесообразен, поэтому вместо этого используется группа из нескольких вентиляторов, работающих параллельно, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха. Из-за необходимого объема и скорости движения воздуха вентиляторы могут приводиться в действие стационарными турбовентиляторными двигателями, а не электродвигателями.
Воздушный поток, создаваемый вентиляторами, который входит в туннель, сам по себе является сильно турбулентным из-за движения лопастей вентилятора (когда вентилятор нагнетает воздух в испытательную секцию – когда он всасывает воздух из испытательной секции вниз по потоку, турбулентность лопастей вентилятора не является фактором) и поэтому бесполезен для точных измерений. Воздух, движущийся через туннель, должен быть относительно безтурбулентным и ламинарным. Чтобы решить эту проблему, используются близко расположенные вертикальные и горизонтальные воздушные лопатки, которые сглаживают турбулентный поток воздуха перед тем, как он достигнет объекта тестирования.
Из-за влияния вязкости поперечное сечение аэродинамической трубы обычно круглое, а не квадратное, поскольку в углах квадратной трубы будет большее сужение потока, что может сделать поток турбулентным. Круглый туннель обеспечивает более плавный поток.
Внутренняя поверхность туннеля обычно делается максимально гладкой, чтобы уменьшить поверхностное сопротивление и турбулентность, которые могут повлиять на точность испытаний. Даже гладкие стены вызывают некоторое сопротивление воздушному потоку, поэтому испытуемый объект обычно находится недалеко от центра туннеля с пустой буферной зоной между объектом и стенками туннеля. Существуют поправочные коэффициенты, позволяющие соотнести результаты испытаний в аэродинамической трубе с результатами испытаний на открытом воздухе.
Освещение обычно встроено в круглые стены туннеля и проникает через окна. Если бы фонарь был установлен на внутренней поверхности туннеля обычным способом, лампочка создавала бы турбулентность, когда воздух обдувает ее. Точно так же наблюдение обычно ведется через прозрачные иллюминаторы в тоннель. Эти осветительные и смотровые окна могут быть не просто плоскими дисками, а изогнутыми, чтобы соответствовать поперечному сечению туннеля и дополнительно снижать турбулентность вокруг окна.
Для исследования фактического обтекания геометрии воздушного потока и сравнения его с теоретическими результатами используются различные методы, которые также должны учитывать число Рейнольдса и число Маха для режима работы.
Давление на поверхности модели можно измерить, если модель оснащена датчиками давления. Это может быть полезно при явлениях, в которых преобладает давление, но это учитывает только нормальные силы, действующие на тело.
Установив модель на силовой балансир, можно измерить подъемную силу, сопротивление, боковые силы, моменты рыскания, крена и тангажа в диапазоне углов атаки . Это позволяет построить общие кривые, такие как зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки (показано).
Баланс сил сам по себе создает сопротивление и потенциальную турбулентность, которые будут влиять на модель и вносить ошибки в измерения. Поэтому опорные конструкции обычно имеют плавную форму, чтобы минимизировать турбулентность.
Поскольку воздух прозрачен, непосредственно наблюдать за его движением трудно. Вместо этого для испытаний в аэродинамической трубе было разработано множество методов как количественной, так и качественной визуализации потока.
Высокоскоростную турбулентность и вихри бывает трудно увидеть напрямую, но стробоскопы и пленочные или высокоскоростные цифровые камеры могут помочь запечатлеть события, которые невооруженным глазом кажутся размытыми.
Высокоскоростные камеры также необходимы, когда объект испытания сам движется с высокой скоростью, например, пропеллер самолета. Камера может снимать покадровые изображения того, как лезвие разрезает потоки частиц и как возникают вихри вдоль задних кромок движущегося лезвия.
Существует множество различных видов аэродинамических труб. Обычно они классифицируются по диапазону скоростей, достигаемых на участке испытаний, следующим образом:
Аэродинамические трубы классифицируются также по ориентации воздушного потока в рабочей части относительно силы тяжести. Обычно они ориентированы горизонтально, как это происходит во время горизонтального полета . Аэродинамические трубы другого класса ориентированы вертикально, так что гравитация может быть уравновешена сопротивлением, а не подъемной силой, и они стали популярной формой отдыха для моделирования прыжков с парашютом :
Аэродинамические трубы также классифицируются по основному назначению. Для тех, кто использует наземные транспортные средства, такие как легковые и грузовые автомобили, также важен тип аэродинамики пола. Они варьируются от стационарных этажей до полностью подвижных этажей, причем важны также подвижные полы меньшего размера и некоторая попытка контроля граничного уровня.
Основными подкатегориями авиационных аэродинамических труб являются:
Число Рейнольдса является одним из определяющих параметров подобия для моделирования потока в аэродинамической трубе. Для числа Маха менее 0,3 это основной параметр, определяющий характеристики потока. Существует три основных способа смоделировать высокое число Рейнольдса, поскольку получить полномасштабное число Рейнольдса с помощью полномасштабного транспортного средства непрактично. [ нужна цитата ]
Туннели V/STOL требуют большой площади поперечного сечения, но лишь малых скоростей. Поскольку мощность меняется в зависимости от куба скорости, мощность, необходимая для операции, также меньше. Примером туннеля V / STOL является туннель НАСА в Лэнгли размером 14 на 22 фута (4,3 на 6,7 м). [25]
Самолеты имеют тенденцию вращаться во время сваливания . Эти туннели используются для изучения этого явления.
Автомобильные аэродинамические трубы делятся на две категории:
Вунибальд Камм построил первую полномасштабную аэродинамическую трубу для автомобилей. [26]
Для тоннелей внешнего потока применяются различные системы компенсации воздействия пограничного слоя на дорожное покрытие, в том числе системы движущихся ремней под каждым колесом и кузовом автомобиля (5 или 7 ременных систем) или один большой ремень под всем автомобиль или другие методы контроля пограничного слоя, такие как совки или перфорации для его удаления. [27]
Эти туннели используются при изучении шума, создаваемого потоком, и его подавлении.
Высокоэнтальпийная аэродинамическая труба предназначена для изучения обтекания воздушным потоком объектов, движущихся со скоростями, значительно превышающими местную скорость звука ( гиперзвуковые скорости). « Энтальпия » — это полная энергия газового потока, состоящая из внутренней энергии, обусловленной температурой, произведением давления на объем и скоростью потока. Дублирование условий гиперзвукового полета требует больших объемов нагретого воздуха высокого давления; Двумя используемыми методами являются большие горячие резервуары под давлением и электрические дуги. [28]
Аэродинамические принципы аэродинамической трубы одинаково действуют на водные суда, за исключением того, что вода более вязкая и поэтому оказывает на испытуемый объект большие силы. Петлеобразный лоток обычно используется для подводных аквадинамических испытаний. Взаимодействие между двумя различными типами жидкостей означает, что чистое испытание в аэродинамической трубе актуально лишь частично. Однако аналогичные исследования проводятся и на буксирном танке .
Воздух не всегда является лучшей испытательной средой для изучения принципов аэродинамики в небольших масштабах из-за скорости воздушного потока и движения профиля. Исследование крыльев плодовых мух, призванное понять, как крылья создают подъемную силу, проводилось с использованием большого резервуара с минеральным маслом и крыльев, размер которых в 100 раз превышал реальный размер, чтобы замедлить взмахи крыльев и облегчить вихри, создаваемые крыльями насекомых. увидеть и понять. [29]
Также проводятся испытания в аэродинамической трубе для точного измерения движения воздуха вентиляторами 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 гидравлической установки. Две измерительные трубки позволяют измерять как более низкие воздушные потоки (< 30 000 м 3 /ч), так и более высокие воздушные потоки (< 60 000 м 3 /ч). Определение кривой Q/h вентилятора является одной из основных задач. Для определения этой кривой (и определения других параметров) измеряются воздушные, механические и электротехнические параметры:
Воздушно-техническое:
Электротехнические:
Измерение может проводиться на вентиляторе или в приложении, в котором используется вентилятор.
В ветротехнике испытания в аэродинамической трубе используются для измерения скорости вокруг, а также сил или давления на конструкции. [30] Очень высокие здания, здания необычной или сложной формы (например, высокое здание параболической или гиперболической формы), вантовые подвесные мосты или вантовые мосты анализируются в специализированных аэродинамических трубах пограничного слоя атмосферы. Они имеют длинный участок с наветренной стороны, что позволяет точно отображать скорость ветра и профиль турбулентности, воздействующий на конструкцию. Испытания в аэродинамической трубе обеспечивают необходимые измерения расчетного давления при использовании динамического анализа и контроля высотных зданий.
