Clasificación de los experimentos en túneles de viento.
Los experimentos de medición de fuerza longitudinal y transversal del modelo general y las piezas son experimentos para medir las fuerzas en el modelo a lo largo de tres ejes mutuamente perpendiculares y los momentos alrededor de los tres ejes. El experimento sin medición de deslizamiento es el longitudinal. experimento, el experimento con medición de deslizamiento es un experimento transversal. El modelo se sostiene en el túnel de viento mediante puntales de vientre o puntales de cola (Figuras 1 y 2).
Para estudiar la contribución e interferencia de cada componente, además de los experimentos de desmontaje y montaje de toda la máquina y sus componentes, un método más preciso es instalar múltiples balanzas en el modelo y medir la aerodinámica. Fuerza de toda la máquina y componentes al mismo tiempo. Para una aeronave con una superficie de simetría, bajo las condiciones de simetría alrededor del flujo, la pared del túnel de viento o el reflector se pueden usar como superficie de simetría, y la mitad del modelo se puede usar para experimentos. Este tipo de experimento se denomina experimento de semimodelo. Sus ventajas son que el modelo se puede hacer más grande, el número de Reynolds puede ser mayor, no hay interferencia del refuerzo de la cola y la fabricación es conveniente y económica. La desventaja es que en la pared de la cueva existen capas límite y huecos, por lo que sólo se pueden realizar experimentos longitudinales. El experimento del flujo en chorro es un experimento para medir el impacto del flujo en chorro expulsado por el motor de la aeronave sobre las características aerodinámicas de la carrocería del avión. Es difícil simular con precisión los chorros en un túnel de viento. Además de simular el número de Mach de flujo libre Mα∞, la relación de calor específico γ y la geometría de la boquilla, se pueden utilizar otros parámetros similares como la relación de presión estática pj/p∞, el número de Mach de salida Mαj, la relación de calor específico γ1, la constante universal de gas y la relación del producto. de temperaturas termodinámicas (RT)j/(RT)∞. Normalmente, sólo algunos de estos elementos pueden simularse de forma selectiva. Por ejemplo, cuando la boquilla está en la parte inferior del avión, se puede utilizar aire frío para simular el flujo del chorro. Cuando la tobera está situada aguas arriba del fondo de la aeronave, también se deberían simular γ1 y (RT)j/(RT)∞. Es apropiado utilizar un motor de cohete a escala para simular el flujo en chorro de un motor de cohete. La clave del experimento del jet es el desarrollo de balanzas de alta precisión, pequeños soportes de interferencia y sistemas de sellado de gas que transmiten fuerza.
Los experimentos de aeroelasticidad estática son experimentos que miden el efecto de la rigidez del modelo sobre las características aerodinámicas. Por lo general, los modelos en los experimentos en túneles de viento están hechos de metal de alta resistencia y rigidez, mientras que la rigidez de los aviones reales es mucho menor que la del modelo. Por lo tanto, es necesario hacer un modelo elástico con metal como esqueleto y madera de balsa o plástico como relleno, que pueda simular la rigidez a la flexión y torsión de las piezas de un avión. Puede colocarse en un túnel de viento para realizar experimentos de alta presión dinámica. para simular las condiciones de vuelo y se puede medir la rigidez del modelo. Se corrige la influencia de los datos del experimento del modelo de cuerpo rígido.
El experimento de medición de fuerza externa y trayectoria de entrega es un experimento para medir la fuerza aerodinámica y la trayectoria de entrega de tanques de combustible externos, bombas u otros objetos en la aeronave. Debido a la limitación del tamaño del túnel de viento, el modelo enchufable en el túnel de viento es muy pequeño y difícil de medir. Uno de los primeros experimentos fue el diseño de una báscula especial para tiendas. La balanza se puede colocar sobre el modelo colgante o sobre su soporte para realizar mediciones directas. La trayectoria de la tienda se registra mediante fotografía de alta velocidad o técnicas de exposición múltiple para registrar el modelo liberado libremente. La Figura 3 es una fotografía de la trayectoria del objeto colgante tomada con múltiples exposiciones en un túnel de viento de baja velocidad. Este método es simple e intuitivo, pero es difícil diseñar y ajustar el modelo debido a la necesidad de simular el número de Froude. Desde la década de 1960 se han desarrollado sistemas de medición de balanza dual en los que el modelo base y el adicional se apoyan en sus propias balanzas.
En el experimento, primero se mide la fuerza aerodinámica del objeto suspendido y la máquina principal, y luego se ingresa en la computadora para calcular la siguiente posición del objeto suspendido bajo la fuerza aerodinámica a través de la ecuación de movimiento y un intervalo de tiempo determinado, y luego se manipula el objeto suspendido para que se mueva a la posición calculada antes de la medición. hasta medir la trayectoria deseada. En este momento, también se miden simultáneamente todas las fuerzas aerodinámicas instantáneas de la máquina madre y del motor externo. Este enfoque no requiere que los modelos sean dinámicamente similares y los modelos se pueden utilizar varias veces. Al mismo tiempo, el dispositivo también se puede utilizar para otros experimentos con dos cuerpos o mediciones balísticas después de detenerse en ángulos de ataque elevados. La desventaja es la alta precisión y el alto coste de fabricación.
Además de los experimentos anteriores, también existen algunos experimentos especializados de medición de fuerza, como medición de torque de bisagra, medición de fricción, medición de resistencia de admisión, fuerza Magnus y medición de torque (ver efecto Magnus). , todos los cuales requieren escalas especialmente diseñadas.
En el experimento de medición de presión, se miden los parámetros de presión locales de la pared del túnel de viento, los puntos de la superficie del modelo y los puntos medios del flujo de aire. A cada punto del campo de flujo corresponde una presión total p0 y una presión estática p∞. La presión total es la presión que se puede alcanzar cuando la velocidad final cae a cero, suponiendo que el flujo de aire es isentrópico y adiabático. La presión estática es la fuerza normal entre capas que interactúan en un flujo de aire. En un fluido incompresible, la diferencia entre la presión total y la presión estática, es decir, el aumento de presión (P0-P ∞) causado por el efecto aerodinámico del punto de flujo se llama presión dinámica o presión de velocidad q∞. La medición de la presión del flujo de aire es uno de los elementos de medición más básicos en los experimentos aerodinámicos.
En 1738, Daniel I. Bernoulli estableció la relación entre presión y velocidad en fluidos no viscosos e incompresibles, lo que más tarde se conoció como teorema de Bernoulli. Este teorema se amplió posteriormente a los fluidos compresibles. Dado que es más fácil medir la presión del flujo de aire, la velocidad a menudo se calcula midiendo la presión del flujo de aire en experimentos en túneles de viento.
La presión pi en un determinado punto de la superficie de un objeto (como el punto I) a menudo se expresa como el coeficiente de presión adimensional Cρii. Si p∞ y q∞ representan la presión estática y la presión dinámica del flujo de aire no perturbado en el frente lejano respectivamente, entonces Cρii es la relación entre la presión residual (pi-q∞) en ese punto y la presión dinámica q∞.
El experimento de medición de presión más común en túneles de viento es la medición de la distribución de presión en la superficie del modelo. El orificio de medición de presión se abre directamente en la superficie del modelo. A través de experimentos, se pueden comprender las características del flujo local y se pueden sintetizar las características aerodinámicas generales. Los más comunes incluyen la medición de presión de aeronaves, la medición de presión de automóviles y la medición de presión de edificios. El experimento de medición de la presión de entrada tiene como objetivo obtener las características de recuperación de presión total del flujo de la entrada a través del orificio de medición de presión en la superficie de la entrada y la medición de la presión del tubo de escape en la tubería. El campo de velocidad, el campo de presión y el campo de dirección en la calibración del campo de flujo del túnel de viento también se miden mediante mediciones de presión. Además, la medición de la presión de la capa límite también es un proyecto experimental habitual. A veces, la resistencia de un objeto binario se calcula midiendo la presión de estela. Por lo tanto, los experimentos de medición de presión en túneles de viento se han utilizado ampliamente en el diseño y la investigación de ingeniería.
Tubos de detección de presión total y presión estática y manómetros o sensores de presión utilizados para medir la presión total y la presión estática del flujo de aire en túneles de viento. Las figuras 4 y 5 muestran las estructuras de tuberías de presión total generales y tuberías de presión estática. Los tubos de escape de presión total o presión estática permiten tomar muchas mediciones de presión simultáneamente. Pero la interacción entre los tubos es mínima. Los orificios de medición de presión en la superficie del modelo deben ser perpendiculares a la superficie local y los bordes de los orificios deben ser lisos y libres de rebabas. La ubicación del orificio de presión estática en el tubo de detección de presión estática es particularmente importante. Debe verse mínimamente afectada por la cabeza del tubo de presión estática y el mango de soporte. La tubería de transmisión de presión en el dispositivo medidor de presión no puede ser demasiado larga, de lo contrario la presión en la tubería tardará mucho en alcanzar el equilibrio. Un experimento para medir el calentamiento aerodinámico de la superficie del modelo por el flujo de aire que fluye alrededor del modelo bajo la condición de que el flujo de aire y el modelo se muevan relativamente a alta velocidad. Cuando el número de Mach en vuelo de la aeronave es superior a 3, se debe considerar el impacto del calentamiento aerodinámico en la forma, la rugosidad de la superficie y la estructura de la aeronave. El propósito del experimento de transferencia de calor en el túnel de viento es proporcionar datos ambientales térmicos confiables para el diseño de protección térmica de aeronaves. Los proyectos experimentales incluyen: experimentos de flujo de calor en superficies lisas y rugosas, experimentos sobre el impacto de la transición de la capa límite y la inyección de masa en el flujo de calor, y experimentos de flujo de calor en flujos de separación como escalones, espacios, ondas de choque y capas límite. En los experimentos de transferencia de calor en túneles de viento, generalmente se ignora la radiación térmica y sólo se considera el calentamiento por convección. Los parámetros a simular incluyen el número de Mach, el número de Reynolds, la relación de temperatura de la pared, la rugosidad relativa (relación entre la rugosidad y el espesor del desplazamiento de la capa límite), la tasa de inyección de masa, la turbulencia libre, etc.
Generalmente, los experimentos de transferencia de calor se pueden llevar a cabo en túneles de viento hipersónicos, túneles de viento de pulso, túneles de viento de ondas de choque, calentadores de arco, túneles de viento de baja densidad y objetivos balísticos, pero no pueden simular completamente los parámetros anteriores. Por tanto, se requiere un análisis exhaustivo de los datos experimentales de diferentes dispositivos. Hay dos métodos para los experimentos de transferencia de calor en túneles de viento: uno es la tecnología de mapeo térmico para determinar la distribución de la densidad del flujo de calor, como recubrir materiales de cambio de fase en la superficie del modelo y registrar el proceso de expansión de la isoterma a lo largo del tiempo; para combinar pintura y fósforo en polvo La mezcla se aplica a la superficie del modelo y la distribución del flujo de calor se obtiene registrando la distribución de brillo del fósforo (este último método tiene una respuesta rápida y alta sensibilidad). La tecnología de mapeo térmico puede proporcionar abundantes datos de calentamiento aerodinámico, pero con menor precisión. La otra es la tecnología de medición térmica, que utiliza un calorímetro para medir el calor en puntos dispersos. Generalmente, bajo el supuesto de conducción de calor unidimensional, la densidad del flujo de calor se mide midiendo la tasa de cambio de temperatura con el tiempo. Generalmente, hay dos tipos de calorímetros comúnmente utilizados en túneles de viento hipersónicos: ①Calorímetro de pared delgada, que requiere que la pared del modelo sea muy delgada para que la temperatura de las superficies interna y externa del modelo sea casi igual cuando se calienta. Un termopar. Se instala en la superficie interior para medir el cambio de temperatura con el tiempo y calcular la densidad del flujo de calor. (2) El medidor Gaden fue propuesto por R. Gaden en 1953. Se basa en la relación entre el gradiente de temperatura entre el centro y el borde del elemento calentado y la densidad del flujo de calor. Los calorímetros de pared delgada y los Gardiner no se pueden utilizar en túneles de viento de pulso porque tardan mucho en alcanzar el equilibrio de temperatura. En los túneles de viento por impulsos se pueden utilizar para las mediciones calorímetros de enchufe y termómetros de resistencia de película delgada. Los calorímetros de enchufe utilizan un elemento calorimétrico para absorber el calor que se le introduce, luego miden la tasa promedio de cambio de temperatura del elemento y calculan el flujo de calor de la superficie.
Los experimentos de transferencia de calor en túneles de viento no solo deben resolver adecuadamente problemas como el diseño del modelo, protección, enfriamiento, transmisión de señales, etc., sino también estudiar la tecnología de simulación, reducir el tamaño del sensor, resolver problemas de estabilidad del sensor y determinar Varios factores inciertos afectan la precisión de los resultados experimentales. Los experimentos para determinar el movimiento relativo del modelo con respecto al flujo de aire y el cambio de la fuerza aerodinámica en el modelo con el tiempo incluyen experimentos de aleteo, experimentos de vibración, experimentos de estabilidad dinámica, experimentos de zumbido en la superficie de control, mediciones de presión inestable, etc.
Experimento de aleteo El aleteo es una vibración autoexcitada causada por la absorción de energía del flujo de aire por parte de la aeronave bajo la acción combinada de la fuerza aerodinámica, la fuerza elástica estructural y la fuerza de inercia. Una vez que ocurre, es probable que cause daños estructurales. Se realizan pruebas de aleteo en túnel de viento para seleccionar soluciones estructurales que contribuyan a prevenir el aleteo (consulte la prueba de aleteo).
Experimento del buffet Buffet es la vibración de la estructura del avión provocada por la separación del flujo de aire. Cuando se vuela a baja velocidad y con un ángulo de ataque alto, la separación del flujo de aire en la superficie de sustentación producirá sacudidas después de alcanzar un cierto grado, lo que se denomina sacudidas de sustentación. Durante el vuelo transónico, el ángulo de ataque inicial del impacto se reduce significativamente debido a la inducción de ondas de choque. Además, se produce una sacudida que no se levanta debido a la separación del flujo de aire. Buffet afecta la resistencia estructural y la vida útil de la aeronave, hace que los sistemas de armas y los instrumentos electrónicos funcionen de manera anormal y hace que los pasajeros se sientan incómodos. La curva del coeficiente de sustentación (ver sustentación) correspondiente al ángulo de ataque inicial del impacto con el número de Mach se llama límite de impacto. Cuanto mayor sea el límite de la oscilación, menor será la velocidad mínima de vuelo de la aeronave y mejor será la maniobrabilidad y la seguridad en vuelo. La prueba del buffet mide el límite del buffet y la carga del buffet. El límite de sacudida se puede determinar mediante el método del momento flector medio cuadrático y el método de divergencia de presión estática del borde de salida. El llamado método del momento flector medio cuadrático consiste en pegar un medidor de tensión en la raíz del ala del modelo y, con un cierto número de Mach, medir el valor horizontal medio cuadrático que es proporcional al momento flector raíz en diferentes ángulos de ataque, y luego el valor horizontal comienza a aumentar bruscamente. El ángulo de ataque correspondiente al punto se determina como el ángulo de ataque inicial del golpe. El llamado método de divergencia de presión estática del borde de salida es un método para medir la presión estática del borde de salida de un perfil aerodinámico utilizando el principio de que la presión estática del borde de salida aumenta rápidamente después de la separación del flujo de aire. Además de mantener la similitud aerodinámica entre el modelo y el modelo real, también es necesario simular la frecuencia de flexión de primer orden. Los experimentos Buffet tienen requisitos estrictos en cuanto al nivel de ruido del túnel de viento, el grado de turbulencia y el estado de la capa límite de la superficie del modelo.
Un experimento para medir derivadas dinámicas utilizando experimentos de estabilidad dinámica. La derivada dinámica es la derivada de la fuerza aerodinámica y el par a la tasa de cambio de tiempo de los parámetros de movimiento, como la derivada del momento de rodadura mx a la velocidad angular de rodadura ωx, que generalmente desempeña un papel de amortiguación y también se denomina balanceo. derivada de amortiguación. Los experimentos de derivación dinámica generalmente utilizan modelos rígidos, la dinámica de desgasificación es similar y se requiere que la frecuencia de restauración ωL/v sea la misma que la del objeto real, donde ω es la frecuencia de vibración l es la longitud característica v es la velocidad del aire; .
Para medir la derivada dinámica en un túnel de viento se utiliza generalmente el método de vibración libre o el método de vibración forzada. El método de vibración libre consiste en darle al modelo un cierto desplazamiento inicial y luego liberarlo para que pueda atenuar libremente las vibraciones en el flujo de aire. La derivada dinámica se determina en función del historial de desplazamiento del modelo registrado. Este método cuenta con un equipo simple, pero se ve muy afectado por interferencias externas, como el ruido de fondo del túnel de viento, y su precisión no es alta. El método de vibración forzada aplica un par de excitación sinusoidal de una determinada frecuencia al sistema modelo. En este proceso, se utiliza un instrumento de medición para medir la diferencia de fase entre su momento de excitación y el desplazamiento angular de la vibración del modelo, determinando así la derivada dinámica. Además, las derivadas dinámicas se pueden medir mediante el vuelo libre de un modelo de túnel de viento.
Experimento del zumbido de la superficie de control El zumbido de la superficie de control es un movimiento inestable de un solo grado de libertad causado por la interacción de las ondas de choque en las alas, la separación de la capa límite de la onda inversa y la deflexión de la superficie de control cuando el avión vuela. a velocidades transónicas. El zumbido de la superficie de control es sensible al número de Mach. El zumbido reducirá la eficiencia del control o incluso provocará fallas en el control. En casos severos, puede provocar daños por fatiga en la estructura. Mediante la prueba del zumbador, se pueden determinar las características de vibración de la superficie de control de la aeronave y se pueden proporcionar métodos para eliminar la vibración y determinar indicadores de rigidez. El modelo experimental de zumbador consta de un ala principal rígida y una superficie de control, y la rigidez del sistema de control puede simularse mediante una hoja de resorte. La amortiguación estructural del sistema de control debería ser aproximadamente equivalente a la del objeto físico. En el experimento, la forma de onda de vibración se mide mediante el sistema de medición de tensión, y la intensidad de la vibración también se puede medir mediante el registrador de nivel cuadrático medio.
La medición de la presión inestable es un método básico para estudiar la aerodinámica inestable. Hay dos métodos de medición: uno es utilizar microsensores de presión integrados en el modelo para medir la presión inestable en múltiples puntos simultáneamente; el otro es colocar muchos tubos de presión en el modelo y medir la presión inestable a través del escaneo. La válvula está conectada al sensor. El uso de este último método requiere la corrección de las características de transferencia dinámica de la tubería en condiciones de soplado.
En experimentos dinámicos, el ruido de fondo del túnel de viento tiene un gran impacto en la precisión de los resultados experimentales. Por lo tanto, además de limitar el nivel de ruido del túnel de viento, se deben utilizar técnicas experimentales para reducir el impacto del ruido del túnel de viento, como el uso de filtrado de correlación y promediado de conjuntos en el procesamiento de datos. Equipado con equipos de análisis dinámico con capacidades rápidas de transformada de Fourier, puede mejorar significativamente las capacidades experimentales dinámicas y lograr análisis en tiempo real.
El experimento de observación del flujo es un método experimental que utiliza medios físicos y químicos para convertir el flujo de aire incoloro y transparente en el túnel de viento en un flujo de aire visible. Con esta tecnología, la imagen física del flujo de gas se puede observar directamente a simple vista u otros medios auxiliares, profundizando así la comprensión del mecanismo del flujo de gas y descubriendo problemas en el flujo de gas de manera oportuna. Los resultados de la observación también se pueden utilizar para verificar algunas teorías e hipótesis y ayudar a establecer modelos matemáticos de problemas de flujo complejos. Esta técnica es un método fundamental para experimentos aerodinámicos.
Existen muchos fenómenos en la naturaleza que pueden mostrar el flujo de fluidos. El movimiento de los objetos flotantes en la superficie del agua a menudo indica la dirección del flujo de agua; el humo de los incendios muestra el patrón de ascenso y propagación del aire caliente. A finales de 2019 comenzó la investigación científica utilizando tecnología de visualización de flujo en el laboratorio. 1883 O. Reynolds introdujo una corriente de agua teñida en el flujo de la tubería y juzgó si el flujo en la tubería era laminar o turbulento en función de si el agua teñida era un flujo regular de color claro o un flujo caótico. En 1893, L. Mach observó el flujo de aire y el humo alrededor de una placa plana colocada verticalmente en un túnel de viento. Con el desarrollo de los túneles de viento y el avance de la ciencia y la tecnología, cada vez existen más métodos de observación del flujo.
Los métodos de observación de las condiciones del flujo en túneles de viento se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías: la primera es el método del trazador; la segunda es el método óptico.
El método del trazador
agrega líquidos coloreados, humo, hilos, partículas sólidas y otras sustancias al campo de flujo, y observa el patrón de movimiento de los aditivos con el fluido a través de fotografías o el ojo desnudo. Siempre que el aditivo sea lo suficientemente pequeño y su gravedad específica sea cercana a la del medio que fluye, el diagrama de movimiento del aditivo que se muestra indica el movimiento del flujo de aire. Este es un método de visualización indirecta, especialmente adecuado para mostrar un flujo estable. Hay seis métodos comúnmente utilizados: método de hilo de seda, método de flujo de humo, método de flujo de aceite, método de sublimación, método de pantalla de vapor y método de visualización de cristal líquido:
(1) El método del hilo de seda consiste en pegar hilo de seda , lana y otras fibras en la superficie del modelo que se está observando o en la malla detrás del modelo.
A través del diagrama de isobaras del campo de flujo registrado por la luz de señal multicolor, se puede ver claramente la distribución del vórtice y la imagen del vórtice detrás del modelo de avión. Recientemente, esta tecnología se ha desarrollado para registrar directamente la señal de presión detectada por el sensor en una cinta magnética e introducirla en una computadora para su procesamiento. La sonda del sensor puede ser una sonda de presión, un hilo caliente, una película térmica u otra sonda. Los datos procesados se pueden visualizar en un televisor en color. Dado que no se utiliza el dispositivo de cámara, se utiliza una computadora, lo que brinda una gran comodidad: se puede procesar una gran cantidad de datos al mismo tiempo (pueden ser los datos detectados por una sonda o los datos detectados por varias sondas); color de la pantalla Hasta 4096 tipos (pero debido a la limitación de la resolución del ojo humano, solo hay de 20 a 30 colores de uso común, para áreas de especial interés, la visualización detallada de colores se puede ampliar y aumentar además); El plano de datos mostrado se puede girar según sea necesario para obtener imágenes en color del campo de flujo observado desde diferentes ángulos. Por ejemplo, se puede observar en un plano perpendicular al eje del túnel de viento, o en un plano paralelo al eje del túnel de viento, o en cualquier otro plano. Las pantallas de televisión en color de alta resolución indican la dirección del flujo con colores y flechas.