Аэродинамическая труба бизнес план: Бизнес-план аттракциона Аэродинамическая труба с расчетами

Работая над проектом Extractives, я взял те же принципы и применил их к гибкому подходу к созданию программных систем.Он способствует адаптивному планированию, эволюционному развитию, раннему выполнению, непрерывному совершенствованию и способствует быстрому и гибкому реагированию на изменения.

Здесь, в Companies House, разработка разделена на три этапа на основе подхода государственных цифровых услуг (GDS) к построению систем: обнаружение, альфа и бета. «Аэродинамическую трубу» можно использовать на любом этапе этого жизненного цикла. Я попробовал экспериментальную комбинацию артефактов и ресурсов для создания гибкой версии аэродинамической трубы, которую инженеры использовали в течение многих лет, чтобы получить представление о своих конструкциях.

Итак, как и в настоящей аэродинамической трубе, где стационарная модель заменяет реальный артефакт, я заменил готовую систему существующими тестовыми системами, экранами прототипа и первым сокращенным бизнес-процессом — моделью предлагаемой системы.

Помимо непосредственных действующих лиц и артефактов, выбранных для этого сценария, я пригласил других ключевых заинтересованных лиц, которые сидели в аудитории и наблюдали, как модельная система выполняет свои функции.

Просто чтобы дать представление о ролях: у меня был кто-то, играющий нашего генерального директора, который в конечном итоге несет ответственность за соблюдение юридических ограничений и правил, и я играл разгневанного клиента с жалобой.Еще у меня был кто-то на роль директора крупной транснациональной компании, данные которой послужили причиной жалобы и которая должна была ответить. Администратора играл кто-то из подходящей команды, и у меня также был писец, единственной целью которого было записывать все поднятые вопросы для последующего анализа и обсуждения.

Каков был результат? Гибкая аэродинамическая труба показывала, где бизнес-поток не был плавным, как должен быть воздушный поток в настоящей аэродинамической трубе. Он выявил дыры в системе, в бизнес-процессах, которые требовали доработки, и некоторые из них, которые были упущены.Важно отметить, что в нем выделены различные юридические моменты для расследования. Он также подтвердил, что, несмотря на недостающие биты и качки, фаза открытия действительно создала схему для развития и создания более функциональной альфа-версии системы.

В заключение, я считаю, что этот метод очень полезен для изучения сложного взаимодействия с пользователем и юридических ограничений, или там, где существует какой-либо сложный расчет, который может иметь различные результаты с возможными серьезными последствиями.Как экспериментальная техника, использующая гибкий подход, она оказалась успешной. Затраты времени (около часа подготовки плюс час семинара) окупаются вложением в проект.

для быстрой и недорогой аэродинамической трубы

1. Введение

Аэродинамические трубы — это устройства, которые позволяют исследователям изучать потоки над интересующими объектами, силы, действующие на них, и их взаимодействие с потоком, что в настоящее время играет все более важную роль из-за шумового загрязнения.С самого первого дня аэродинамические трубы использовались для проверки аэродинамических теорий и облегчения проектирования самолетов, и в течение очень долгого времени это оставалось их основным применением. В настоящее время аэродинамические исследования распространились на другие области, такие как автомобильная промышленность, архитектура, окружающая среда, образование и т. Д., Что сделало испытания в аэродинамической трубе на низкой скорости более важными. Хотя полезность методов CFD со временем улучшилась, тысячи часов испытаний в аэродинамической трубе (WTT) по-прежнему необходимы для разработки нового самолета, ветряной турбины или любой другой конструкции, которая предполагает сложное взаимодействие с потоком.Следовательно, из-за растущего интереса других отраслей промышленности и науки к аэродинамике малых скоростей, а также из-за постоянной неспособности достичь точных решений с помощью числовых кодов, аэродинамические трубы для низких скоростей (LSWT) необходимы и незаменимы при исследованиях и проектировании.

Важнейшей характеристикой аэродинамических труб является качество потока внутри испытательной камеры и общие рабочие характеристики. Для их определения обычно используются три основных критерия: максимально достижимая скорость, однородность потока и уровень турбулентности.Таким образом, целью конструкции аэродинамической трубы в целом является получение контролируемого потока в испытательной камере, достижение необходимых характеристик потока и параметров качества.

В случае авиационных LSWT требования к этим параметрам чрезвычайно жесткие, что часто существенно увеличивает стоимость оборудования. Но низкая турбулентность и высокая однородность потока необходимы только тогда, когда, например, необходимо исследовать ламинарные пограничные слои. Другой пример их использования — испытания сгорания авиационных двигателей; это, в свою очередь, требует дорогостоящей системы, которая очищала бы воздух в туннеле для поддержания такого же качества воздуха.Другой все более важной частью конструкции самолетов является их шумовой след, и обычно единственный способ проверить это явление — в аэродинамической трубе.

Очевидно, что в автомобильной промышленности первостепенное значение имеет аэродинамическое сопротивление автомобиля. Тем не менее, при высоком уровне контроля этого параметра, а также из-за наложенных ограничений скорости большая часть усилий направлена ​​на снижение аэродинамического шума. Моделирование эффекта земли также очень важно, что приводит к очень сложным средствам, позволяющим тестировать как моделирование эффекта земли, так и производство шума на участке испытаний.

В архитектуре из-за того, что здания расположены на земле и обычно имеют относительно небольшую высоту, они находятся в пределах пограничного слоя атмосферы. Поэтому моделирование эквивалентного пограничного слоя с точки зрения средней скорости и уровня турбулентности становится сложной задачей.

Конструкция аэродинамических труб в основном зависит от их конечного назначения. Помимо вертикальных аэродинамических труб и других, используемых для конкретных испытаний (например, аэродинамических труб с избыточным давлением или криогенных аэродинамических труб), большинство LSWT можно разделить на две основные группы: открытые и замкнутые цепи.Их можно разделить на открытые и закрытые испытательные секции.

Для большинства применений, в основном для аэродинамических труб среднего и большого размера, типичной конфигурацией является закрытый контур и закрытая испытательная камера. Хотя благодаря сохранению кинетической энергии воздушного потока эти аэродинамические трубы достигают наивысшей экономической эффективности эксплуатации, их сложнее проектировать из-за их общей сложности. Поэтому в этой главе мы уделим им больше внимания.

Помимо некоторых ранее построенных аэродинамических труб для образовательных целей в UPM, с 1995 года был разработан ряд LSWT в соответствии с методологией, которая будет представлена ​​здесь.Он ориентирован на снижение затрат на строительство и эксплуатацию при заданных требованиях к производительности и качеству.

Процедура проектирования была впервые использована для теоретического проектирования LSWT для испанского Consejo Superior de Deportes, который должен был иметь испытательную секцию размером 3,0 x 2,5 x 10,0 м ³ с максимальной рабочей скорость 40 м / с. На основе этой конструкции в UPM была построена модель в масштабе 1: 8. Эта масштабная аэродинамическая труба использовалась в исследовательских и образовательных целях.

Второй раз это было во время проектирования LSWT для Instituto Tecnológico y de Energías Renovables de Tenerife (ITER).Эта аэродинамическая труба используется с февраля 2001 г. и работает в двух конфигурациях: со средним качеством потока при максимальной рабочей скорости 57 м / с и с высоким качеством потока при максимальной рабочей скорости 48 м / с. Для получения дополнительной информации посетите www.iter.es.

Другой пример этой процедуры проектирования — LSWT для Universidad Tecnológica de Perú, который теперь обычно используется в учебных целях. Сейчас эта аэродинамическая труба находится в эксплуатации около полутора лет.

В настоящее время такая же процедура используется для проектирования LSWT для Пекинского технологического института (BIT).Эта аэродинамическая труба будет использоваться в образовательных и исследовательских целях. Он будет иметь качественный поток до 50 м / с на испытательном участке 1,4 x 1,0 x 2,0 м ³ . Он будет использоваться для типовых аэродинамических испытаний и каскадных испытаний профилей (с использованием первого угла контура аэродинамической трубы).

Метод расчета, представленный в этой главе, основан на классическом методе расчета и анализа внутренних каналов, например Memento des pertes de charge: Коэффициенты de pertes de charge singulières et de pertes de charge par frottement, I.Э. Идельчик [Eyrolles, 1986]. Он также включает вспомогательное программное обеспечение для проектирования, такое как крупноформатная электронная таблица Excel со всеми полными формулировками и схемами размеров для автоматического пересчета. На данный момент лучшим примером использования метода является упомянутый выше метод BIT-LSWT, поскольку он был определен с использованием новейшего и наиболее надежного поколения методологии проектирования аэродинамической трубы.

2. Основная конструкция Критерии

Общая схема предлагаемой аэродинамической трубы представлена ​​на рисунке 1.Воздушный поток циркулирует в направлении, указанном в испытательной камере (против часовой стрелки на рисунке). Перед испытательной камерой мы находим два других основных компонента аэродинамической трубы: зону сжатия и отстойную камеру. Другой важный компонент — конечно же, силовая установка. Остальные компоненты служат для замыкания контура при минимизации потерь давления. Тем не менее диффузор 1 и угол 1 также имеют важное влияние на качество потока и отвечают за более чем 50% общей потери давления.

Критерии проектирования тесно связаны со спецификациями и требованиями, и они должны соответствовать применению в аэродинамической трубе. Стоимость строительства и эксплуатации аэродинамической трубы в значительной степени зависит от технических характеристик и является лишь следствием ожидаемых применений.

В случае так называемой промышленной аэродинамики или образовательных приложений требования, связанные с качеством потока, могут быть ослаблены, но для исследовательских и авиационных приложений качество потока становится очень важным, что приводит к более дорогостоящему строительству и более высоким эксплуатационным расходам.

Рисунок 1.

Общий вид низкоскоростной аэродинамической трубы замкнутого контура. На этикетках на рисунках указано название детали в соответствии со стандартами.

Основными характеристиками аэродинамической трубы являются размеры испытательной секции и желаемая максимальная рабочая скорость. Вместе с этим качество потока с точки зрения уровня турбулентности и равномерности потока должно быть указано в соответствии с приложениями. На этом этапе также следует определить, будут ли все компоненты аэродинамической трубы размещены на полу в горизонтальном или вертикальном расположении, при этом только половина контура будет на полу, а другая половина — наверху. Это.

Качество потока, которое является одной из основных характеристик, является результатом всей окончательной конструкции и может быть проверено только во время калибровочных испытаний. Однако, согласно предыдущим эмпирическим знаниям, можно следовать некоторым правилам для выбора адекватных значений переменных, которые влияют на соответствующие параметры качества. Рекомендуемые значения будут обсуждаться в разделах, соответствующих Сжатию, Осадочной камере, Диффузору 1 и Углу 1, которые являются частями аэродинамической трубы, которые оказывают наибольшее влияние на качество потока.

После того, как эти спецификации даны, очень важно получить с одной стороны общие размеры аэродинамической трубы, чтобы проверить их совместимость с имеющимся помещением, а с другой стороны — предварительную оценку общей стоимости. Стоимость в основном связана с внешней формой аэродинамической трубы и требованиями к силовой установке.

Для новых проектировщиков аэродинамической трубы был разработан инструмент, реализованный в виде электронной таблицы Excel (посетите веб-страницу http: // www.aero.upm.es/LSLCWT). Используя этот инструмент, конструктор сразу же получит информацию о каждой части аэродинамической трубы, ее габаритных размерах, общих и индивидуальных коэффициентах потери давления и требуемой мощности. Это будет сделано в соответствии с рекомендованными входными параметрами и спецификациями, основанными на предполагаемом использовании аэродинамической трубы.

3. Определение компонентов аэродинамической трубы

В следующих разделах будет подробно обсуждаться и детально анализироваться конструкция каждой части, чтобы получить лучший дизайн, отвечающий общим и частным требованиям.Прежде чем приступить к рассмотрению каждого компонента, мы дадим несколько общих комментариев для наиболее важных частей. В случае зоны сжатия решающее значение имеет ее конструкция для достижения требуемого качества потока в испытательной секции. В этом смысле его коэффициент сжатия, длина и определение контура определяют уровень однородности профиля скорости, а также необходимое ослабление турбулентности. Очень важно избегать отрыва потока вблизи стенок зоны сжатия. На стадии проектирования наиболее адекватным методом проверки соответствия конструкции этим критериям является вычислительная гидродинамика (CFD).

Еще одна важная часть конструкции аэродинамической трубы, заслуживающая упоминания, — это углы, в которые входят поворотные лопатки. Их цель — уменьшить потерю давления и, в случае угла 1, возможно, улучшить качество потока в испытательном участке. Параметры, которые следует учитывать при их разработке, — это расстояние между лопатками (должно ли пространство быть постоянным или нет) и возможность расширения потока (увеличения поперечного сечения).

Для завершения процесса проектирования необходимо определить измерительное оборудование вместе с дополнительными калибровочными испытаниями.Особое внимание необходимо уделить спецификации и выбору весов для измерения сил, устройства, которое используется для измерения аэродинамических сил и моментов на модели, подвергающейся воздействию воздушного потока в испытательной секции. Поскольку сила сопротивления на испытуемых объектах может быть очень малой и значительный шум может исходить от вибрации компонентов туннеля, таких как модельный стенд, истинное значение сопротивления может быть скрыто. Поэтому выбор подходящего баланса сил имеет решающее значение для получения надежных и точных измерений.

Выбор зависит в основном от характера тестов. Весы в аэродинамической трубе можно разделить на внутренние и внешние. Первый предлагает мобильность, поскольку обычно только временно устанавливается на испытательную секцию и может использоваться в различных испытательных секциях. Однако последний имеет больший потенциал с точки зрения точности и надежности данных, поскольку он адаптирован к конкретной аэродинамической трубе и ее испытательной секции. По этой причине баланс внешних сил требует более глубокого изучения.

3.1. Испытательная камера

Размер испытательной камеры должен быть определен в соответствии с основными техническими требованиями аэродинамической трубы, которые также включают рабочую скорость и желаемое качество потока. Размер испытательной камеры и рабочая скорость определяют максимальный размер моделей и максимально достижимое число Рейнольдса.

Форма поперечного сечения зависит от области применения. В случае гражданского или промышленного применения в большинстве случаев рекомендуется квадратное поперечное сечение. В этом случае испытуемые образцы обычно представляют собой обтекаемые тела, и их эквивалентная фронтальная площадь не должна превышать 10% площади поперечного сечения испытательной камеры, чтобы избежать необходимости внесения поправок на нелинейное засорение.Точные методы исправления засорения представлены в Maskell (1963).

Тем не менее, прямоугольная форма также рекомендуется для применения в авиации. В случае трехмерных испытаний типичное отношение ширины к высоте составляет 4: 3; однако для двумерных испытаний рекомендуется соотношение 2: 5, чтобы толщина пограничного слоя в испытательном участке была намного меньше, чем размах модели.

С учетом того, что иногда необходимо разместить дополнительное оборудование, т.е.г. измерительные приборы, подставки и т. д. внутри испытательной камеры удобно поддерживать рабочее давление внутри нее равным локальному давлению окружающей среды. Для выполнения этого условия рекомендуется иметь небольшое отверстие, примерно 1,0% от общей длины испытательной камеры, на входе в диффузор 1.

С точки зрения расчета потери давления Испытательная камера будет рассматриваться как канал постоянного сечения со стандартными чистовыми поверхностями. Тем не менее, в некоторых случаях испытательная камера может иметь слегка расходящиеся стенки, чтобы компенсировать рост пограничного слоя.Эта модификация может избежать необходимости коррекции плавучести хвоста для испытаний модели самолета, хотя она будет строго применима только для расчетного числа Рейнольдса.

Рисунок 2.

Схема испытательной камеры в аэродинамической трубе постоянного сечения.

На рисунке 2 показана конструкция типичной испытательной камеры с постоянным сечением. При типичных размерах и скоростях внутри аэродинамической трубы поток в рабочей секции, включая пограничный слой, будет турбулентным, поскольку он непрерывен по всей аэродинамической трубе.Согласно Idel´Cik (1969), коэффициент потери давления, связанный с динамическим давлением в испытательной секции, который рассматривается в качестве эталонного динамического давления для всех расчетов, определяется выражением:

ζ = λ · L / DH,

, где L — длина испытательной камеры, DH — гидравлический диаметр и λ — коэффициент, определяемый выражением:

λ = 1 / (1,8 · log⁡Re-1 , 64) 2,

где Re — число Рейнольдса, основанное на гидравлическом диаметре.

3.2. Сужение

Сужение или «сопло» является наиболее важной частью конструкции аэродинамической трубы; он имеет наибольшее влияние на качество потока в испытательной камере. Его цель — ускорить поток из отстойной камеры в испытательную камеру, дополнительно уменьшая турбулентность потока и неоднородности в испытательной камере. Ускорение потока и ослабление неравномерности в основном зависят от так называемого коэффициента сжатия, N , между областями входной и выходной секций.На рисунке 3 показано типичное сжатие в аэродинамической трубе.

Рисунок 3.

Общий вид трехмерного сужения аэродинамической трубы.

Хотя в связи с улучшением качества потока коэффициент сжатия N должен быть как можно большим, этот параметр сильно влияет на общие размеры аэродинамической трубы. Следовательно, в зависимости от ожидаемых приложений, следует достичь компромисса по этому параметру.

Цитата П. Брэдшоу и Р. Мета (1979): «Влияние сжатия на нестационарные изменения скорости и турбулентность более сложное: уменьшение x-компонентных (осевых) флуктуаций больше, чем у поперечных колебаний.Простой анализ Прандтля предсказывает, что отношение среднеквадратичных (rms) флуктуаций осевой скорости к средней скорости будет уменьшено в 1/ N ² , как для вариаций средней скорости, в то время как отношение поперечных среднеквадратичных колебаний до средней скорости уменьшается только в N : то есть боковые колебания (скажем, в м / с) увеличиваются из-за сжатия из-за растяжения и раскрутки элементарных продольных вихревых линий . Бэтчелор, Теория однородной турбулентности , Кембридж (1953), дает более точный анализ, но результаты Прандтля достаточно хороши для проектирования туннелей.Подразумевается, что туннельная турбулентность набегающего потока далека от изотропной. Колебания осевой составляющей легче всего измерить, например с термоанемометром, и является обычно цитируемым значением «турбулентности набегающего потока». Однако он меньше других, даже если он содержит вклад от низкочастотной неустойчивости туннельного потока, а также от истинной турбулентности ».

В случае аэродинамических труб гражданского или промышленного назначения может быть достаточным коэффициент сжатия от 4,0 до 6,0.При хорошей конструкции формы уровни турбулентности и неоднородности потока могут достигать порядка 2,0%, что является приемлемым для многих приложений. Тем не менее, с одним экраном, размещенным в отстойной камере, эти уровни можно снизить до 0,5%, что является очень разумным значением даже для некоторых авиационных целей.

Для более требовательной авиации, когда качество потока должно быть лучше 0,1% при неравномерности средней скорости и уровня продольной турбулентности и лучше 0,3% при уровне вертикальной и поперечной турбулентности, коэффициент сжатия между 8,0 и 9,0 желательнее.Это соотношение также позволяет установить в отстойнике 2 или 3 сита для обеспечения заданного качества потока без больших потерь давления через них.

Форма сокращения — вторая характеристика, которую необходимо определить. Учитывая, что сжатие достаточно плавное, можно подумать, что одномерный подход к анализу потока будет адекватным для определения градиента давления вдоль него. Хотя это верно для средних значений, в распределении давления на стенках сжатия есть области с неблагоприятным градиентом давления, что может привести к локальному разделению пограничного слоя.Когда это происходит, уровень турбулентности резко возрастает, что приводит к плохому качеству потока в испытательной камере.

Согласно П. Брэдшоу и Р. Мета (1979): «Форма сжатия старого образца с малым радиусом кривизны на широком конце и большим радиусом на узком конце для обеспечения плавного входа в испытательный участок — это не оптимально. Существует опасность отрыва пограничного слоя на широком конце или возмущения потока через последний экран. Хорошая практика состоит в том, чтобы отношение радиуса кривизны к ширине потока было примерно одинаковым на каждом конце.Однако слишком большой радиус кривизны на входном конце приводит к медленному ускорению и, следовательно, к увеличению скорости роста толщины пограничного слоя, поэтому пограничный слой — если он должен быть ламинарным, каким он должен быть в небольшом туннеле — может пострадать от Тейлора-Гертлера. «центробежная» нестабильность при уменьшении радиуса кривизны ».

Согласно нашему опыту, когда оба полуугла сжатия, α /2 и β /2 (см. рисунок 3), принимают значения в порядка 12º, сжатие имеет разумную длину и хорошее гидродинамическое поведение.Что касается формы контура, то, следуя рекомендациям П. Брэдшоу и Р. Мета (1979), рекомендуются два сегмента полиномиальных кривых третьей степени.

Рисунок 4.

Подгоночные полиномы для формы сжатия.

Как показано на рисунке 4, условия, необходимые для определения полинома, начинающегося на широком конце, следующие: координаты ( xW, yW ), горизонтальное касательное условие в этой точке, точка, в которой контурная линия пересекает соединительный пролив линия, обычно составляющая 50% такой линии, и касание с линией, идущее от узкого конца.Для линии, начинающейся с узкого конца, начальной точкой является ( xN, yN ) с тем же условием горизонтального касания в этой точке и соединением с широкой конечной линией. Следовательно, полиномы равны:

y = aW + bW · x + cW · x2 + dW · x3, y = aN + bN · x + cN · x2 + dN · x3.

При условии, что точка соединения находится в пределах 50%, координаты этой точки равны [ xM , yM ] = [( xW + xN ) / 2, ( yW + yN ) / 2)].Вводя условия в оба полиномиальных уравнения, можно найти два семейства коэффициентов.

Согласно Идельджику (1969), коэффициент потери давления, связанный с динамическим давлением в узком сечении, определяется выражением:

ζ = λ16 · sinα21-1N2 + λ16 · sinβ21-1N2,

где λ определяется как:

λ = 1 / (1,8 log Re-1,64) 2.

Число Рейнольдса основано на гидравлическом диаметре узкого сечения.

3.3. Отстойная камера

Как только поток выходит из четвертого угла (см. Рисунок 1), в отстойной камере начинается процесс унификации. В случае требований некачественного потока это простой канал постоянного сечения, который соединяет выход угла 4 с входом сужения.

Тем не менее, когда требуется поток высокого качества, можно установить некоторые устройства для увеличения однородности потока и снижения уровня турбулентности на входе в сужение (см. Рисунок 5).Чаще всего используются экраны и соты. Оба устройства достигают этой цели за счет относительно высокой общей потери давления; однако, учитывая, что местное динамическое давление равно 1/ N ² эталонного динамического давления, такая потеря давления будет лишь небольшой частью общей, если предположить, что N достаточно велико.

Рисунок 5.

Общий вид отстойной камеры с сотовым слоем.

Соты очень эффективны при уменьшении боковой турбулентности, поскольку поток проходит через длинные и узкие трубы.Тем не менее, он вызывает осевую турбулентность размером, равным его диаметру, что ограничивает толщину соты. Длина должна быть как минимум в 6 раз больше диаметра. Коэффициент потери давления по отношению к местному динамическому давлению составляет около 0,50 для сот диаметром 3 мм и длиной 30 мм при типичных скоростях камеры осаждения и соответствующих числах Рейнольдса.

Хотя экраны не оказывают значительного влияния на боковую турбулентность, они очень эффективны для уменьшения продольной турбулентности.В этом случае проблема заключается в том, что в камере сжатия боковая турбулентность ослабляется меньше, чем продольная. Как упоминалось выше, один экран может очень резко снизить уровень продольной турбулентности; тем не менее, использование серии из 2 или 3 экранов может снизить уровень турбулентности в двух направлениях до значения 0,15%. Коэффициент потери давления по отношению к местному динамическому давлению 80% -ного экрана из проволоки диаметром 0,5 мм составляет около 0,40.

Если требуется лучшее качество потока, наиболее рекомендуемым решением является комбинация сот и сеток.Эта конфигурация требует, чтобы соты располагались перед 1 или 2 экранами. В этом случае коэффициент потери давления по отношению к местному динамическому давлению будет около 1,5. Если коэффициент сжатия равен 9, влияние на общий коэффициент потери давления будет примерно 0,02, что может составлять 10% от общего коэффициента потери давления. Это означает снижение максимальной рабочей скорости на 5% при заданной установленной мощности.

Значения коэффициентов потери давления, приведенные в этом разделе, являются приблизительными и служат ориентиром для быстрых проектных решений.Для окончательного анализа производительности рекомендуются более тщательные расчеты, следуя методам Idel´Cik (1969).

3.4. Диффузоры

Основная функция диффузоров — восстанавливать статическое давление для повышения эффективности аэродинамической трубы и, конечно же, замыкания контура. По этой и некоторым другим причинам, которые обсуждаются позже, важно поддерживать присоединение потока для эффективности восстановления давления. На рис. 6 представлена ​​схема диффузора прямоугольного сечения.

Рисунок 6.

Диффузор прямоугольного сечения.

Диффузор 1 играет важную роль в обеспечении качества потока в испытательной камере. В случае отрыва потока пульсация давления передается вверх по потоку в испытательную камеру, что приводит к неравномерности давления и скорости. Кроме того, диффузор 1 действует как буфер при передаче возмущений давления, возникающих в углу 1.

Доказано, что во избежание отрыва потока максимальный угол полуоткрытия в диффузоре должен быть меньше, чем 3,5 °.С другой стороны, важно максимально снизить динамическое давление на входе в угол 1, чтобы минимизировать возможные потери давления. Следовательно, настоятельно рекомендуется не превышать предельный угол полуоткрытия и делать диффузор как можно более длинным.

Диффузор 2 — переходной канал, в котором динамическое давление еще достаточно велико. Впоследствии также должен применяться критерий проектирования, устанавливающий максимальное значение угла полуоткрытия.Длину этого диффузора нельзя выбирать произвольно, потому что позже она становится ограниченной из-за геометрии углов 3 и 4 и диффузора 5.

Диффузор 3 направляет поток к силовой установке, на которую сильно влияет отрыв потока. Во избежание этого здесь также сохраняется критерий, устанавливающий максимальное значение угла полуоткрытия. Форма поперечного сечения может изменяться вдоль этого диффузора, поскольку он должен соединять выход угла 2, форма которого обычно напоминает форму испытательной камеры, с входом в силовую установку, форма которой будет обсуждаться позже.

То же самое можно сказать и о диффузоре 4, поскольку колебания давления распространяются вверх по потоку и, следовательно, могут влиять на силовую установку. По аналогии с предыдущим случаем, он обеспечивает соединение между выходом секции силовой установки и уголком 3, который имеет форму поперечного сечения, напоминающую форму испытательной камеры.

Диффузор 5 соединяет углы 3 и 4. Он будет очень коротким из-за низкого значения динамического давления, что позволит уменьшить габариты аэродинамической трубы в целом.Это происходит в основном при высоком коэффициенте сжатия и угле диффузии более 3,5 °. Его также можно использовать для начала адаптации форм поперечного сечения испытательной секции и силовой установки.

Точный расчет коэффициента потери давления можно выполнить с помощью метода Идель Сика (1969). Здесь представлена ​​упрощенная процедура, основанная на упомянутом выше методе, чтобы облегчить быструю оценку такого коэффициента.

Коэффициент потери давления по отношению к динамическому давлению в узкой стороне диффузора определяется выражением:

ζ = 4,0 · tan⁡α / 2 · tan⁡α24 · ​​(1-F0F1) 2 + ζf.

α — средний угол раскрытия, F0 — площадь узкого сечения, F1 — площадь широкого сечения и где ζf определяется как:

ζf = 0,028 · sin⁡α / 21-F0F12.

3.5. Углы

В аэродинамических трубах с замкнутым контуром необходимо иметь четыре угла, на которые приходится более 50% общей потери давления. Наиболее важный вклад вносит угол 1, поскольку он вносит около 34% общей потери давления.Чтобы уменьшить потерю давления и улучшить качество потока на выходе, необходимо добавить угловые лопатки. На рис. 7 показан типичный угол аэродинамической трубы, включая геометрические параметры и расположение угловых лопаток.

Ширина и высота у входа, Went и Hent соответственно, даны предыдущими размерами диффузора. Высота на выходе, Hexit , должна быть такой же, как и на входе, но ширину на выходе, Wexit , можно увеличить, придав углу коэффициент расширения Wexit / Went .Этот параметр может иметь положительное влияние на коэффициент потери давления до значений примерно до 1,1. Однако он должен быть спроектирован с учетом конкретных геометрических соображений, которые будут рассмотрены более подробно в общем устройстве.

Угловой радиус — это еще один проектный параметр, который обычно пропорционален ширине на входе в угол. Радиус угловых лопаток будет таким же. Хотя увеличение углового радиуса снижает потери давления из-за распределения давления на угловых лопатках, оно увеличивает как потери из-за трения, так и общие размеры аэродинамической трубы.Согласно предыдущему опыту, рекомендуется использовать 0,25 Went в качестве значения радиуса для углов 1 и 2 и 0,20 Went для двух других углов.

Рисунок 7.

Схема угла аэродинамической трубы, включая лопатки, закрылки и номенклатуру.

Расстояние между угловыми лопатками — еще один важный параметр конструкции. Когда количество лопаток увеличивается, потери из-за давления уменьшаются, но увеличивается трение. Равный интервал легче определить, и его достаточно для всех углов, кроме угла 1.В этом случае, чтобы минимизировать потерю давления, расстояние следует постепенно увеличивать от внутренних лопаток к внешним.

Лопатки можно определить как простые изогнутые пластины, но они также могут быть выполнены в виде каскадных аэродинамических поверхностей, что приведет к дальнейшему снижению потерь давления. В случае низкоскоростных аэродинамических труб изогнутые пластины дают достаточно хорошие результаты. Однако для угла 1 может потребоваться дополнительная стабилизация потока и уменьшение потерь давления. Удлинители закрылков с длиной, равной хорде лопатки, как показано на рисунке 7, являются настоятельно рекомендуемым решением этой проблемы.

Другие параметры, такие как длина дуги лопаток или их ориентация, выходят за рамки этой главы. Для более тщательного подхода читатель должен обратиться к Idel´Cik (1969), глава 6. Как упоминалось выше, очень важно снижение потерь давления в углах. Следовательно, оптимальная конструкция этих элементов, по крайней мере, в случае углов 1 и 2, оказывает значительное влияние на характеристики аэродинамической трубы.

Чтобы предварительно оценить потерю давления в углах, воспользуемся методом, представленным на Диаграмме 6.33 из упомянутого выше Идельджика (1969). В этом подходе мы берем среднее количество лопаток, n = 1,4 * S / t1 , S — диагональный размер угла, где t1 — хорда лопатки. Коэффициент потери давления определяется выражением:

ζ = ζM + 0,02 + 0,031 * rWent.

ζM зависит от r / Went , и его значения 0,20 и 0,17 для r / Went равны 0,20 и 0,25 соответственно.В результате соответствующие значения ζ составляют 0,226 и 0,198 соответственно, всегда по отношению к динамическому давлению на входе. Это доказывает справедливость приведенных ранее рекомендаций относительно значения радиуса кривизны и длины диффузора 1.

3.6. Электростанция

Основная цель электростанции — поддерживать постоянную скорость потока внутри аэродинамической трубы, компенсируя все потери и рассеивание. Параметрами, которые задают его, являются приращение давления Δp , объемный расход Q и мощность P .После того, как площадь поперечного сечения испытательной камеры, STC , и желаемая рабочая скорость, V , зафиксированы, а общий коэффициент потери давления, ζ , рассчитан, все эти параметры можно рассчитать с помощью:

Δp = 12ρ · V2 · ζ

Q = V · STC

P = Δp · Qη,

, где ρ — рабочая плотность воздуха, а η — КПД вентилятора с учетом аэродинамической эффективности и эффективности электродвигателя. .

Чтобы снизить стоимость этой детали примерно на один порядок, мы предлагаем использовать матрицу с несколькими вентиляторами, как показано на рисунке 8, вместо более стандартной конфигурации силовой установки с одним вентилятором.Устройство этой матрицы будет рассмотрено позже.

Рисунок 8

ETW — аэродинамическая труба: обзор

ETW — самая современная аэродинамическая испытательная установка в мире. Применяя низкотемпературный режим работы, ETW способен точно имитировать реальные условия полета с большой подъемной силой и высокой скоростью современного транспортного самолета, определяемые числом Маха и числом Рейнольдса. Этот туннель выделяется своей способностью соответствовать высокому числу Рейнольдса, что является ключевой особенностью, которая не может быть реализована в обычных аэродинамических трубах при температуре окружающей среды.

В основном, если температура потока уменьшается, вязкость газа и скорость звука уменьшаются, а плотность увеличивается. Общий эффект охлаждения состоит в том, что число Рейнольдса быстро увеличивается. Таким образом, герметичный туннель при очень низких «криогенных» температурах может обеспечить реальные числа Рейнольдса за счет как повышенного давления, так и пониженной температуры.

В ETW модели не тестируются в воздушном потоке, как в обычных аэродинамических трубах.Вместо этого поток чистого азота с температурой до 110 К (= -163 ° C = -261 ° F) проходит через замкнутый аэродинамический контур аэродинамической трубы, подвергается давлению до 4,5 бар и проходит через испытательную секцию. на скоростях до малого сверхзвукового диапазона (М = 1,35).

Еще одним замечательным преимуществом криогенной концепции, применяемой к герметичному туннелю, является то, что число Маха, число Рейнольдса и динамическое давление можно изменять, сохраняя другие постоянными, так что их влияние можно изучать независимо (т.е. эффекты сжимаемости, эффекты трения и эффекты деформации).

Топливо — одна из самых дорогих статей расходов авиакомпании, а цены на нефть нестабильны. Поэтому, когда авиакомпания решает купить новое оборудование, расход топлива — это одна из первых вещей, на которую она обращает внимание, а аэродинамические характеристики самолета имеют важное значение (см. Руководство ATAG для начинающих по эффективности авиации). Для оптимизации такой производительности с соответствующим снижением рисков ETW предоставляет ключевую возможность. Как было показано в различных случаях, превосходная, непревзойденная точность данных испытаний ETW с результатами летных испытаний более чем компенсирует дополнительные усилия, связанные с криогенными испытаниями, что делает их наиболее эффективным методом испытаний в аэродинамической трубе.

Во многих случаях испытания ETW при полетных числах Рейнольдса или разделение числа Рейнольдса и аэроупругих эффектов выявляли серьезные критические для характеристик недостатки конструкции самолетов промежуточной конструкции, которые не могли быть обнаружены ни численным моделированием, ни предшествующими испытаниями в обычной аэродинамической трубе. ETW позволила клиентам обнаруживать и устранять эти недостатки достаточно рано и избегать дополнительных затрат из-за поздних изменений конструкции. Такой опыт способствует переходу от обычных испытаний к испытаниям с использованием летного числа Рейнольдса.