Аэродинамика

Введение

     В настоящее время одним из важных направлений исследований в практической аэродинамике является решение проблемы уменьшения трения при обтекании  поверхности ВС воздушным потоком. Для авиации уменьшение трения имеет большое значение с точки зрения улучшения экономичности воздушных перевозок. Уменьшение трения потока, обтекающего поверхности крыла, хвостового оперения и фюзеляжа, может дать значительный прирост дальности полета.

     Известно  большое число методов уменьшения трения потока газа. Один из эффективных способов управления сопротивлением трения основан на применении перфорированных поверхностей с демпфирующими полостями. В частности, были проведены исследования на кафедре теплоэнергетики Ульяновского государственного технического университета, в результате которых была установлена возможность существенного (до 35%) снижения сопротивления трения турбулентного потока газа в перфорированной трубе с демпфирующими полостями при определенном количестве перфорационных отверстий, приходящихся на каждую демпфирующую полость (2-3 отверстия) [1].

     Для проведения дальнейших исследований в этом направлении необходимо более детально изучить параметры пограничного слоя потока газа над перфорированной поверхностью с демпфирующими полостями.  
 
 
 
 
 
 
 
 

     Общие сведения о термоанемометрическом методе измерения 

     Термоанемометрический метод измерения турбулентных пульсаций  скорости в настоящее время получил  широкое распространение. Он основан  на использовании свойства металлического проводника изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Поэтому основной частью соответствующего измерительного прибора - термоанемометра является миниатюрный металлический преобразователь, помещаемый в исследуемую точку потока и нагреваемый электрическим током (рис. 1). Отвод тепла от преобразователя в поток происходит тем интенсивнее, чем выше скорость потока в окрестности преобразователя. Возникающее в результате его охлаждения изменение электрического сопротивления регистрируется чувствительной мостовой схемой, в одно из плеч которой и включен преобразователь. Предварительной градуировкой устанавливается соответствие между изменением электрического сопротивления и вызвавшим его изменением скорости потока. По указанной схеме работает термоанемометр, который принято называть термоанемометром постоянного тока, так как у него не меняется сила тока, протекающего через преобразователь.

     Также применяется более совершенный термоанемометр, у которого поддерживается постоянным сопротивление преобразователя. Достигается это путем подачи через систему обратной связи на преобразователь соответствующего переменного тока, который нагревает его так, что происходит постоянная компенсация охлаждающего влияния потока. Ток компенсации или напряжение являются в этом случае мерилом скорости потока около преобразователя. Приборы, работающие по этой схеме, носят название термоанемометров постоянной температуры.

    Рис.1. Датчик термоанемометра

    1-корпус; 2-нагреваемая нить; 3-держатели; 4-токоподводы

     К достоинствам этого метода можно отнести следующее:

• чувствительные элементы (преобразователи) термоанемометров, вводимые в поток, достаточно миниатюрны по своим размерам, так что возмущения потока от них невелики и искажения результатов измерений за счет пространственного осреднения пульсаций также минимальны;
• термоанемометры обладают малой инерционностью и поэтому реагируют на быстрые флуктуации почти мгновенно, что позволяет регистрировать достаточно высокочастотные пульсации без искажений;
• чувствительность термоанемометров обеспечивают уверенную регистрацию и дифференциацию пульсаций, которые составляют всего несколько процентов скорости потока;
• электрические сигналы, поступающие с выхода термоанемометра, легко допускают последующую статистическую обработку, как на аналоговых приборах, так и с помощью ПЭВМ.

     Преобразователь термоанемометра обычно представляет собой очень тонкую (несколько  микрометров) и довольно короткую (около 1 мм) металлическую нить, растянутую между металлическими державками.

     Наиболее  распространены металлические нити, изготовленные из вольфрама, платины или платино-иридиевого сплава.

     Рассчитать  точную характеристику датчика теоретически невозможно, поскольку при его  изготовлении некоторые параметры  не могут быть точно проконтролированы, например постоянство диаметра нити по ее длине, разброс физических свойств нити (температурная зависимость электрического сопротивления), длина термонити должна быть уменьшена в расчетах из-за охлаждения ее концов более массивными державками. Все эти обстоятельства приводят к тому, что характеристики системы “датчик-термоанемометр” получают экспериментально для каждого датчика на специальной градуировочной установке, представляющей собой канал с малой степенью интенсивности турбулентности. Датчик устанавливают в градуировочном канале совместно с датчиками средней скорости (например, трубка Пито), изменяя среднюю скорость потока, строят градуировочную кривую зависимости выходного напряжения термоанемометра от скорости потока, которая является единственной для данного датчика и заданного нагрева. Показания с выхода термоанемометра фиксируются с помощью вольтметра постоянного тока (ВК7-10А, Щ301/1, В2-38). После снятия градуировочной характеристики термоанемометр готов к измерениям. 

Исследование  характеристик турбулентных пульсаций в пограничном слое термоанемометрическим методом 

     В наши дни специальные исследовательские  термоанемометры изготавливаются в основном зарубежными фирмами и в ограниченном количестве, поэтому имеют высокую стоимость и доступны очень узкому кругу научно-исследовательских центров. В то же время наличие современной элементной базы радиоэлектронных устройств позволяет создать термоанемометр, имеющий высокие технические характеристики, в условиях ограниченного финансирования научной работы. На кафедре ЛЭ и БП УВАУ ГА в лаборатории аэрогидродинамики разработан и изготовлен термоанемометр постоянной температуры.

       Для дальнейшего развития понимания  сущности физических процессов,  происходящих в пограничном слое  при движении газа над перфорированными  поверхностями с демпфирующими полостями, применительно к случаю обтекания поверхности крыла самолета, на кафедре ЛЭ и БП УВАУ ГА проводятся работы по экспериментальному исследованию характеристик турбулентных пульсаций в пограничном слое термоанемометрическим методом.

     Исследования  проводятся на экспериментальной установке, включающей в свой состав аэродинамическую трубу ТАИУ-1, рабочий экспериментальный  участок, термоанемометрическую аппаратуру.

     Аэродинамическая  труба позволяет получать поток  воздуха со скоростями до 30 м/с. Рабочий участок трубы имеет квадратное сечение 380 мм ´ 380 мм и длину 700 мм. Исследуемая поверхность помещается в поток воздуха на рабочем участке аэродинамической трубы,

     Конструкция рабочего экспериментального участка позволяет изменять количество перфорационных отверстий над каждой полостью от одного до пяти, причем с различной конфигурацией расположения этих отверстий. 

    Состав  термоанемометрической  аппаратуры 

    В ходе проведения научных исследований на кафедре ЛЭ и БП разработаны следующие устройства:

- термоанемометр постоянной температуры;

- координатное устройство для линейного и углового перемещения датчика (координатник);

- устройство для перемещения координатника вдоль рабочего участка. 

    Термоанемометр  постоянной температуры 

    Термоанемометр постоянной температуры разработан в соответствии с вышеизложенными принципами на основе современной элементной базы. Органы управления и индикации позволяют проводить оперативную подготовку прибора к измерениям и текущий контроль исправности цепи датчика.

    Датчик (Rд) подключается в одно из плеч моста Уитстона (рис. 2). К измерительной диагонали данного моста подключается дифференциальный усилитель (ДУ), состоящий из усилителя напряжения и усилителя тока. В качестве усилителя напряжения используется операционный усилитель, усилителя тока - транзистор средней мощности. Напряжение с выхода ДУ подводится к питающей диагонали моста сопротивлений. Величина переменного резистора R_перем устанавливается таким образом, чтобы электрический ток, проходящий через нить датчика, нагревал ее до определенной температуры, при которой сопротивление датчика возрастает до величины, обеспечивающей балансировку моста.

     Температура поддерживается постоянной, т.к. усилитель  отрабатывает все изменения напряжения диагонали моста. При этом расход электрической энергии равен сумме тепловых потерь с нагретой нити, которые уходят на нагревание окружающей среды.

Рис. 2. Блок-схема термоанемометра.

     При обтекании датчика турбулентным потоком достаточно высокой интенсивности, вектор скорости которого содержит переменную пульсационную составляющую, сигнал на выходе термоанемометра будет зависеть от этой составляющей. В таком сигнале можно выделить его постоянную (рис. 3) и переменную составляющие. Первую из них измеряют вольтметром постоянного тока, а вторую – вольтметром переменного тока. 

Моделирование и расчет турбулентных течений 

     Основы  моделирования 

    Проблема  моделирования турбулентных течений  имеет два аспекта: математический и физический. Математический аспект проблемы состоит в следующем. Движение потока вязкой несжимаемой жидкости описывается системой уравнений, включающей дифференцальные уравнения движения (уравнения Навье-Стокса (1.5) – (1.7)) и неразрывности (1.8).

     ; (1.5)

     ; (1.6)

     ; (1.7)

     , (1.8)

где x, y, z – координаты; u, v, w, p – мгновенные значения проекций скорости потока на координаты x, y, z соответственно; ρ, μ – плотность и динамический коэффициент вязкости; S_v – члены, характеризующие интенсивность внутренних источников количества движения; F – члены, характеризующие действие сил, обусловленных наличием полей.

    Такая система является сама по себе замкнутой. Но начальные и граничные условия  однозначности не определены. Уравнения (1.5) – (1.8) записаны для мгновенных (актуальных) значений параметров турбулентного потока.

    Чтобы решить эту систему уравнений, требуется  провести большой объем вычислений для различных начальных и граничных условий, поскольку в турбулентном потоке мгновенные значения параметров постоянно изменяются в некоторых пределах около средних значений величин. В турбулентном потоке масштабы образований могут отличаться на несколько порядков, как и частота их пульсаций. Поэтому для точного расчета пришлось бы использовать очень малые шаги сетки как по времени, так и по пространственным координатам по сравнению с размерами расчетной области и временем существования крупномасштабных вихрей.  Такой расчет представляется затруднительным и громоздким.

    При разложении мгновенных параметров на осредненные и пульсационные составляющие в уравнениях (1.5) – (1.8) появляются дополнительные члены, отражающие дополнительный перенос количества движения и теплоты, который приводит к дополнительному трению и дополнительным касательным напряжениям. Они добавляются в уравнения (1.5) – (1.8) в виде произведений пульсационных составляющих. Наличие этих дополнительных членов делает незамкнутой уже саму систему уравнений (1.9) – (1.12)

    ;

      (1.9)

    ;

      (1.10)

;

      (1.11)

     . (1.12)

     Осреднение параметров производится в соответствии с выражениями:

причем, время осреднения Δτ должно быть выбрано с учетом того, чтобы осредненные параметры за этот промежуток не менялись, то есть Δτ должно быть достаточно большим по сравнению с периодом самих турбуленых пульсаций, но достаточно малым по сравнению с периодом изменения осредненных параметров.