Что такое аэродинамическая труба?

Что такое аэродинамическая труба?

Аэродинамическая труба — это испытательная установка для измерения и анализа сил, действующих на фиксированную модель здания, самолета, автомобиля и т. д., а также потока воздуха вокруг модели. Направляя поток воздуха вокруг модели, можно моделировать условия полета для самолетов и условия вождения для автомобилей. Сопоставляя число Рейнольдса, даже если модель меньше реального самолета, можно получить почти те же экспериментальные результаты, что и при реальном полете или вождении.

Аэродинамические трубы бывают разных размеров: в испытательном центре JAXA (национальное воздушное и космическое агентство Японии) есть низкоскоростная аэродинамическая труба, которая является крупнейшей в аэрокосмической отрасли Японии, длиной и шириной 5-6 метров, где закреплена модель. В Соединенных Штатах есть огромная аэродинамическая труба длиной около 24 метров и шириной 37 метров.

Применение аэродинамических труб

Применение аэродинамических труб чрезвычайно широко, включая использование данных измерений для самолетов и ракет, для которых важен дизайн жидкости, а также для автомобилей, железных дорог и проектирования высотных зданий и мостов, для которых важен учет эффектов ветра.

В дополнение к основным измерениям сил, действующих на модель, таких как подъемная сила и сопротивление, а также давление на поверхность модели, эксперименты в аэродинамической трубе также используют метод измерения скорости изображения частиц (PIV) для визуализации воздушного потока.

Аэродинамические трубы состоят из воздуходувки, сопловой секции, выпрямляющей пластины, измерительной секции и диффузорной секции. То же самое относится к визуализации потока с использованием PIV и других методов.

Принцип работы аэродинамических труб

Принцип аэродинамических труб заключается в прогнозировании реального потока ветра (жидкости) путем измерения фактического потока ветра путем изменения большого объекта для анализа на небольшую модель аналогичной формы, подвергая ее реальному ветру и сопоставляя число Рейнольдса при правильных условиях. Аэродинамические трубы являются экспериментальными установками, которые используют закон Рейнольдса для измерения и анализа эффектов жидкости фактического окружающего ветра.

При сопоставлении числа Рейнольдса Re поток окружающей жидкости равен, когда геометрия фактической машины и модели подобны, что называется законом Рейнольдса в механике жидкости. Число Рейнольдса Re можно рассчитать с помощью следующего уравнения.

Инерция импульса всей жидкости (скорость x длина) ÷ физическая величина, рассчитанная по кинематической вязкости (безразмерная величина)

Например, если рассмотреть случай, когда точная модель движущегося автомобиля сделана размером в 1/10 от реального автомобиля, закон подобия Рейнольдса может быть удовлетворен, если скорость ветра в аэродинамической трубе установлена ​​в 10 раз больше фактической скорости движения. Однако, поскольку кинематическая вязкость изменяется в зависимости от температуры, также важно отрегулировать температуру, чтобы кинематическая вязкость фактического движения соответствовала скорости в аэродинамической трубе.

Типы аэродинамических труб

Аэродинамические трубы можно в целом разделить на два типа конструкций

1. Простой продувочный тип

Простой продувочный тип, также называемый аэродинамической трубой Эйфеля, имеет такие преимущества, как простая конструкция и небольшое пространство для установки, но имеет такой недостаток, как необходимость в большом количестве энергии для обеспечения воздушного потока.

2. Циркуляционный тип потока

Циркуляционный тип потока требует меньше энергии для создания скорости воздуха, и поток более стабилен, но у него есть недостаток в том, что температура воздушного потока значительно повышается. Само устройство, как правило, имеет большие масштабы. Аэродинамическая труба типа Геттингена является хорошо известным примером.

Дополнительная информация о аэродинамических трубах

Применение CFD

Технология CFD (вычислительная гидродинамика), которая использует моделирование для прогнозирования результатов испытаний в аэродинамической трубе, быстро развивалась в последние годы. Аэродинамические трубы используются для уменьшенных моделей по сравнению с реальными испытательными стендами и зданиями, но стоимость прототипирования и задействованные человеко-часы по-прежнему высоки.

С другой стороны, CFD включает в себя стоимость установки ПК и программного обеспечения, но последующие эксплуатационные расходы могут быть снижены по сравнению с испытаниями в аэродинамической трубе. Однако, чтобы достичь уровня, на котором одних данных CFD будет достаточно для проектирования без испытаний в аэродинамической трубе, важно накопить данные и определить подробные параметры. Взаимодополняющая связь между CFD и проверкой данных в аэродинамической трубе повышает точность проектирования и сокращает затраты на человеко-часы все более быстрыми темпами.