Результат интеллектуальной деятельности: Способ визуализации пространственного обтекания моделей в аэродинамической трубе

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности к изучению картины пространственного обтекания моделей летательных аппаратов в аэродинамической трубе, и может быть использовано при статических и динамических испытаниях различных объектов в аэродинамических трубах малых дозвуковых скоростей.

Известен способ визуализации аэродинамических потоков при обтекании моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах, основанный на использовании распушенных с одного конца шелковых или хлопчатобумажных нитей, позволяющих определить направление потока и устойчивость течения вблизи точки крепления нити (фиг. 1). Этот способ обычно называют «методом нитей» (Р. Пэнкхерст, Д. Холдер «Техника эксперимента в аэродинамических трубах». - Москва: Издательство иностранной литературы, 1955. С. 157).

За прототип принят способ для получения спектров обтекания моделей летательных аппаратов с помощью коротких нитей - шелковинок, содержащий прикрепление (наклеивание) к исследуемым участкам моделей нитей и наблюдение за их положением в ходе продувки. Шелковые или хлопчатобумажные нити толщиной 0.1-0.01 мм наклеивают с помощью клея или липкой ленты непосредственно на изучаемые поверхности (М. Хемш, Дж. Нилсен «Аэродинамика ракет». - Москва: Мир, книга 1, 1989. с. 68, 70), либо укрепляют на конце тонкого стержня, который вносят в изучаемую область течения около модели (фиг. 2) (И.В. Колин, К.Ф. Лацоев, В.Г. Марков, В.К. Святодух, Т.И. Трифонова, Д.В. Шуховцов «Динамические установки для экспериментального исследования аэродинамических сил и моментов моделей летательных аппаратов». - Москва: Международная научно-техническая конференция «НОВЫЕ РУБЕЖИ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ» ASTEC07, Москва, 19-22 августа 2007 г.). Толщину и длину нитей определяют масштабом модели и числом Рейнольдса. Как правило, нити имеют длину до 20 мм. При обтекании моделей нити указывают направление местных скоростей воздушного потока. В случае безотрывного обтекания нити прилегают к исследуемым поверхностям, располагаясь вдоль направлений местных скоростей воздушного потока. На отрывных режимах обтекания моделей нити начинают заметно колебаться, отходят от поверхностей и совершают беспорядочные вихревые движения (М. Хемш и Дж. Нилген «Аэродинамика ракет». - Москва: Мир, 1989., с. 70). На фотоснимках можно увидеть направления линий тока и идентифицировать отрыв пограничного слоя на поверхности модели (фиг. 3) (И.В. Колин, В.Г. Марков, В.Л. Суханов, Т.И. Трифонова, Д.В. Шуховцов «Исследования развития нестационарного отрыва потока на модели со стреловидным крылом». - Москва: Журнал «Известия РАН. Механика жидкости и газа». №4, 2009. С. 59-66).

Недостатком данного способа является то, что он дает возможность провести идентификацию картины обтекания лишь вблизи исследуемой поверхности модели и не позволяет исследовать пространственную структуру вихревого обтекания поверхностей.

Задачей изобретения является разработка способа визуализации картины пространственного обтекания моделей летательных аппаратов в аэродинамической трубе для изучения как безотрывной, так и, главным образом, вихревой структуры обтекаемого потока.

Технический результат заключается в получении наглядной картины пространственного обтекания исследуемых поверхностей моделей летательных аппаратов в потоке аэродинамической трубы в виде визуальной информации об объемной структуре вихревой системы на поверхности моделей, ее зарождении, развитии и разрушении.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в способе визуализации пространственного обтекания моделей в аэродинамической трубе, содержащем прикрепление к исследуемым участкам модели нитей и наблюдение за их положением в ходе продувки, на свободных концах нитей сформированы шарики малой плотности и инерции. Шарики имеют диаметр 0.004÷0.006 м и удельный вес γ=10÷20 кг/м³. Прикрепляют нити длиной более 20 мм, но исключающие перехлест. Наблюдение ведут с использованием средств видеозаписи.

На фиг. 1 приведена фотография обтекаемого потоком крыла со стреловидностью 47° с укрепленными на его поверхности нитями.

На фиг. 2 приведена картина исследования обтекания модели самолета с помощью длинных нитей, закрепленных на конце стержня.

На фиг. 3 приведена фотография поверхности крыла модели самолета, обклеенного шелковинками: а) - при ламинарном обтекании; б) - на отрывных режимах.

На фиг. 4 приведена схема расположения длинных нитей с закрепленными на их концах пенопластовыми шариками в различных областях крыла (А-Д).

На фиг. 5 приведена фотография модели, обклеенной длинными нитями с пенопластовыми шариками на концах, при полном срыве крыла.

На фиг. 6 приведено сравнение зависимостей коэффициентов аэродинамических нагрузок модели, гладкой и обклеенной длинными шелковинками с шариками на концах.

Устройство для реализации способа (фиг. 4) содержит шелковые или хлопчатобумажные нити длиной более 20 мм, толщиной 0.1-0.01 мм, с пенопластовыми шариками диаметром 0.004÷0.006 м и удельным весом γ=10÷20 кг/м³ на их концах, прикрепленные к исследуемым участкам модели.

Способ осуществляют следующим образом. На свободных концах нитей формируют шарики малой плотности и инерции. Нити с шариками прикрепляют к исследуемым участкам модели. Затем включают поток трубы и наблюдают их положение в ходе продувки с использованием средств видеозаписи. При проведении экспериментальных исследований картины течений на модели в аэродинамической трубе, шарики, увлекаемые потоком, обтекающим исследуемые участки поверхностей модели, благодаря креплению к нитям и собственной малой удельной массе, полностью повторяют траектории местных скоростей потока, прилегая к исследуемым поверхностям в случае безотрывного обтекания (область А на фиг. 4). При развитии турбулентного характера течения пенопластовые шарики полностью повторяют объемное вихревое движение воздушного потока над или за исследуемыми поверхностями (область Б на фиг. 4), прорисовывая совместно с нитями объемную структуру вихрей (области В-Д на фиг. 4). Эффект визуализации усиливается контрастной окраской шариков (фиг. 5). При этом значения измеренных весовых коэффициентов аэродинамических нагрузок, действующих на модель летательного аппарата, обклеенной пенопластовыми шариками данным способом, совпадают с результатами, полученными для аналогичных гладких моделей при одинаковой конфигурации и углах обтекания (фиг. 6). Таким образом, шарики обладают достаточно малой инерцией, чтобы следовать за местным направлением потока, и малой массой для исключения заметного влияния на них силы тяжести (при диаметре d=0.006M, объеме V_ш=1.13⋅10^-7 м³, и удельном весе γ=15 кг/м³, масса шарика не превышает m_ш=0.002 г). Исследования опытным путем с применением указанного выше способа получили результат качественной картины пространственного обтекания модели летательного аппарата в потоке аэродинамической трубы.

Преимуществом способа визуализации пространственного обтекания моделей в аэродинамической трубе является получение возможностей исследования пространственной картины обтекания несущих поверхностей летательных аппаратов на критических режимах.