Движение в ударной трубе

Ударная труба представляет собой экспериментальную установку для исследования газодинамики и физики потоков с высокой температурой.

В простейшем виде ударная труба представляет собой закрытый с обоих концов длинный канал, разделенный диафрагмой на два неравных отсека (рис. 2.60).

Движение в ударной трубе

В правом отсеке, занимающем до 75% всей длины труба, находится рабочий газ с низким давлением.

Вправо от точки разрыва диафрагмы по покоящемуся рабочему газу распространяется ударная волна OA с постоянной скоростью N. За ударной волной с постоянной скоростью движется контактная поверхность OK, разделяющая толкающий и рабочий газы.

Влево от точки разрыва диафрагмы по толкающему газу распространяется центрированная волна разрежения, головной фронт которой ОС движется со скоростью d4, а хвостовой фронт OB — со скоростью d3, причем d3 < d4, так как температура в зоне разрежения падает.

Этими волнами движение газа в трубе разделено на четыре области, В области 1 рабочий газ с параметрами p1p1T1 находится в покое (u1=0).

В области 2 между ударной волной и контактной поверхностью располагается так называемая рабочая пробка с параметрами рабочего газа

Движение в ударной трубе

Ее длина определяется выражением

где N — скорость распространения ударного фронта; u2 — скорость распространения контактного разрыва.

Между контактной поверхностью и хвостовым фронтом волны разрежений располагается область 3 с параметрами толкающего газа

Движение в ударной трубе

Эта область движется вслед за рабочей пробкой с той же скоростью u2 = u3.

Область 4 — область покоящегося толкающего газа с параметрами

Движение в ударной трубе

Отобразим (см. рис. 2.62) расположение волн и значения параметров толкающего и рабочего газов в момент времени t=τ в координатах: X от t, X от p, X от T. Отсчет времени ведется с момента разрыва диафрагмы.

Когда ударная волна достигнет конца рабочего канала трубы, весь рабочий газ будет сжат, нагрет и приведен в движение в направлении перемещения ударной волны.

Отразившись от конца трубы, ударная волна будет двигаться навстречу потоку и приводить его в состояние покоя, дополнительно нагревая и сжимая его.

Достигнув контактной поверхности, ударная волна начинает многократное движение между стенкой и контактной поверхностью и тем самым сильно увеличивает температуру T2.

Для исследования обтекания тела высокотемпературным потоком используется течение в рабочей пробке. Продолжительность работы трубы tраб зависит от места расположения исследуемой модели. Чем дальше от диафрагмы расположена модель, тем больше длина рабочей пробки. Однако здесь имеются пределы, поскольку по мере удаления от диафрагмы интенсивность ударной волны вследствие трения уменьшается.

Обычная продолжительность рабочего времени трубы составляет от 0,1 до 1 мс.

Движение в ударной трубе

Эффективность ударной трубы при создании высоких температур связана со скоростью перемещения начальной ударной волны по рабочему газу, которая зависит от перепада начальных давлений в обоих отсеках трубы, скоростей звука в толкающем и рабочем газах в начальный момент и удельных теплоемкостей обоих газов.

Скорость ударной волны можно увеличить, если обеспечить больший перепад давлений толкающего и рабочего газов и выбрать легкие толкающие газы, в которых скорость звука больше. В мощных ударных трубах в качестве толкающего газа применяются водород и гелий.

Для повышения температуры в качестве толкающего газа используют смесь из кислорода и водорода, в которую для уменьшения возможности детонации добавляют гелий.

После воспламенения смеси, когда температура в отсеке высокого давления достигает 2 500°С, диафрагма разрушается при давлении, превышающем 108Па. Скорость ударной волны после разрыва диафрагмы достигает 15 — 18 км/с, а температура за ней — около 16 ООО К.

Движение в ударной трубе

Другой метод увеличения скорости ударной волны при заданном отношении давлений состоит в использовании схемы ударной трубы с двумя или несколькими диафрагмами.

При разрыве первой диафрагмы ударная волна проникает в промежуточную камеру, заполненную, например, аргоном, а затем, после разрушения второй диафрагмы, волна проходит в рабочий газ.

Увеличение скорости ударной волны достигается в этом случае за счет уменьшения времени установившегося потока.

Ударные трубы в основном применяются для получения высокотемпературного газа при исследовании физико-химических явлений, возникающих при полете, таких, как диссоциация и ионизация. Кроме того, в ударных трубах исследуют структуру ударной волны, воздействие ударных волн на преграды, отражение косых ударных волн и т.д.

Ударные трубы используются для создания ударных аэродинамических стендов.

В ударных аэродинамических трубах (рис. 2.61) газ в рабочей пробке разогревается до высоких температур, однако скорость его невелика. Скорость движения газа в рабочей пробке можно увеличить, если в ударной трубе на выходе из отсека низкого давления установить сопло Лаваля.

Тогда модель можно испытывать в высокотемпературных газовых потоках со сверхзвуковыми скоростями порядка 20 — 25 M и выше.

Принцип работы трубы следующий: по достижении расчетного давления в отсеке 1 разрывается диафрагма 2 и газ устремляется в отсек 3. Образовавшаяся ударная волна распространяется по рабочему газу, нагревая и сжимая его.

Когда волна достигнет конца отсека низкого давления, диафрагма 4 на входе в сопло разрушится — произойдет отражение ударной волны, а сжатый и разогретый газ за отраженной ударной волной истечет через сопло 5 в вакуум-камеру 8.

После встречи отраженной ударной волны с контактной поверхностью произойдет ее преломление и отражение, и эта волна возвратится к соплу. Начиная с этого момента, установившееся движение газа в сопле прекращается. Течение становится нестационарным, и работа трубы заканчивается.

В ударных аэродинамических трубах достигается давление торможения 2 000 105 Па и температура торможения 8 000 К. Время работы около 6 мс.

Использование аэродинамических и ударных труб для изучения закономерностей движения тел при гиперзвуковых скоростях связано со следующими трудностями:

1. Необходимо создавать высокий перепад давлений рабочего газа на входе и выходе аэродинамической трубы.

Так, например, при создании воздушного потока с M = 20 потери в трубе настолько велики, что отношение давлений на входе и выходе составляет порядка миллиона. При этом, чтобы поток был не слишком разреженным, т.е.

чтобы значения Re были не слишком малы, в форкамере давление должно быть порядка сотен и даже тысяч атмосфер.

2. Необходимо предварительно подогревать газ, чтобы он при расширении в сопле не замерз, и для M = 20 Tгаз в форкамере должна быть равна 3 000 К.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Ударная труба состоит из отдельных взаимозаменяемых частей.

Такая конструкция позволяет производить измерения, СЃ РѕРґРЅРѕР№ стороны, Р·Р° падающей ударной волной, Р° СЃ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, Р·Р° волной, отраженной РѕС‚ торца трубы.  [2]

Ударная труба содержит РґРІРµ диафрагмы, разрез которых производится СЃ помощью иглы. Скорость ударной волны измеряется пленочными датчиками СЃ точностью РґРѕ 1 % РїРѕ измерению сопротивления датчика.  [3]

Ударная труба представляет собой мощное и сравнительно новое средство для изучения высокотемпературных химических процессов к явлений в газах.

Как Рё РІ баллистическом плунжере, РЅРѕ РІ противоположность струе плазмы РІ ударной трубе образцы газа подвергаются кратковременным Рё четко выраженным импульсам высокой температуры Рё высокого давления. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, струя плазмы дозволяет нагреть газовый поток РґРѕ высоких температур ( которые точно даже РЅРµ удается измерить) Рё поэтому может использоваться главным образом для промышленного осуществления высокотемпературных синтезов, РЅРѕ значительно менее РїСЂРёРіРѕРґРЅР° для проведения требующих высокой точности исследовательских работ.  [4]

Ударная РўСЂСѓР±Р° представляет СЃРѕР±РѕР№ важный инструмент лабораторного исследования, РІ котором газы подвергаются гомогенному высокотемпературному импульсу СЃ последующим быстрым охлаждением, практически замораживающим реакционную смесь. РћРЅР° позволяет изменять условия опыта РІ широких пределах, что делает ее особенно Рї СЂРёРіРѕРґРЅРѕР№ для исследований высокотемпературных химических превращений. Возможные пределы изменения основных условий приведены ниже.  [5]

Движение в ударной трубе Блок-схема установки.  [6]

Ударная труба 1 диаметром 50 мм и толщиной стенки 5мм состоит из отсеков длиной 500 и 1400 мм.

Отсеки разделены диафрагмой 2 из фотопленки, зажатой между фланцами, снабженными уплотнительными резиновыми кольцами.

В короткий отсек из баллона 3 подается через редуктор сжатый воздух под давлением около 7 атм, пока диафрагма не прорвется.

После этого во второй отсек устремляется волна давления. Сетку предохраняет от перебивания проволочек после нескольких прорывов диафрагмы пропайка.

Волна давления, распространяясь РІРѕ втором отсеке трубы, превращается РІ ударную волну СЃ крутым передним фронтом Рё пологим спадом давления Р·Р° фронтом. Давление спадает тем медленнее, чем больше объем первого отсека трубы.  [7]

Ударные трубы Рё плазматроны, широко используемые РїСЂРё исследовании высокотемпературных аэродинамических процессов, применяются Рё РїСЂРё изучении магнитогидродинамических течений. РџСЂРё этом наиболее сильное влияние магнитного поля будет наблюдаться Сѓ стенок, РіРґРµ радиальные составляющие скорости v Рё магнитного поля Р’Сѓ относительно велики.  [8]

Читайте также:  Есть ли фитинги для пропилена
Движение в ударной трубе Схема движения РІ ударн РѕР№ трубе.  [9]

Ударные трубы широко внедряются для аэродинамических исследований РїСЂРё очень больших скоростях обтекания тел Рё для различного СЂРѕРґР° физико-химических исследований, РІ частности для получения химических реакций РїСЂРё больших температурах.  [10]

Ударная труба требует высокой точности изготовления. Выступы Рё шероховатости РЅР° ее поверхности РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє значительному локальному нагреванию РїСЂРё отражениях РѕС‚ РЅРёС… ударной волны.  [11]

Ударная труба требует высокой точности изготовления. Выступы Рё шероховатости РЅР° ее поверхности РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє значительному локальному нагреванию РїСЂРё отражениях РѕС‚ — РЅРёС… ударной волны.  [12]

Ударная труба, по существу, является устройством, в котором в результате внезапного разрыва мембраны, разделяющей газы под высоким и низким давлениями, образуется плоская ударная волна.

Камера РЅРёР·РєРѕРіРѕ давления трубы ( / — 4 — 6 Рј) наполняется исследуемым газом, Р° камера высокого давления ( / 1 — 2Рј) — толкающим газом, обычно РІРѕРґРѕСЂРѕРґРѕРј или гелием. РџСЂРё разрыве мембраны волна сжатия, распространяющаяся РІ камере СЃ исследуемым газом, быстро превращается РІ ударную волну.

Область непосредственного раздела между толкающим и исследуемым газами называется поверхностью контактного разрыва или контактной поверхностью.

Ударная волна в исследуемом газе характеризуется резким перепадом давления во фронте и высокой температурой.

Р’ идеальных условиях температура газа возрастает Р’Рћ фронте скачком РћРў начальной комнатной температуры РґРѕ достаточно большой величины ( 1000 — 15000 Рљ) Рё остается неизменной вплоть РґРѕ контактной поверхности.  [13]

Ударная труба, по существу, является устройством, в котором в результате внезапного разрыва мембраны, разделяющей газы под высоким и низким давлениями, образуется плоская ударная волна.

Камера РЅРёР·РєРѕРіРѕ давления трубы ( / — 4 — 6) наполняется исследуемым газом, Р° камера высокого давления ( / — 1 — 2 Рј) — толкающим газом, обычно РІРѕРґРѕСЂРѕРґРѕРј или гелием.

При разрыве мембраны волна сжатия, распространяющаяся в камере с исследуемым газом, быстро превращается в ударную волну.

Область непосредственного раздела между толкающим и исследуемым газами называется поверхностью контактного разрыва или контактной поверхностью.

Ударная волна в исследуемом газе характеризуется резким перепадом давления во фронте и высокой температурой.

Р’ идеальных условиях температура газа возрастает РІРѕ фронте скачком РѕС‚ начальной комнатной температуры РґРѕ достаточно большого значения ( 1000 — 15 000 Рљ) Рё остается неизменной вплоть РґРѕ контактной поверхности. Р—РѕРЅР° нагретого газа имеет протяженность РІ несколько десятков сантиметров Рё существует РІ течение нескольких сотен микросекунд.  [14]

Ударная труба состоит РёР· РґРІСѓС… камер — высокого Рё РЅРёР·РєРѕРіРѕ давления, разделяемых герметичной, РЅРѕ тонкой перегородкой, играющей роль разрывной мембраны. Как правило, мембрана изготовляется РёР· металлической фольги, для которой легко подобрать необходимую прочность.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Shock tube — Wikipedia

Для пиротехнического инициатора см. Детонатор с ударной трубкой.

Аппарат для испытания ударной трубки в Оттавском университете , Канада.

Студент снимает остатки использованной алюминиевой фольги.

Идеализированная ударная трубка. На графике показаны различные волны, которые образуются в трубке после разрыва диафрагмы.

Ударная труба представляет собой инструмент , используемый для репликации и прямых взрывных волн на датчике или модель для того , чтобы имитировать реальные взрывы и их эффекты, как правило , в меньшем масштабе. Ударные трубы (и соответствующие импульсные устройства, такие как ударные туннели, расширительные трубы и расширительные туннели) также могут использоваться для изучения аэродинамического потока в широком диапазоне температур и давлений, которые трудно получить в других типах испытательных стендов. Ударные трубы также используются для исследования явлений сжимаемого потока и реакций горения в газовой фазе . Совсем недавно ударные трубы стали использоваться в биомедицинских исследованиях для изучения воздействия взрывных волн на биологические образцы.

Ударная волна внутри ударной трубы может быть вызвана небольшим взрывом (вызванным взрывом) или повышением давления, которое приводит к разрыву диафрагмы (диафрагм) и распространению ударной волны вниз по ударной трубе (с приводом от сжатого газа). .

История

Раннее исследование ударных трубок с компрессионным приводом было опубликовано в 1899 году французским ученым Полем Вьей , хотя устройство не называлось ударной трубкой до 1940-х годов.

В 1940-х годах интерес возродился, и ударные трубы все чаще использовались для изучения потока быстро движущихся газов над объектами, химии и физической динамики реакций горения в газовой фазе. В 1966 году Дафф и Блэквелл описали тип ударной трубы, приводимой в действие взрывчаткой. Они имели диаметр от 0,6 до 2 м и длину от 3 до 15 м.

Сами трубки были изготовлены из недорогих материалов и создавали ударные волны с пиковым динамическим давлением от 7 МПа до 200 МПа и длительностью от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.

В настоящее время ударные трубы с компрессионным и взрывным приводом используются как в научных, так и в военных целях. Ударные трубы, приводимые в действие сжатым газом, легче получить и обслужить в лабораторных условиях; однако форма волны давления отличается от взрывной волны в некоторых важных отношениях и может не подходить для некоторых применений.

Ударные трубы с приводом от взрыва генерируют волны давления, которые более реалистичны, чем взрывные волны в свободном поле. Однако им требуются помещения и опытный персонал для работы с взрывчатыми веществами.

Кроме того, в дополнение к исходной волне давления следует струйный эффект, вызванный расширением сжатых газов (управляемый сжатием) или производством быстро расширяющихся газов (управляемый взрывом), который может передавать импульс образцу после того, как взрывная волна прошла. .

Совсем недавно были разработаны ударные трубы лабораторного масштаба, приводимые в движение топливовоздушными смесями, которые создают реалистичные взрывные волны и могут использоваться в более обычных лабораторных помещениях. Поскольку молярный объем газа намного меньше, эффект струи составляет часть от такового для ударных труб, приводимых в действие сжатым газом.

На сегодняшний день меньший размер и более низкое пиковое давление, создаваемое этими ударными трубками, делают их наиболее полезными для предварительного неразрушающего контроля материалов, проверки измерительного оборудования, такого как высокоскоростные датчики давления, а также для биомедицинских исследований, а также для военных приложений.

Операция

Алюминиевая фольга используется в качестве диафрагмы между сегментами трубы ударной трубы.

Простая ударная труба представляет собой трубу прямоугольного или круглого сечения, обычно изготовленную из металла, в которой газ при низком давлении и газ при высоком давлении разделены с помощью какой-либо формы диафрагмы . См., Например, тексты Солоухина, Гайдона и Херла и Брэдли. Диафрагма внезапно разрывается при заданных условиях, вызывая волну, распространяющуюся через секцию низкого давления. Образовавшаяся в конечном итоге ударная волна увеличивает температуру и давление испытательного газа и вызывает поток в направлении ударной волны. Наблюдения можно проводить в потоке за падающим фронтом или использовать более длительное время испытаний и значительно увеличенные давления и температуры за отраженной волной.

Газ низкого давления, называемый ведомым газом, подвергается воздействию ударной волны. Газ высокого давления известен как газ-драйвер. Соответствующие секции трубы также называются приводной и ведомой секциями.

Драйверный газ обычно выбирается с низким молекулярным весом (например, гелий или водород ) по соображениям безопасности, с высокой скоростью звука , но может быть слегка разбавлен для «адаптации» условий границы раздела в толчке.

Для получения самых сильных ударов давление ведомого газа должно быть значительно ниже атмосферного (частичный вакуум создается в ведомой части перед детонацией).

Испытание начинается с разрыва диафрагмы. Для разрыва диафрагмы обычно используются несколько методов.

  • Иногда используется поршень с механическим приводом, чтобы пробить его, или заряд взрывчатого вещества может использоваться, чтобы взорвать его.
  • Другой метод — использовать диафрагмы из пластика или металла для определения удельного давления разрыва. Пластмассы используются для самых низких давлений разрыва, алюминий и медь — для более высоких уровней, а низкоуглеродистая сталь и нержавеющая сталь — для самых высоких давлений разрыва. Эти диафрагмы часто имеют насечки в виде креста на калиброванную глубину, чтобы гарантировать, что они разрываются равномерно, формируя контур лепестков, так что полное сечение трубки остается открытым во время испытания.
  • Еще один метод разрыва диафрагмы использует смесь горючих газов с инициатором, предназначенным для создания детонации внутри нее, вызывая внезапное и резкое увеличение того, что может быть или не может быть приводом под давлением. Эта взрывная волна увеличивает температуру и давление ведомого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем свинцовая волна.

Разрывная диафрагма создает серию волн давления , каждая из которых увеличивает скорость звука позади них, так что они сжимаются в ударную волну, распространяющуюся через ведомый газ.

Эта ударная волна увеличивает температуру и давление ведомого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем свинцовая волна.

Одновременно волна разрежения , часто называемая волной Прандтля-Мейера, возвращается обратно в приводной газ.

Граница раздела, на которой происходит ограниченное перемешивание, разделяет ведомый и приводной газы, называемая контактной поверхностью, и следует с меньшей скоростью за свинцовой волной.

«Химическая ударная трубка» включает в себя разделение управляющего и ведомого газов парой диафрагм, предназначенных для выхода из строя после заранее заданных задержек с концевым «сливным баком» значительно увеличенного поперечного сечения. Это позволяет чрезвычайно быстро снижать (гасить) температуру нагретых газов.

Приложения

В дополнение к измерениям скорости химической кинетики ударные трубы использовались для измерения энергии диссоциации и скорости молекулярной релаксации, они использовались в аэродинамических испытаниях.

Поток текучей среды в ведомом газе можно использовать во многом как аэродинамическую трубу , позволяя более высокие температуры и давления в ней воспроизводить условия в турбинных секциях реактивных двигателей .

Однако время испытаний ограничено несколькими миллисекундами либо из-за прихода контактной поверхности, либо из-за отраженной ударной волны.

Они были далее развиты в ударные туннели с добавленным соплом и сливным баком. Результирующий высокотемпературный гиперзвуковой поток можно использовать для моделирования входа в атмосферу космического или гиперзвукового летательного аппарата, опять же с ограниченным временем испытаний.

Ударные трубы были разработаны в широком диапазоне размеров. Размер и способ создания ударной волны определяют пик и продолжительность создаваемой волны давления.

Таким образом, ударные трубы могут использоваться как инструмент, используемый как для создания, так и для направления взрывных волн на датчик или объект, чтобы имитировать реальные взрывы и повреждения, которые они вызывают в меньшем масштабе, при условии, что такие взрывы не связаны с повышенными температурами.

и осколки или летящие обломки. Результаты экспериментов с ударной трубой могут быть использованы для разработки и проверки численной модели реакции материала или объекта на окружающую взрывную волну без осколков или летающих обломков.

Ударные трубы можно использовать для экспериментального определения того, какие материалы и конструкции лучше всего подходят для работы по ослаблению окружающих взрывных волн без осколков или летающих обломков.

Затем результаты могут быть использованы в проектах для защиты конструкций и людей, которые могут подвергнуться воздействию внешней взрывной волны без осколков или летающих обломков. Ударные трубки также используются в биомедицинских исследованиях, чтобы выяснить, как биологические ткани подвергаются воздействию взрывных волн.

Есть альтернативы классической ударной трубе; Для лабораторных экспериментов при очень высоком давлении ударные волны также могут быть созданы с помощью высокоинтенсивных короткоимпульсных лазеров.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки

Аэродинамическая труба

труба, установка, создающая поток воздуха или газа для эксперимент, изучения явлений, сопровождающих обтекание тел. С помощью А. т.

определяются силы, возникающие при полёте самолётов и вертолётов, ракет и космических кораблей, при движении подводных судов в погруженном состоянии; исследуются их устойчивость и управляемость; отыскиваются оптимальные формы самолётов, ракет, космических и подводных кораблей, а также автомобилей и поездов; определяются ветровые нагрузки, а также нагрузки от взрывных волн, действующие на здания и сооружения — мосты, мачты электропередач, дымовые трубы и т. п. В специальных А. т. исследуется нагревание и теплозащита ракет, космических кораблей и сверхзвуковых самолётов.

Опыты в А. т. основываются на принципе обратимости движения, согласно которому перемещение тела относительно воздуха (или жидкости) можно заменить движением воздуха, набегающего на неподвижное тело. Для моделирования движения тела в покоящемся воздухе необходимо создать в А. т.

равномерный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные скорости (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру. Обычно в А. т. исследуется обтекание модели проектируемого объекта или его частей и определяются действующие на неё силы.

При этом необходимо соблюдать условия, которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях, на полноразмерный натурный объект (см. Моделирование , Подобия теория ) .

При соблюдении этих условий аэродинамические коэффициенты для исследуемой модели и натурного объекта равны между собой, что позволяет, определив аэродинамический коэффициент в А. т., рассчитать силу, действующую на натуру (например, самолёт).

Прототип А. т. был создан в 1897 К. Э. Циолковским, использовавшим для опытов поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора. В 1902 Н. Е. Жуковский построил А. т., в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/сек. Первые А. т. разомкнутой схемы были созданы Т. Стантоном в Национальной физической лаборатории в Лондоне в 1903 и Н. Е.

Жуковским в Москве в 1906, а первые замкнутые А. т. — в 1907-1909 в Гёттингене Л. Прандтлем и в 1910 Т. Стантоном. Первая А. т. со свободной струей в рабочей части была построена Ж. Эйфелем в Париже в 1909. Дальнейшее развитие А. т.

шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель), которая является одной из основных характеристик А. т.

В связи с развитием артиллерии, реактивной авиации и ракетной техники появляются сверхзвуковые А. т., скорость потока в рабочей части которых превышает скорость распространения звука.

В аэродинамике больших скоростей скорость потока или скорость полёта летательных аппаратов характеризуется числом М v/a (т. е. отношением скорости потока v к скорости звука а ) . В соответствии с величиной этого числа А. т.

делят на 2 основные группы: дозвуковые, при М < 1, и сверхзвуковые, при М > 1 .

Дозвуковые аэродинамические трубы. Дозвуковая А. т. постоянного действия ( рис. 1 ) состоит из рабочей части 1 , обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника). Рабочая часть А. т. может быть закрытой или открытой ( рис. 2 , а и б), а если необходимо создать А. т.

с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля ( рис. 2 ) (высотной камерой). Исследуемая модель 2 ( рис. 1 ) крепится державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам 3.

Перед рабочей частью расположено сопло 4, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой ( 6 — спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 5 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части.

Компрессор (вентилятор) 7, приводимый в действие силовой установкой 8, компенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки 9 уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 12 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором.

Радиатор 10 обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А. т. Если в каком-либо сечении канала А. т. статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан 11.

Размеры дозвуковых А. т. колеблются от больших А. т. для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.

А. т., схема которой приведена на рис. 1 , относится к типу т. н. замкнутых А. т. Существуют также разомкнутые А. т., в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных ёмкостей. Существенной особенностью дозвуковых А. т. является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.

Согласно теории подобия, для того чтобы аэродинамические коэффициенты у модели и натуры (самолёта, ракеты и т. п.) были равны, необходимо, кроме геометрического подобия, иметь одинаковые значения чисел М и Рейнольдса числа Re в А. т. и в полёте ( Re rvl/m , r — плотность среды, m — динамич.

вязкость, l — характерный размер тела). Чтобы обеспечить эти условия, энергетическая установка, создающая поток газа в А. т.

, должна обладать достаточной мощностью (мощность энергетической установки пропорциональна числу М, квадрату числа Re и обратно пропорциональна статическому давлению в рабочей части pc.

Сверхзвуковые аэродинамические трубы. В общих чертах схемы сверхзвуковой и дозвуковой А. т. аналогичны ( рис. 1 и 3 ). Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А. т. применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал.

В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А. т.

для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.

В диффузоре сверхзвуковой А. т. скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося — расходящегося канала.

В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения ( ударная волна ) , после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора.

Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А. т. часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.

В сверхзвуковой А. т. потери энергии в ударных волнах, возникающих в диффузоре, значительно больше потерь на трение и вихреобразование. Кроме того, значительно больше потери при обтекании самой модели, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые А. т. имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, чем дозвуковые А. т.

В сверхзвуковом сопле по мере увеличения скорости воздуха уменьшаются его температура Т и давление р, при этом относительная влажность воздуха, обычно содержащего водяные пары, возрастает, и при числе М '1,2 происходит конденсация пара, сопровождающаяся образованием ударных волн — скачков конденсации, существенно нарушающих равномерность поля скоростей и давлений в рабочей части А. т. Для предотвращения скачков конденсации влага из воздуха, циркулирующего в А. т., удаляется в специальных осушителях 11 .

Одним из основных преимуществ сверхзвуковых А. т., осуществляемых по схеме рис. 3 , является возможность проведения опытов значительной продолжительности. Однако для многих задач аэродинамики это преимущество не является решающим. К недостаткам таких А. т.

относятся: необходимость иметь энергетические установки большой мощности, а также трудности, возникающие при числах М > 4 вследствие быстрого роста требуемой степени сжатия компрессора. Поэтому широкое распространение получили т. н. баллонные А. т.

, в которых для создания перепада давлений перед соплом помещают баллоны высокого давления, содержащие газ при давлении 100 Мн/м2 (1000 кгс/см2 ) , а за диффузором — вакуумные ёмкости (газгольдеры), откачанные до абсолютного давления 100-0,1 н/м2 (10-3-10-6 кгс/см2 ) , или систему эжекторов ( рис. 4 ).

Одной из основных особенностей А. т. больших чисел М ( М > 5) является необходимость подогрева воздуха во избежание его конденсации в результате понижения температуры с ростом числа М. В отличие от водяных паров, воздух конденсируется без заметного переохлаждения.

Конденсация воздуха существенно изменяет параметры струи, вытекающей из сопла, и делает её практически непригодной для аэродинамического эксперимента. Поэтому А. т. больших чисел М имеют подогреватели воздуха.

Температура T 0, до которой необходимо подогреть воздух, тем больше, чем больше число М в рабочей части А. т. и давление перед соплом p 0 . Например, для предотвращения конденсации воздуха в А. т.

при числах М ' 10 и p 0 ' 5 Мн/м2 (50 кгс/см2 ) необходимо подогревать воздух до абсолютной температуры T 0 ' 1000 К.

Развитие техники идёт в направлении дальнейшего увеличения скоростей полёта. Спускаемые космические аппараты 'Восток' и 'Восход' входят в атмосферу Земли с первой космической скоростью v 1кос ' 8 км/сек (т. е. М > 20). Космические корабли, возвращающиеся на Землю с Луны и др.

планет, будут входить в атмосферу со второй космической скоростью v 2кос ³ 11 км/сек ( М > 30). При таких скоростях полёта температура газа за ударной волной, возникающей перед летящим телом, превыщает 10000 К , молекулы азота и кислорода диссоциируют (распадаются на атомы), и становится существенной ионизация атомов.

Необходимо исследовать влияние этих процессов на силы, возникающие при обтекании тела, и тепловые потоки, поступающие к его поверхности. Для этого в А. т. необходимо получить не только натурные значения чисел М и Re, но и соответствующие температуры T 0 . Это привело к созданию новых типов А. т.

, работающих с газом, нагретым до высоких температур, значительно превышающих температуру, необходимую для предотвращения конденсации воздуха при данном числе М. К установкам этой группы относятся ударные трубы, импульсные установки, электродуговые установки и т. п.

Ударная труба ( рис. 5 , а) представляет собой ступенчатую цилиндрическую трубу, состоящую из двух секций — высокого 1 и низкого 2 давления, разделённых мембраной 3. В секции 1 содержится 'толкающий' газ (обычно Не или Н), нагретый до высокой температуры и сжатый до давления p 1 .

Секция низкого давления заполняется рабочим газом (воздухом) при низком давлении p 2 Это состояние, предшествующее запуску А. т., соответствует на рис. 5 , б времени t 0 . После разрыва мембраны 3 по рабочему газу начинает перемещаться ударная волна 4, которая сжимает его до давления р и повышает температуру.

За ударной волной с меньшей скоростью двигается контактная поверхность 5, разделяющая толкающий и рабочий газы (момент времени t 1) . Давление и температура рабочего газа в объёме между ударной волной и контактной поверхностью постоянны. В дальнейшем ударная волна 4 пройдёт через сопло 6 и рабочую часть А. т.

7 в ёмкость 8, и в рабочей части установится сверхзвуковое течение с давлением p 4 (момент времени t 2) .

Исследование обтекания газом модели 9 начинается в тот момент, когда ударная волна 4 пройдёт сечение, в котором расположена модель, и заканчивается, когда в это сечение придёт контактная поверхность.

Поскольку скорость движения ударной волны в трубе 2 больше скорости контактной поверхности, очевидно, что длительность эксперимента в А. т. тем больше, чем больше длина 'разгонной' трубы 2. В существующих ударных А. т.

эта длина достигает 200-300 м.

Рассмотренный тип ударных А. т. даёт возможность получить температуры около 8000 К при времени работы порядка миллисекунд. Применяя ударные А. т. с несколькими мембранами, удаётся получить температуры до 18000 К .

Электродуговые А. т. Для решения многих задач аэродинамики можно ограничиться меньшими температурами, но требуется значительное время эксперимента, например при исследовании аэродинамического нагрева или теплозащитных покрытий.

В электродуговых А. т. ( рис. 6 ) воздух, подаваемый в форкамеру сопла, подогревается в электрической дуге до температуры ~6000 К.

Дуга, образующаяся в кольцевом канале между охлаждаемыми поверхностями центрального электрода 1 и камеры 2, вращается с большой частотой магнитным полем, создаваемым индуктивной катушкой 7 (вращение дугового разряда необходимо для уменьшения эрозии электродов). А. т.

этого типа позволяет получить числа М до 20 при длительности эксперимента в несколько сек. Однако давление в форкамере обычно не превышает 10 Мн/м2 (100 кгс/см2 ) .

Большие давления в форкамере ~60 Мн/м2 (600 кгс/см2 ) и, соответственно, большие значения числа М можно получить в т. н. импульсных А. т., в которых для нагревания газа применяется искровой разряд батареи высоковольтных конденсаторов. температура в форкамере импульсной А. т. ~ 6000 К , время работы — несколько десятков мсек.

Недостатки установок этого типа — загрязнение потока продуктами эрозии электродов и сопла и изменение давления и температуры газа в процессе эксперимента.

Лит.: Пэнкхёрст Р. и Холдер Д., Техника эксперимента в аэродинамических трубах, пер. с англ., М., 1955; Закс Н. А., Основы экспериментальной аэродинамики, 2 изд., М., 1953; Хилтон У. Ф., Аэродинамика больших скоростей, пер.

с англ., М., 1955; Современная техника аэродинамических исследований при гиперзвуковых скоростях, под ред. А. М. Крилла, пер. с англ., М., 1965; Исследование гиперзвуковых течений, под ред. Ф. Р. Риддела, пер. с англ., М., 1965.

М. Я. Юделович.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector