Um ramo da aerodinâmica. Use métodos experimentais para estudar o movimento do ar e outros gases em vários ambientes e as características aerodinâmicas dos objetos que se movem nos gases.
Por se tratar de um estudo direto da interação entre objetos e fluxos de ar reais, os dados obtidos podem ser usados como base para projetos de engenharia, verificar resultados de cálculos teóricos e revelar novos fenômenos de fluxo, além de fornecer modelos físicos para análises teóricas.
A aerodinâmica experimental como uma subdisciplina foi formada na década de 1940. Sua formação está relacionada ao rápido desenvolvimento de aeronaves, o que requer a aquisição rápida de um grande número de dados de projeto complexos, precisos e confiáveis.
Além das teorias básicas da aerodinâmica, seu conteúdo principal também inclui o conhecimento de teorias experimentais, métodos experimentais e equipamentos experimentais.
Teoria experimental A principal tarefa da aerodinâmica experimental é usar túneis de vento para conduzir experimentos de modelo para observar o movimento dos objetos, os padrões de fluxo circundantes, medir os campos de fluxo circundantes, as forças aerodinâmicas e os momentos que atuam nos objetos, pressão superficial e fluxo de calor etc. As teorias básicas baseadas no experimento são o princípio do movimento relativo e a teoria do modelo.
O princípio do movimento relativo “ Quer um sólido se mova em um fluido estático a uma certa velocidade uniforme, ou um fluido flua através do sólido na mesma velocidade, a força de interação entre os dois é constante. Em geral, o experimento em túnel de vento é gerar artificialmente um fluxo de ar uniforme ajustável através de um modelo fixo e medir as forças e os momentos no modelo.
Teoria do modelo O tamanho das aeronaves e mísseis é grande, a estrutura é complexa e é difícil realizar testes físicos. Usando modelos em escala (em alguns casos, também existem modelos ampliados) para pesquisas experimentais, as condições são realistas, econômico e seguro. Portanto, o modelo é amplamente utilizado em experimentos em túnel de vento. A teoria do modelo inclui principalmente:
① Similaridade: Para converter os dados medidos no modelo em características aerodinâmicas do objeto físico, os requisitos de similaridade devem ser rigorosamente seguidos entre o modelo e o objeto físico.
Para forças aerodinâmicas, deve ser geometricamente semelhante, ou seja, a razão de comprimento linear (incluindo os limites internos e externos e todo o espectro de fluxo) no campo de fluxo é uma constante; o movimento é semelhante, e a razão de velocidade correspondente no dois campos de fluxo é uma constante; Da mesma forma, a proporção das forças correspondentes nos dois campos de fluxo é uma constante.
Para o calor aerodinâmico, outras semelhanças também devem ser atendidas. Todas as condições de similaridade são atendidas, chamada de similaridade completa; a satisfação parcial, é chamada de similaridade parcial. Na verdade, o modelo de similaridade completo é difícil de alcançar, e muitas vezes é para assegurar similaridade parcial em termos de papel dominante.
②Análise dimensional: O critério de similaridade que deve ser satisfeito entre o modelo e o objeto pode ser derivado da análise dimensional, se a força aerodinâmica X 1 atuando sobre o objeto é função das variáveis físicas X 2 , X 3 , … , X n .
X 1 = ψ ( X 2 , X 3 , …, X n ),
Na fórmula, X 2 , X 3 , … são as características do objeto e do fluxo de ar, e têm dimensões próprias. De acordo com os requisitos de consistência da dimensão de cada item na mesma equação física, a equação característica de que cada item é uma variável adimensional pode ser derivada:
π 1 = ψ ( π 2 , π 3 ……, π n- i ),
Na fórmula, o termo esquerdo π 1 é o coeficiente de força adimensional composto pelas variáveis básicas, e o termo direito é o parâmetro adimensional composto pelas variáveis X 2 , X 3 , … respectivamente com as variáveis básicas. i é o número de variáveis básicas.
Essa fórmula é chamada de teorema π . As duas fórmulas também se aplicam ao modelo. A fim de distinguir, os coeficientes de força adimensionais e parâmetros do modelo são todos representados por “‘”. Ao projetar o modelo e organizar as condições experimentais, se π 2 ′ = π 2 , π 3 ′ = π 3 , … então deve ser π 1 ′ = π 1 .
Esses parâmetros adimensionais π 2 , π 3 , … são chamados de critérios de similaridade. Ao projetar o experimento, é necessário garantir que o modelo seja geometricamente semelhante ao objeto real, e os critérios de semelhança do modelo e do objeto real sejam iguais, respectivamente, para garantir que as duas dinâmicas de fluxo sejam semelhantes, e o coeficiente de força π 1 ′ obtido no experimento do modelo também é congruente com o objeto real.
Para problemas aerodinâmicos, ao considerar os principais efeitos da viscosidade do fluxo de ar μ , compressibilidade K , aceleração gravitacional ge o período (ou frequência) w do movimento , a equação característica é:
C F = F / ρ V 2 L 2 = f (α, β , Re, M, Fr, S)
Na fórmula, o comprimento característico L , a velocidade do fluxo de entrada V e a densidade do ar ρ são três variáveis básicas, α é o ângulo de ataque, β é o ângulo de derrapagem (ver características aerodinâmicas). F e C F são os coeficientes aerodinâmicos e de força, respectivamente. Número de Reynolds Re = ρ VL / μ e número de Mach M = V / a são critérios de similaridade ( a é a velocidade do som); e número de Froude Fr = V 2 / gL e número de Strouha
É um critério semelhante que considera os efeitos da gravidade e da periodicidade respectivamente. Usando a fórmula acima, a força aerodinâmica e o torque reais podem ser convertidos a partir da força aerodinâmica e do torque medidos pelo modelo. O número de critérios semelhantes é sempre menor do que o número de variáveis físicas, o que é muito conveniente para projetar experimentos e organizar resultados experimentais.
Tecnologia experimental A tecnologia experimental de túnel de vento está relacionada ao propósito de pesquisa e ao objeto experimental.
Ou seja, em termos de experimentos de produção mais formalizados, além dos experimentos convencionais de medição de força e pressão, vários outros itens experimentais incluem entrada de ar, torque de dobradiça, derivada dinâmica, flutter, fluxo de jato, etc., e há muitos tipos. O método experimental varia com diferentes projetos experimentais.
Se cada item for subdividido pelo objeto de medição, ele pode ser dividido nos seguintes métodos básicos de medição do túnel de vento: campo de pressão de fluxo de ar, campo de velocidade e medição de campo de direção, medição de força e momento, medição de pressão de superfície, medição de temperatura de superfície, turbulência medição, medição de camada limite, medição de parâmetro dinâmico, medição do efeito do modelo no fluxo de ar e observação e exibição do espectro de fluxo, etc.
Equipamento experimental: o equipamento experimental convencional inclui túneis de vento de baixa velocidade, subsônicos, transônicos, supersônicos e hipersônicos e equipamentos experimentais de ultra-alta velocidade. Tanques e túneis de água também são usados como equipamentos auxiliares para observar os padrões de fluxo. Esses equipamentos experimentais geralmente consistem em um sistema de energia, um corpo de equipamento e um sistema de controle de medição.
Os principais instrumentos de medição incluem vários tipos de balanços de túnel de vento, sondas e sensores para medir parâmetros de fluxo de ar, medidores de pressão, anemômetros de fio quente, anemômetros de laser, analisadores de espectro e medidores de Schlieren, medidores de sombra e interferômetros para medição aero-óptica, etc. .
Porém, na prática, a energia e o custo limitam o tamanho e o alcance da simulação dos túneis de vento, sendo impossível atingir condições reais de voo em um espaço infinito no túnel de vento.
Portanto, a influência da parede do túnel de vento no experimento é chamada interferência de parede; o número de Reynolds experimental é de até O erro causado por menos do que o valor de vôo é chamado de efeito de escala; a interferência de suporte causada pelo suporte do modelo. A falha de outros parâmetros de simulação para atingir as condições reais de vôo também trará erros, e esses erros experimentais devem ser corrigidos no processamento dos dados experimentais.
Esses métodos de correção também são uma parte importante da aerodinâmica experimental. A fim de eliminar esses erros e melhorar as capacidades de simulação de túneis de vento, túneis de vento com autocorreção, túneis de vento de baixa temperatura em grande escala e tecnologias de suspensão magnética foram desenvolvidas desde a década de 1970.