Как аэродинамические трубы используются с масштабными моделями?

При разработке используется множество различных аэродинамических труб. Масштабы варьируются от полной шкалы до менее чем 1/100, и иногда не только геометрические, но и динамические и упругие свойства испытуемого самолета должны быть правильно смоделированы.

Сегодня предварительная работа в основном выполняется в виде численного моделирования, но до появления компьютеров ранние модели аэродинамической трубы были в масштабе от 1/50 до 1/16 (в зависимости от размера реального изделия и доступной аэродинамической трубы), часто использование модульных моделей, на которых можно было опробовать различное расположение двигателей или геометрию оперения. Поскольку испытания в аэродинамической трубе стоят реальных денег, ранние испытания ограничиваются небольшими недорогими туннелями, которые работают при температуре и плотности окружающей среды. Различия в числе Рейнольдса между тестовым образцом и реальным самолетом покрываются поправочными коэффициентами и опытом.

Только когда дизайн продвигается вперед во время разработки, используются более крупные и дорогие туннели. Опять же, сопоставление числа Рейнольдса невозможно и даже не нужно для некоторых тестов: для спинового туннеля тестовый образец должен масштабироваться динамически (чтобы он имел правильные моменты инерции), но число Рейнольдса меньше влияет на отрывный поток , поэтому достаточно точности модели в масштабе 1/20. Также свободно падающей модели в спин-туннеле нужно совсем немного места для перемещения, поэтому даже небольшим моделям уже нужны тестовые участки диаметром в несколько метров.

Чтобы снизить стоимость и избежать жесткого графика аэродинамических труб, также используются свободно летающие или радиоуправляемые модели. Посмотрите, как инженеры Dornier проверяли динамическое поведение тогдашнего нового трехопорного шасси Do-335 в этом видео (начиная с 2:00) или характеристики приземления (начиная с 2:13).

Только когда необходимо согласовать числа Маха и Рейнольдса, используются криогенные аэродинамические трубы и аэродинамические трубы под давлением. Из-за их потребности в энергии и доступности такие испытания необходимо планировать на годы вперед и тщательно планировать. Модели могут стоить миллионы долларов или евро, поэтому такие тесты в основном сужают параметры, которые ранее измерялись в более простых тестах. Большие туннели, такие как 9,5x9,5 м LLF в Маркнессе (Нидерланды), в основном используются для испытаний низкоскоростных и грузоподъемных характеристик, поскольку его двигатель мощностью 12,6 МВт может поддерживать скорость только 62 м/с на полной мощности. На другом конце шкалы находятся гиперзвуковые продувочные трубы, которые поддерживают испытательную секцию диаметром 0,5 м, в которой скорость 6 Маха может быть достигнута за доли секунды.

Натурные испытания в аэродинамической трубе возможны только с небольшими летательными аппаратами — примеры см. в ответах на этот вопрос . Даже в этом случае скорости не соответствуют максимальной скорости самолета, поэтому нагрузки составляют лишь часть реальных нагрузок.

Ян Роскам замечает в своей книге « Истории Роскама о войне с самолетами »:

Для инженера, безусловно, необычная роскошь иметь в наличии полные данные о туннелях с числом Рейнольдса.

Обычно для малой дозвуковой скорости совпадает число Рейнольдса, а для околозвуковой и сверхзвуковой скорости совпадает число Маха. Если вам нужно только сходство числа Рейнольдса, вы можете пойти в водный туннель.

Единственный способ получить сходство чисел Рейнольдса и Маха для моделей (если вы не меняете среду) - это использовать аэродинамическую трубу под давлением и / или криогенную. Криогенная аэродинамическая труба достигает требуемого числа Рейнольдса за счет уменьшения сил вязкости, а не увеличения сил инерции; даже тогда фактические числа Рейнольдса, встречающиеся в полете, редко достигаются, и приходится прибегать к законам масштабирования.

Масштаб используемой модели зависит от приложения. В некоторых случаях (например, при испытаниях гиперзвуковых транспортных средств) используются модели в масштабе 1:1, в то время как в других случаях, например при испытаниях А380, использовались модели даже в масштабе 200:1.

Хотя сила, действующая на модели, будет различаться в зависимости от приложения (и даже в некоторых случаях приближаться к реальной силе), силы, действующие на модели меньшего масштаба, довольно малы (обратите внимание на масштабы подъемной силы и сопротивления как квадрат размера при условии, что другие параметры одинаковы) , тут даже не так). Как правило, для получения сил, действующих на реальный самолет, используются различные законы масштабирования. Например , это видео показывает силы в масштабной модели A380 в порядке ньютонов. Обычно вы хотите найти коэффициент подъемной силы (или сопротивления) модели и использовать его в реальном случае.

Аэродинамическая труба Кирстен на изображении, которое вы указали, может измерять максимальную подъемную силу чуть больше тонны, а другие силы на порядок меньше этого. Обратите внимание, что это довольно большой дозвуковой туннель, а меньшие туннели могут иметь еще меньшие размеры. Вы должны масштабировать результаты в соответствии с моделью. Скорость воздуха дана как ~ 90$ms^{-1}$.

В аэродинамической трубе измеряется и наблюдается ряд вещей, которые могут иметь лишь слабое отношение к измерениям силы, таким как визуализация потока, эффект сброса хранилища, анализ следа и другие.

Спасибо за другие ответы. На последнюю часть моего вопроса, то есть в чем смысл тестирования с использованием небольших моделей, которые не соответствуют числу Рейнольдса, кажется, отвечает график в этом ответе :

^{Коэффициент подъемной силы по углу атаки для модели и полномасштабного самолета, взятый из монографии Джозефа Чемберса об испытаниях с моделями ( Моделирование полета: роль динамически масштабируемых моделей свободного полета в поддержку аэрокосмических программ НАСА ).}

На этом графике видно, что коэффициент подъемной силы модели и натурного самолета идентичен при обычных углах атаки; они расходятся под более крутыми углами (максимальная подъемная сила), поскольку сваливание становится неизбежным (модель сваливается легче); и снова становятся идентичными после остановки. Даже когда они максимально удалены друг от друга, они не сильно отличаются (например, разница составляет 2, а не 50 раз).

В документе, из которого был взят этот график, содержится множество другой информации.

Также в этом видео из European Transonic Windtunnel объясняется, как они достигают реалистичных чисел Рейнольдса: за счет снижения температуры (например, до 110 K, т.е. -160 °C) за счет испарения жидкого азота после компрессора без кислорода (который сжижается) и за счет повышение давления (до 4,5 бар).

Заявлена ​​точность 99% (и выше).

Самые большие модели, в которые он может поместиться, имеют размах крыльев около 1,6 метра.