УСТАНОВКА ДЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛИ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области аэродинамических испытаний, в частности к установкам для исследования условий вихреобразования и попадания посторонних частиц в воздухозаборник летательного аппарата.
Уровень техники
Известны различные устройства для аэродинамических испытаний, являющиеся аналогами заявленной полезной модели.
Известно устройство для проведения аэродинамических испытаний, обеспечивающее визуализацию обтекания аэродинамического объекта (авт.свид. СССР SU 1749742, G01M 9/00, 23.07.1992). Устройство содержит основные электроды, размещенные на исследуемой поверхности объекта, выполненного с диэлектрическим покрытием, соединенный с электродами высоковольтный импульсный источник тока и средства регистрации свечения канала разряда в разрядном промежутке между электродами. Имеется дополнительный инициирующий электрод, выполненный в виде
размещенного под диэлектрическим покрытием проводника, электрически соединенного с одним из электродов.
Известно устройство для моделирования объемной структуры потоков в приземном воздушном слое (патент Российской Федерации RU 1766166, G01M 9/00, 27.10.1995), позволяющее визуализировать структуру воздушных потоков. Визуализирующее вещество наносят на поверхность макета исследуемого объекта, который обдувают потоком воздуха, и после растекания визуализирующего вещества, фиксируют картину потоков, макет исследуемого объекта, смоделированный с учетом рельефа местности, устанавливают в рабочей части аэродинамической трубы, обдув осуществляют в направлениях, соответствующих розе ветров на местности исследуемого объекта, а после фиксации картины потоков в циркуляционных зонах размещают и перемещают в горизонтальных плоскостях и по высоте макета тонкие стержни или струны с закрепленными на них цветными нитями или пучком нитей, предварительно обработанными антистатиком, а затем в пограничные области циркуляционных зон потока вдувают дымовые струйки, при этом структуру воздушных потоков фиксируют на фотопленку и переносят в виде векторов на генплан и аксонометрическую схему исследуемого объекта. Кроме того, макет и его основание изготавливают из прозрачного материала.
Известна система исследования поведения частиц песка и пыли под воздействием ветра (заявка Китая CN 162179, G01M 9/00, 01.06.2005). Система включает источник воздушного потока, моделирующий скорость
ветра, исследуемые песок и пыль, воздушный регулятор и трубы. Воздушный регулятор связан через трубы с источником воздушного потока, и каждая из труб оборудована клапаном для управления расходом, скоростью потока и давлением. Воздушный регулятор используется также при регулировании температуры и влажности. Система может использоваться для экспериментов с песком и пылью для установления их взаимодействия с транспортным средством (самолетом, танком и др.)
Известны также и другие устройства для аэродинамических испытаний (US 3835703, JP 62005145, JP 2002022597, JP 8054334, DE 19902573, US 6276217).
Известные аналоги предназначены для визуализации турбулентных и/или ламинарных потоков в жидкостях или газообразной среде, и не предназначены для исследования поведения частиц песка при взаимодействии с моделью воздухозаборника двигателя летательного аппарата, расположенной над поверхностью взлетно-посадочной полосы.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения является установка для аэродинамических испытаний модели воздухозаборника двигателя летательного аппарата, используемая для определения интенсивности вихря (вихрей) под воздухозаборником (патент Российской Федерации RU 2252404, G01M 9/00, 20.05.2005).
Установка по патенту RU 2252404 содержит пульт управления, электродвигатель, воздуходувку в виде центробежного компрессора, трубопровод нагнетания воздуха с заслонкой, трубопровод всасывания
воздуха с заслонкой, диффузор, U-образный дифференциальный манометр для замера расхода воздуха в канале воздухозаборника, светотехническое оборудование. Под воздухозаборником установлен экран (имитатор поверхности взлетно-посадочной полосы). Размеры воздухозаборника выбраны из условия достижения скорости, равной скорости в реальном воздухозаборнике летательного аппарата.
Установка по патенту RU 2252404 работает следующим образом.
B
После раскрутки электродвигателя производится плавное открытие заслонок. Воздуходувка выходит на рабочий режим с заданным расходом воздуха в воздухозаборнике, который определяется по U-образному дифференциальному манометру. Под воздухозаборником образуется вихрь (вихри), который увлекает за собой внутрь канала определенную массу жидкости из расходного сосуда. Изменение уровня жидкости в расходном сосуде через центральное отверстие приводит к изменению уровня жидкости в накопительном устройстве. Производится замер перепада уровня жидкости в накопительном устройстве, затем определяется площадь расходного сосуда на уровне оставшейся жидкости. После этого осуществляется вычисление объема V засасываемой жидкости воздухозаборником из расходного сосуда за некоторый интервал времени t. После проведения серии замеров и определения характеристики для воздухозаборника одной формы производится установка воздухозаборника другой формы, затем комплекс замеров повторяется. Установка позволяет количественно определить
интенсивность вихря (вихрей) под воздухозаборником за некоторый интервал времени t.
Ближайший аналог, как следует из его названия, позволяется определить интенсивность вихря, и не предназначен для оценки поведения твердых частиц, находящихся под воздухозаборником при различных режимах работы двигателя и различных внешних условиях, а также поведения частиц песка после попадания их в канал воздухозаборника.
Сущность полезной модели
Задачей, решаемой полезной моделью является устранение указанных недостатков, обеспечение детального изучения вихреобразования перед воздухозаборником, в том числе определение траектории частиц песка внутри воздухозаборника, в частности, в зоне отражения от конической поверхности кока, оценка общей массы взаимодействующего с вихрем песка, а также определение количества захватываемого воздухозаборником песка и массы песка разлетающегося по поверхности взлетно-посадочной полосы, в том числе в зависимости от размера, массы и формы частиц.
Исследование засасывания частиц с поверхности взлетно-посадочной полосы необходимо для получения рекомендаций при проектировании воздухозаборных устройств. Важным условием при проведении подобных исследований является подбор размера, плотности и формы частиц, используемых в качестве объекта всасывания, для испытуемой модели
воздухозаборника заданных геометрических размеров при разных расстояниях до подстилающей поверхности.
Поставленная задача для первого варианта выполнения установки решается за счет того, что она содержит модель мотогондолы с воздухозаборником, систему, обеспечивающую просос воздуха через воздухозаборник, неподвижный экран, имитирующий взлетно-посадочную полосу, емкость, расположенную под входной частью воздухозаборника с веществом, на которое воздействует вихревой поток, возникающий под воздухозаборником, и накопительное устройство, установленное в выходной части модели. Отличительными признаками заявленного устройства является то, что оно снабжено вентиляторной установкой, имитирующей для модели внешний регулируемый воздушный поток различной скорости, направленности и степени неравномерности, в емкость помещены твердые частицы с выбранными из условия подобия формой и размерами, покрытые флуоресцентной краской, вокруг емкости уложен слой таких же твердых частиц без покрытия, образующих вместе с твердыми частицами в емкости общую поверхность, имитирующую поверхность взлетно-посадочной полосы, дополнительно установка снабжена источником света, обеспечивающим возникновение эффекта флуоресценции, и средствами фото- и/или видеофиксации траектории светящихся частиц.
Второй вариант выполнения установки характеризуется тем, что она содержит модель мотогондолы с воздухозаборником, систему, обеспечивающую просос воздуха через воздухозаборник, неподвижный
экран, имитирующий взлетно-посадочную полосу, расположенное под входной частью воздухозаборника вещество, на которое воздействует вихревой поток, возникающий под воздухозаборником, и накопительное устройство, установленное в выходной части модели, при этом установка снабжена вентиляторной установкой, имитирующей для модели внешний регулируемый воздушный поток различной скорости, направленности и степени неравномерности, в качестве вещества, на которое воздействует вихревой поток, использованы твердые частицы с выбранными из условия подобия формой и размерами, покрытые флуоресцентной краской, дополнительно установка снабжена источником света, обеспечивающим возникновение эффекта флуоресценции, и средствами фото- и/или видеофиксации траектории светящихся частиц.
В качестве твердых частиц в эксперименте используют промытый речной песок, просеянный на калибрующих ситах.
Средство видеофиксации траектории светящихся частиц выполнено в виде цифровой видеозаписывающей системы, связанной с персональным компьютером.
Для фиксации траекторий светящихся частиц внутри модели на ее боковой поверхности выполнено прозрачное окно.
Для испытаний модели воздухозаборника двухконтурного двигателя модель выполнена с обечайкой, имитирующей разделение внешнего и внутреннего контура двигателя, на выходе каждого из контуров установлена сепарационная сетка, задерживающая попавший в соответствующий контур
песок и направляющее его в соответствующее накопительное устройство - пескосборник.
Техническим результатом от использования полезной модели является возможность оценки степени защищенности двигателя при выбранной схеме размещения гондолы двигателя и возможность определения безопасных режимов руления самолета по аэродрому за счет визуализации поведения твердых частиц (песка) при различных режимах работы двигателя и различных внешних условиях (боковой ветер), а также поведения частиц после попадания их в канал воздухозаборника, фиксация места соударения частиц песка с внутренней поверхностью модели. Кроме того, результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является получение картины течения между экраном и входом в воздухозаборник, что очень важно для изучения процесса вихреобразования и захвата частиц песка, получение количественной характеристики массы захватываемого воздухозаборником песка (при двухконтурном двигателе - с разделением по контурам), а также оценка (в зависимости от режимов) характера разброса песка и площади и местоположения зоны захвата песка с поверхности, определение соотношения массы песка, попадающего в воздухозаборник, и массы песка, разлетающегося по поверхности взлетно-посадочной полосы, в частности, в зависимости от размера, массы и формы частиц.
Предложенная установка, в отличие от известных ранее, позволяет изучать наряду с процессом вихреобразования перед воздухозаборником, траекторию частиц песка снаружи и внутри воздухозаборника с учетом
моделирования их массы и геометрической формы, в частности, траекторию движения частиц в зоне их отражения от конической поверхности кока. Кроме того, обеспечена возможность установить, какое количество песка вообще захватывается вихревым потоком, т.е. поднимается с поверхности взлетной полосы взлетно-посадочной полосы, и какая часть из этого количества представляет опасность для летательного аппарата, т.е. сколько песка попадает непосредственно в канал воздухозаборника.
Визуализация движения частиц песка внутри воздухозаборника возможна при использовании специального окна, выполненного на боковой поверхности модели, или при наблюдении поведения частиц через входной канал модели воздухозаборника.
2
Исследование потоков с помощью песчинок, покрытых специальной флюоресцирующей краской, и источника света, которым освещают песчинки при проведении эксперимента известно из заявки Японии JP 5297014, а также патента США US 6276217, в которых описана установка, реализующая способ визуализации потока, при котором в поток помещают частицы, покрытые флуоресцентным составом, освещают их, чтобы создать условия для флуоресценции, при этом частицы готовят, пропитывая кварц (SiO) жидким флуоресцентным веществом, далее используют высушенные частицы.
Однако эта установка предназначена лишь для исследования линий тока жидкости, и не может использоваться при исследовании поведения частиц песка под воздействием вихревого движения газа. Частицы, покрытые
флуоресцентным составом, принудительно вводятся в поток жидкости для того, чтобы отследить характер ее движения. Задача моделирования поведения частиц в потоке не решалась. В отличие от известной установки в заявленной полезной модели покрытые флуоресцентным составом, не вводятся принудительно в поток, а вовлекаются в движение при возникновении вихря в процессе работы воздухозаборника, что позволяет судить не только о характере вихревого движения, но и о поведении твердых частиц под воздействием вихря.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется следующими материалами:
фиг.1, 2 - общая схема установки,
фиг.3 - схема модели,
фиг.4, 5, 6 - расположение на модели прозрачного окна,
фиг.7, 8 - фрагмент видеозаписи эксперимента (траектории разлета частиц, покрытых флуоресцентным составом),
фиг.9 - траектории частиц, покрытых флуоресцентным составом, внутри воздухозаборника,
фиг.10 - схема размещения записывающей аппаратуры.
Осуществление полезной модели
Установка для аэродинамических испытаний модели воздухозаборника двигателя летательного аппарата содержит:
- модель мотогондолы с воздухозаборником 1, предназначенную для проведения испытаний в аэродинамической трубе над неподвижным экраном, имитирующим взлетно-посадочную полосу;
- кок двигателя 2;
- обечайку 3, имитирующую разделение внешнего и внутреннего контура двигателя;
- сепарационную сетку 4 на выходе внешнего контура двигателя, задерживающую попавший во внешний контур песок;
- пескосборник 5 внешнего контура, в который направляется песок с сепарационной сетки 4;
- сепарационную сетку 6 на выходе внутреннего контура двигателя, задерживающую попавший во внутренний контур песок;
- пескосборник 7 внутреннего контура, в который направляется песок с сепарационной сетки 6;
- эжекторную систему, обеспечивающую просос воздуха через воздухозаборник;
- вентиляторную установку 9, имитирующая для модели внешний воздушный поток (ветер) различной скорости, направленности и различной степени неравномерности;
- экран 10, имитирующий поверхность взлетно-посадочной полосы;
- расположенную под входом в воздухозаборник емкость 11 (для первого варианта исполнения установки) с помещенными в ней твердыми частицами (песком), покрытыми флуоресцентным составом, поверхность
которых находится на уровне имитатора поверхность взлетно-посадочной полосы (далее ВПП);
- источник света (не показан), обеспечивающий возникновение эффекта флуоресценции;
- средства фото- и/или видеофиксации эксперимента, обеспечивающие возможность записи и обработки полученного изображения на персональном компьютере (не показаны).
По результатам статистического анализа частиц, собранных на поверхности натурной взлетно-посадочной полосы, наиболее часто встречаются частицы размером 10-20 мм. Относительно большой размер частиц в значительной степени определяет возможные методы их моделирования (геометрическое, массовое подобие), изучения их распределения в пространстве и характера движения.
Пример реализации полезной модели.
Для модели, изготовленной в масштабе 1:6, по законам подобия выбраны частицы промытого речного песка размером 2...3 мм, просеянного на специальных ситах. На часть объема песка перед экспериментом наносилась флуоресцирующая краска. Песок, покрытый флуоресцирующей краской, в принципе, можно насыпать непосредственно на экран под входом в воздухозаборник. Однако для количественной оценки массы песка, захватываемой вихревым потоком, целесообразно предварительно взвешенную порцию песка, покрытого флуоресцирующей краской, засыпать в емкость, устанавливаемую на экране, имитирующем ВПП. Остальную
поверхность экрана целесообразно до того же уровня засыпать песком без покрытия, так как свечение песчинок на темном фоне обычного песка выглядит контрастным, и хорошо видны траектории разлета флуоресцирующих песчинок. Можно не использовать обычный песок, а покрыть экран матовой темной краской. Если используется емкость, ее необходимо установить в нише экрана, чтобы расположить поверхность песка на уровне экрана.
Внутренние поверхности модели - кок, обечайки, покрыты матовой темной краской для того, чтобы максимально снизить степень засветки изображения и обеспечить возможность визуализации траектории флуоресцирующих песчинок и мест их соударения с внутренними частями модели.
Динамическая визуализация процесса образования вихревых структур, развитие процесса захвата частиц и эволюция их движения в области между экраном и моделью воздухозаборника может быть зафиксирована киносъемкой или цифровыми видеозаписывающими системами. Несмотря на относительно невысокую скорость видеозаписи, треки, фиксирующие траекторию движения частиц, покрытых флуоресцирующей краской и освещенных источником света, вызывающим флуоресценцию, четко показывают направление развития процесса, характерные моменты его перестройки. При использовании цифровых видеозаписывающих систем регистрация изображения осуществлялась на персональном компьютере, к которому подсоединялась цифровая видеокамера.
Визуализацию движения частиц можно осуществлять также путем фотографирования или киносъемки с бокового ракурса с расстояния около 1,5 м при соответствующем освещении источником света частиц песка для получения эффекта флуоресценции на темном фоне.
При фотографировании изображения треков имеют четко обозначенную длину (в зависимости от выдержки). По характеру направления совокупности изображений треков определялись преобладающие траектории частиц. Кроме того, выбор времени экспозиции позволял задавать фиксируемую фотоаппаратом длину трека (зафиксированного изображения отрезка траектории частицы). Анализируя проекцию треков на плоскость изображения, получали результаты, свидетельствующие о соответствующих составляющих направления движения и скорости частиц.
В целях получения изображения, позволяющего сделать указанные выводы, необходимо обеспечить минимальные отражающие свойства стенок канала и других элементов конструкции модели воздухозаборника. Это достигалось применением матовой черной краски для покрытия внутренних поверхностей модели (фона). Зеленое свечение частиц на темном фоне (при использовании ультрафиолетового источника света) было весьма контрастным и позволило получить хороший экспериментальный материал для дальнейшей обработки.
При установке регистрирующего устройства (фото- и/или видеокамеры) в другом ракурсе получали треки частиц на входе в
воздухозаборник, включая моменты, связанные с отражением частиц от кока модели.
В качестве источника света использовали ультрафиолетовый источник или импульсный лазер с цилиндрической фокусирующей системой, обеспечивающий получение высокой яркости свечения частиц в узкой (по ширине) зоне наблюдения с минимальным контактом лазерного света с боковыми стенками канала. В зоне светового пучка в этом случае оставался только кок. Возможно также использование лазерных источников непрерывного излучения, что позволяет по сравнению с импульсным лазером получить более высокую вероятность получения изображения трека в кадре.
Исследование процесса засасывания частиц и их движения во входной части воздухозаборника поводилось в двух зонах:
- в области взаимодействия воздушного вихря, созданного в результате процесса всасывания воздуха в воздухозаборник, с поверхностью, на которой находились частицы песка, покрытого флуоресцирующей краской;
- внутри воздухозаборника.
Испытания проводились при угле обдува модели внешним потоком воздуха, создаваемым вентиляторной установкой 9, от 0° до 90° при различных расходах воздуха через воздухозаборник модели и различных скоростях внешнего потока.
Визуализация движения частиц песка внутри воздухозаборника проводилась через прозрачное окно на боковой поверхности модели, к которому примыкала фото- или видеокамера, и через входную часть
воздухозаборника при соответствующем ракурсе фото- или видеокамеры (под углом к продольной оси модели).
В результате проведенных экспериментов был установлен хаотичный характер разлета частиц в «фонтане» перед воздухозаборником. Траектории залетевших в воздухозаборник частиц распределены по широкой области, а не в узком пучке. Видеосъемкой зафиксирован пульсирующий характер «фонтана» песчинок. Это позволило сделать вывод о неустойчивости траектории вихря в пределах создаваемого им кратера. На фото внутри канала видны отдельные яркие точки - на стенках канала и на кромке обечайки, разделяющей внешний и внутренний контуры. Это места соударения с флуоресцирующими частицами песка.
Установлено, что зависимость интенсивности вихря от расхода воздуха, затекающего в воздухозаборник, немонотонна. Данные видеосъемок и результаты взвешивания песка, попавшего в пескосборники подтвердили этот результат. Вихрь, вращаясь вокруг своей оси, одновременно двигается по замкнутой кривой, близкой по форме к окружности, «высасывая» песок из ограниченной зоны. Эта зона по ширине меньше ширины воздухозаборника. Часть окрашенного песка попадает в воздухозаборник а значительно большая его часть разбрасывается хаотичным образом по поверхности экрана. Это наглядно демонстрируют полученные фотографии, на которых на фоне обычного песка хорошо видны флуоресцирующие песчинки, выброшенные за пределы емкости.
Проводимое после эксперимента раздельное взвешивание песка, попавшего в пескосборники, показало, что вследствие сепарирующей роли кока, количество песка попавшего во внутренний контур в несколько раз меньше количества песка, попавшего во внешний контур.
Сравнение суммарной массы песка, попавшего в оба пескосборника с массой песка, оставшегося в емкости, позволяет определить в соотношение количества песка, поднятого с поверхности экрана, и количества песка, оказавшегося в воздухозаборнике.
Полученные результаты позволяют получить качественную и количественную характеристику взаимодействия воздухозаборника и твердых частиц, находящихся на поверхности ВПП. Полученные данные могут использоваться при проектировании воздухозаборных устройств.