Аквааэродинамическая труба
AQUA-AERODYNAMIC PIPE

Изобретение относится к устройствам для проведения аэродинамических испытаний путем погружения испытуемого объекта в водную среду.
Из уровня техники известен патент RU 2462695, описывающий аэродинамическую трубу для проведения классических ветровых испытаний.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- Аквааэродинамическая труба предназначена для проведения аэродинамических испытаний с погружением испытуемого объекта в водную среду;
- Скорость движения потока воды в аквааэродинамической трубе гораздо ниже, чем скорость движения воздуха в обычной аэродинамической трубе.
Известен патент RU 7199, описывающий дозвуковую аэродинамическую трубу, работающую с потоком воздуха, имеющим скорость ниже скорости звука.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- Аквааэродинамическая труба предназначена для проведения аэродинамических испытаний с погружением испытуемого объекта в водную среду;
- Скорость движения потока воды в аквааэродинамической трубе гораздо ниже, чем скорость движения воздуха в обычной аэродинамической трубе.
Известен патент RU 94012054, описывающий аэродинамическую трубу, одна из стенок диффузора которой выполнена в виде движущейся со скоростью потока бесконечной транспортерной ленты.
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- Аквааэродинамическая труба предназначена для проведения аэродинамических испытаний с погружением испытуемого объекта в водную среду;
- Скорость движения потока воды в аквааэродинамической трубе гораздо ниже, чем скорость движения воздуха в обычной аэродинамической трубе.
Наиболее близким решением является патент СССР SU 1837930, описывающий гидродинамическую трубу для проведения испытаний устройств и объектов, предназначенных для водной среды (катера, лодки, торпеды, батискафы, модели кораблей).
Отличия заявленного решения состоят в том, что:
- Аквааэродинамическая труба предназначена для испытания объектов, предназначенных для воздушной среды;
- Аквааэродинамическая труба совмещает в себе элементы гидродинамической трубы (заполненность водой) и предназначение аэродинамической трубы (испытания объектов для воздушной среды).
3
3
Как известно, плотность воздуха составляет порядка 1,225 кг/м, а плотность воды составляет порядка 998,2 кг/м. То есть вода плотнее воздуха примерно (плотность может отличаться от заявленной в зависимости от температуры и иных факторов) в 814,8 раз. Таким образом, поток воздуха движущийся со скоростью 120 км/ч равен потоку воды, движущемуся со скоростью всего 0,15 км/ч. При этом возможна поправка с учетом разницы давления воздуха и воды, которая приведет к увеличению расчетной скорости.
Такая разница между воздушной и водной средой позволяет проводить аэродинамические испытания объектов (например, моделей автомобилей) с погружением в воду, движущуюся с малой скоростью. Малая скорость потока воды в свою очередь обеспечит более высокую точность испытаний и меньшие затраты, так как разгонять поток воздуха до высоких скоростей уже не потребуется.
Технический результат заявленного изобретения состоит в разработке устройства, которое позволит проводить аэродинамические испытания с наименьшими затратами на разгон насоса (вентилятора) и с более высокой точностью.
Технический результат достигается за счет погружения объекта испытаний в водную среду с малой скоростью движения потока воды.
Частными случаями изготовления устройства являются:
- Изготовление универсальной аквааэродинамической трубы, способной к проведению испытаний как в водной среде, так и в воздушной среде;
- Использование в аквааэродинамической трубе таких средств визуализации потока, как пузыри газа, красители, жидкости;
- Использование в устройстве дополнительных средств фильтрации, нормализации потока;
- Использование дополнительных отсеков, повышающих универсальность и качество работы устройства;
- Изготовление аквааэродинамической трубы демонстрационного или игрового назначения;
- Использование других устройств визуализации, нормализации потока воды, отличающихся от тех, что изображены на рисунках;
- Использование насоса другого типа, отличающегося от изображенного на рисунках;
- Изготовление устройства с окнами (иллюминаторами) вместо многослойного стекла.
Краткое описание чертежей:
Фиг. 1 - Общий вид аквааэродинамической трубы;
Фиг. 2 - Вид на устройство со стороны передней стенки;
Фиг. 3 - Возможное распределение потоков воды при испытании объекта - автомобиля;
Фиг. 4 - Испытание объекта - автомобиля с применением красителя.
Аквааэродинамическая труба состоит из:
1. Корпус трубы;
2. Вода;
3. Корпус насоса;
4. Двигатель насоса;
5. Успокоители потока;
6. Стекло;
7. Испытуемая модель;
8. Роботизированный механизм подачи визуализирующего потока;
9. Лопасти насоса;
10. Направление потоков воды при испытании;
11. Примерное, возможное распределение красителя;
12. Весы.
Работа аквааэродинамической трубы строится следующим образом.
Испытуемый объект помещается в корпус (1), причем он может помещаться как в заполненный водой (2) корпус, так и незаполненный. При этом объект может быть присоединен к устройству измерения аэродинамических параметров (например, он может быть установлен на весах (12), которые могут располагаться под колесами или в ином месте. Корпус (1) заполняется водой (2) таким образом, чтобы она покрывала испытуемый объект и была выше его на уровень теоретических завихрений (визуально можно определить верхний уровень так - при испытании поток воды не должен подниматься над объектом выше уровня самой воды во всей трубе).
Далее двигатель (4), расположенный на корпусе насоса (3), начинает вращать лопасти (9), вследствии чего вода (2) начинает движение вдоль корпуса (1). При этом после насоса (3) вода нестабильна, лопастями (9) образуется некий вихревой поток. Для того чтобы поток стал стабильным, используются успокоители (5).
Далее поток воды (10) омывает испытуемый объект (7), причем благодаря плотности воды подъемная или прижимная силы, воздействующие на объект испытаний, должны быть равны испытаниям в обычной аэродинамической трубе, но при большей скорости воздушного потока.
Особенности аэродинамической трубы:
1. При испытаниях в водной среде следует вводить поправочный коэффициент, который будет учитывать плотность испытуемого объекта и внешнее давление на весы. Это необходимо для того, чтобы точно рассчитать аэродинамические характеристики. Так, вес, приходящийся на весы от объема воды, вполне можно рассчитать (и поскольку вода тяжелее воздуха, то вес увеличится), но различные вещества по-разному ведут себя в воде. Например, если испытывается автомобиль, то в шинах находится воздух, который в водной среде придает автомобилю плавучесть. И поскольку в сложных деталях учесть плотность объектов испытаний и их отношение к водной среде невозможно, то определять поправочный коэффициент по изменению веса является наиболее удобным вариантом.
2. В испытаниях предполагается использование красителя (11) либо отдельного потока жидкости. Общее лобовое сопротивление автомобиля может рассчитываться по изменению веса (то есть наличие прижимной силы), но для некоторых испытаний необходима дополнительная визуализация части потока воды. В классических аэродинамических испытаниях для этого используется дым. При проведении испытаний в водной среде можно использовать краситель или поток дополнительной жидкости. Но поскольку поток воды используется многократно, то его необходимо очищать, поэтому к средству визуализации предъявляются следующие требования:
- Краситель должен распадаться в воде в течение некоторого времени с потерей красящих свойств или должен удерживаться находящимися на пути потока воды в дальнейшем фильтрами;
- Дополнительная жидкость должна быть тяжелее воды с тем, чтобы после обтекания корпуса испытуемого объекта прижиматься к нижней части трубы и уходить в отсек для ее сбора.
3. Аквааэродинамическая труба достаточно универсальна. Несмотря на то, что основное применение аквааэродинамической трубы - аэродинамические испытания в водной среде, при наличии дополнительных устройств она может использоваться как классическая аэродинамическая труба (необходимо использовать модернизированный насос с возможностью работы в качестве вентилятора либо расположить вентилятор дополнительно). Либо возможно использование в качестве гидродинамической трубы, но в этом случае необходимо учитывать специфичные требования к таким устройствам.
4. Указанное устройство в зависимости от размера и наличия дополнительных устройств или их отсутствия может использоваться для полноразмерных испытаний техники, стационарных объектов, масштабных моделей, обучения, игр.
Решению описанных ранее задач способствует более высокая плотность воды в сравнении с воздухом, что позволяет уменьшить скорость потока и соответственно увеличить качество испытаний.