Стенд для измерения аэродинамических характеристик модели отсека крыла
TEST BENCH FOR AERODYNAMIC CHARACTERISTICS MEASUREMENT OF WING COMPARTMENT MODEL

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано для измерений аэродинамических характеристик моделей отсеков крыла, преимущественно, при дозвуковых скоростях.
Несущие свойства и сопротивление крыльев летательных аппаратов в значительной степени зависят от аэродинамических характеристик профилей с убранной и отклоненной механизацией, установленных в сечениях крыла.
Несмотря на значительный прогресс в развитии численных методов вычислительной аэродинамики существуют такие режимы обтекания профилей, как отрыв потока на больших углах атаки, образование ламинарных «баблов» (пузырей) с разной протяженностью зоны отрыва потока, характеристики которых трудно точно предсказать. Особый интерес, где могут быть востребованы экспериментальные результаты, представляют разработки современных профилей для беспилотных летательных аппаратов и ветровых турбин, конструктивно отличающихся от обычных авиационных профилей и работающих в широком диапазоне значений подъемной силы. В то же время, разработка профилей для крыльев беспилотных летательных аппаратов ставит задачу обеспечения высоких значений подъемной силы при малых числах Рейнольдса.
Для измерения аэродинамических характеристик профилей и профилей с механизацией, а также выбора их наилучших геометрических параметров используются специальные стенды и модели аэродинамических профилей, выполненные в виде отсеков крыла. Данные стенды и модели отсеков крыла позволяют проводить более тщательный выбор наилучших вариантов аэродинамических профилей и взлетно-посадочной механизации крыльев летательных аппаратов, преимущественно, при дозвуковых скоростях. Модели отсеков крыла выполняют в виде прямоугольных крыльев с относительным удлинением λ≈3-5 и одинаковой по размаху модели формой поперечного сечения, соответствующего исследуемому сечению крыла летательного аппарата. Для обеспечения обтекания модели отсека крыла плоским потоком с постоянной величиной и направлением потока вдоль размаха модели отсека крыла, на боковых торцах модели отсека крыла закрепляют плоские концевые панели (так же, называемыми в литературе, концевыми шайбами). Концевые панели препятствуют образованию вихрей у торцов модели, которые создают неравномерность величины скорости и направления потока вдоль размаха модели отсека крыла и несоответствие плоскому обтеканию аэродинамического профиля крыла. Установка на торцах отсека крыла концевых панелей позволяет в некоторой степени обеспечить равномерность величины и направления потока вдоль размаха модели отсека крыла.
В отличие от исследований на обычных моделях крыльев, исследования на моделях отсеков крыльев дают возможность получения более точных значений аэродинамических характеристик профилей и выбирать их наилучшие параметры для улучшения обтекания отдельных сечений крыла, а также получать результаты при больших значениях чисел Рейнольдса (Re) за счет большей хорды моделей отсеков крыльев.
Известен стенд для измерения аэродинамических характеристик моделей отсеков крыла, включающий аэродинамическую трубу с закрытой рабочей частью, подвеску для крепления моделей отсеков крыла к аэродинамическим весам и плоские концевые шайбы дискообразной формы, прикрепляемые вертикально к боковым торцам моделей отсеков крыльев и параллельно оси рабочей части аэродинамической трубы, (см. например, Liu, X., Kamliya Jawahar, Н., Azarpeyvand, М., & Theunissen, R. (2015), Aerodynamic and Aeroacoustic Performance of Serrated Airfoils. In 21st. AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference [AIAA 2015-2201]).
Недостаток описанного выше стенда, состоит в том, что закрытая рабочая часть аэродинамической трубы (с жесткими стенками) не обеспечивает достаточное соответствие обтекания моделей отсеков крыла с механизацией в трубе обтеканию в условиях безграничного потока.
Известен также стенд для измерения аэродинамических характеристик моделей отсеков крыла (см. Peter Fuglsang, Ioannis Antoniou, Niels N. Serensen, Helge Aa. Madsen, Validation of a Wind Tunnel Testing Facility for Blade Surface Pressure Measurements, Rise National Laboratory, Roskilde April 1998), включающий аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, подвеску для крепления моделей отсеков крыла и плоские концевые шайбы прямоугольной формы с высотой (Н) по отношению к размаху крыла (L), равной H/L≈0.33, закрепляемые вертикально к боковым торцам моделей отсеков крыла, параллельно оси рабочей части аэродинамической трубы. В данном стенде аэродинамические характеристики модели профиля определяются путем проведения измерений распределения давления в центральном сечении отсека крыла и измерений потери импульса в следе за моделью с помощью специальной гребенки с приемниками статического и полного давлений.
Недостаток описанного выше стенда, состоит в том, что измерения характеристик сечений крыла, путем проведения измерений распределения давления в центральном сечении отсека крыла и потери импульса в следе модели с помощью специальной гребенки с приемниками статического и полного давлений дают, достоверные результаты только на режимах обтекания модели без отрыва потока и не дают правильных результатов на режимах обтекания с отрывом потока. Наиболее достоверные аэродинамические характеристики на всех режимах обтекания получаются при измерениях аэродинамических характеристик с помощью аэродинамических весов.
Прототипом заявляемого изобретения является стенд, включающий аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, подвеску для крепления модели к аэродинамическим весам и плоские концевые шайбы, расположенные у торцов модели вертикально и параллельно оси рабочей части аэродинамической трубы (см. Михайлов Ю.С., Степанов Ю.Г. Экспериментальное исследование выдвижного закрылка на крыловом профиле умеренной толщины  Труды ЦАГИ, выпуск 1897, 1978, Издательский отдел ЦАГИ, г. Москва, титульный лист источника и фиг. прототипа приведены в Приложении к заявке).
В стенде-прототипе для крепления моделей отсеков крыльев 1 в открытой рабочей части 2 аэродинамической трубы и измерения аэродинамических характеристик моделей отсеков крыльев используют подвеску 3, выполненную в виде металлических лент, прикрепляемых к модели и аэродинамическим весам 4 (Фиг. 1 Приложения к заявке). Для обеспечения обтекания модели отсека крыла потоком с постоянной величиной и направлением потока вдоль размаха модели на боковых торцах модели отсека крыла закрепляют плоские вертикальные концевые шайбы 5. Для уменьшения аэродинамических нагрузок, действующих на концевые шайбы и передающихся на модель отсека крыла, концевые шайбы треугольной формы выполняют с ограниченными размерами, не превышающими по высоте 1-2 хорды модели отсека крыла и не превышающими по ширине 2-3 хорды модели отсека крыла, и не выступающими за границы потока в рабочей части аэродинамической трубы.
Основной недостаток приведенных аналогов и прототипа изобретения состоит в том, что плоские концевые шайбы, закрепляемые на боковых торцах модели отсека крыла и не выступающие за границы потока в рабочей части аэродинамической трубы, не обеспечивают достаточную степень равномерности потока вдоль размаха модели отсека крыла, что приводит к погрешности, получаемых значений аэродинамических характеристик, до 20-30%. Увеличение размеров плоских концевых шайб улучшает равномерность обтекания моделей отсеков, но приводит к увеличению аэродинамических сил, действующих на концевые шайбы, которые передаются на модель отсека крыла, что приводит к необходимости проведения дополнительных измерений нагрузок на концевые шайбы и дополнительным погрешностям результатов измерений аэродинамических характеристик модели.
Задачей и техническим результатом заявляемого изобретения является создание стенда, позволяющего повысить точность измерения аэродинамических характеристик модели отсека крыла.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в стенде для измерения аэродинамических характеристик модели отсека крыла, включающем аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, подвеску для крепления модели к аэродинамическим весам и плоские концевые шайбы, расположенные у торцов модели вертикально и параллельно оси рабочей части аэродинамической трубы, плоские концевые шайбы выполнены с вертикальными, параллельными боковыми кромками, имеющими размеры выходящие за границы потока в рабочей части аэродинамической трубы, при этом, концевые шайбы установлены в креплениях, находящихся вне потока, и с зазорами с торцами модели отсека крыла, величина зазора между плоскими концевыми шайбами и торцами модели не превышает 0,5% хорды модели отсека крыла, а плоские концевые шайбы выполнены с шириной не менее 3-х хорд исследуемой модели отсека крыла.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что для повышения точности измерения аэродинамических характеристик модели отсека крыла в заявляемом стенде обеспечивают максимально высокую равномерность потока вдоль размаха модели отсека крыла, главным образом, за счет плоских концевых шайб выполненных с вертикальными, параллельными боковыми кромками с высотой большей вертикального размера потока в рабочей части аэродинамической трубы. Ширина концевых шайб увеличивается до не менее 3-х хорд модели отсека крыла. Дополнительно, для повышения точности измерения аэродинамических характеристик модели отсека крыла, за счет ликвидации воздействия на модель отсека крыла аэродинамических нагрузок, действующих на концевые шайбы, они установлены с зазорами с торцами модели отсека крыла, в креплениях, находящихся вне потока. При этом, величина зазора между плоскими концевыми шайбами и торцами модели не превышает 0,5% хорды модели отсека крыла.
На фиг. 1а представлена схема заявленного стенда с установленной моделью отсека крыла - вид спереди (в направлении потока).
На фиг. 1б представлена увеличенная схема области между торцом модели отсека крыла и концевой шайбой.
На фиг. 2 представлена схема заявленного стенда с установленной моделью отсека крыла - вид сбоку от плоскости симметрии аэродинамической трубы.
Заявленный стенд для измерения аэродинамических характеристик модели отсека крыла (фиг. 1а), включает аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью 1, подвеску 2 для крепления модели отсека крыла 3. Подвеска 2 предназначена для установки модели отсека крыла в рабочей части аэродинамической трубы под необходимыми углами атаки и передачи аэродинамических сил, действующих на модель, к аэродинамическим весам 4. Подвеска может быть выполнена, например, в виде тонких профилированных металлических лент.
Модель отсека крыла 3 для измерения характеристик аэродинамических профилей имеет прямоугольную форму в плане и поперечным сечением по форме исследуемого аэродинамического профиля.
У торцов 3а модели отсека крыла 3 (фиг. 1б) установлены плоские концевые шайбы 5. Плоские концевые шайбы выполнены с вертикальными, параллельными боковыми кромками 6 (фиг. 2), имеющими размеры, выходящие за границы потока 7 в рабочей части аэродинамической трубы. Ширина концевых шайб 8 составляет не менее 3-х хорд исследуемой модели отсека крыла. При этом, концевые шайбы установлены в креплениях 9, находящихся вне потока, и с зазорами 10 (фиг 1б) с торцами модели отсека крыла. Величина зазора между плоскими концевыми шайбами и торцами модели не превышает 0,5% хорды модели отсека крыла. Проведенные исследования показали, что заявляемая ширина зазора достаточна для обеспечения плоского обтекания модели отсека крыла.
Исследования заявляемого стенда для измерений аэродинамических характеристик отсеков крыла показали, что новый стенд обеспечивает существенное повышение равномерности потока при обтекании моделей отсеков крыла и дает возможность повысить точность и достоверность получаемых результатов по сравнению с измерениями на стенде прототипе.