ДОЗВУКОВАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА С ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ПОТОКА
SUBSONIC WIND TUNNEL WITH FLOW RATE PULSING COMPONENT

Изобретение относится к аэродинамическим трубам замкнутого типа и может быть использовано для проведения различных испытаний моделей летательных аппаратов, наземного транспорта, зданий, сооружений, мостов. Изобретение может быть использовано для модернизации существующих аэродинамических труб.
Информация о и параметрах дозвуковых аэродинамических труб широко представлена в литературе [1, 2].
Дозвуковые аэродинамические трубы можно подразделить на три основных класса: проточного типа, замкнутого типа и с камерой Эйфеля.
В России получили распространение аэродинамические трубы, см. [1, 2], замкнутого типа с открытой рабочей частью, содержащие форкамеру, коллектор, открытую рабочую часть, диффузор, кольцевой раструб над диффузором, поворотные секции с поворотными лопатками, один возвратный канал, размещенный непосредственно за диффузором лопастной вентилятор. В таких аэродинамических трубах стремятся получить однородный равномерный поток в открытой рабочей части.
Вместе с тем существует потребность проводить аэродинамические исследования при наличии значительной по амплитуде пульсирующей составляющей скорости потока в рабочей части аэродинамической трубы.
Известна аэродинамическая труба, см. [3], обеспечивающая режим работы по совокупности пульсирующих параметров потока рабочей части:
- частоты пульсаций скорости потока;
- амплитуды пульсаций скорости потока;
- постоянной составляющей скорости потока.
Данная аэродинамическая труба выполнена с камерой Эйфеля, содержит входной тракт с задвижкой и дросселем для ввода сжатого воздуха, форкамеру, пульсатор, коллектор, рабочую часть, выхлопной тракт, рабочую камеру, два дросселя в форкамере, один из которых выполняет роль пульсатора, а другой предназначен для регулирования стационарной составляющей скорости потока. Недостатком данной трубы является сложность технического решения по управлению рабочими параметрами потока в рабочей части.
Исследования пульсаций потока в аэродинамических трубах с открытой рабочей частью для обеспечения режима работы по совокупности заданных параметров рабочей части - частоты и амплитуды пульсаций скорости потока, постоянной составляющей (средней) скорости потока - практически не проводились. Здесь можно отметить, как наиболее значимую, работу [4]. Но и этой работе исследования были направлены на демпфирование пульсаций, а вопрос управления пульсациями практически не обсуждался.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по техническому результату и техническому решению задачи и принятой в качестве прототипа является аэродинамическая труба замкнутого типа Т-103 ЦАГИ, [4]. Аэродинамическая труба Т-103 включает в себя форкамеру (1), коллектор (2), открытую рабочую часть (3), диффузор (4) длиной L со сквозными демпфирующими отверстиями (5) суммарной площадью от 4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора (2) с расположением рядов отверстий (5) на расстоянии от 0,6-0,9 диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (4) от его входного сечения, кольцевой раструб (6) над диффузором (4), поворотные секции (7) с поворотными лопатками (8), возвратный канал (9), лопастной вентилятор (10), размещенный за диффузором (4).
Перечисленные признаки прототипа (труба Т-103) являются общими с заявленным устройством аэродинамической трубы.
Недостатком известного устройства (аэродинамической трубы Т-103) является ограничение технического решения по управлению совокупностью пульсирующих параметров потока в открытой рабочей части при средних скоростях до 40 м/с.
Заявленное изобретение свободно от указанного недостатка.
Технический результат предлагаемого устройства состоит в решении задачи управления совокупностью пульсирующих параметров потока в открытой рабочей части при средних скоростях до 40 м/с.
Указанный технический результат достигается тем, что в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью в соответствии с заявленным изобретением
1) в диффузор (4) встроен механизм (11) затвора демпфирующих отверстий (5);
2) в кольцевом раструбе (5) выполнены сквозные отверстия (12);
3) кольцевой раструб (6) над диффузором (4) выполнен с механизмом (13) продольного перемещения раструба (6) параллельно оси аэродинамической трубы.
Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема (контур) устройства аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью.
Аэродинамическая труба замкнутого типа с открытой рабочей частью, как видно из представленной на Фиг. 1 схемы, содержит форкамеру (1), коллектор (2), открытую рабочую часть (3), диффузор (4) длиной L со сквозными демпфирующими отверстиями (5) суммарной площадью от 0,4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора (2) с расположением рядов отверстий (5) на расстоянии от 0,6-0,9 диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (4) от его входного сечения, кольцевой раструб (6) над диффузором (4), поворотные секции (7) с поворотными лопатками (8), один возвратный канал (9), лопастной вентилятор (10), размещенный за диффузором (4), механизм (11) затвора демпфирующих отверстий (5), встроенный в диффузор (4), сквозные отверстия (12) в кольцевом раструбе (6), механизм (13) для продольного перемещения кольцевого раструба (6).
Работа предлагаемой аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью осуществляется следующим образом. При включенном приводном электродвигателе лопастного вентилятора поток воздуха засасывается в диффузор аэродинамической трубы. Развиваемого вентилятором напора достаточно для преодоления сопротивления всего контура аэродинамической трубы. Поток воздуха в своем движении проходит диффузор, канал за вентилятором, четыре поворотные секции, возвратный канал и оказывается повернутым на 360°. Затем поток воздуха поступает в форкамеру и истекает через коллектор в открытую рабочую часть и далее засасывается в диффузор. Изменение скорости потока в открытой рабочей части достигается регулированием числа оборотов электродвигателя.
При работе предлагаемой аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью имеют место интенсивные пульсации потока инфразвукового диапазона. Амплитудами пульсаций потока, соответственно пульсациями давления и пульсациями скорости, можно управлять
- механизмом (11) затвора демпфирующих отверстий (5), встроенным в диффузор (4);
- сквозными отверстиями (12) в кольцевом раструбе (6);
- механизмом (13) для продольного перемещения кольцевого раструба (6).
Пример конкретной реализации дозвуковой аэродинамической трубы с пульсирующими параметрами потока в открытой рабочей части выполнен на базе дозвуковой промышленной аэродинамической трубы AT-11 Санкт-Петербургского государственного университета. Контур аэродинамической трубы AT-11 можно представить по Фиг. 2, где показаны практически основные геометрические размеры трубы.
Технические параметры трубы AT-11:
Диаметр коллектора
2250 мм
Ширина (толщина) стенки коллектора на выходе
180 мм
Длина рабочей части
~ 4000 мм
Диаметр диффузора
2450 мм
Диаметр кольцевого раструба
3500 мм
Аэродинамическая труба AT-11 включает в себя форкамеру (1), коллектор (2), открытую рабочую часть (3), диффузор (4) длиной L со сквозными демпфирующими отверстиями (5) суммарной площадью от 0,4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора (2) с расположением рядов отверстий (5) на расстоянии от 0,6-0,9 диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (4) от его входного сечения, кольцевой раструб (6) над диффузором (4), поворотные секции (7) с поворотными лопатками (8), один возвратный канал (9), лопастной вентилятор (10), размещенный за диффузором (4).
Постановка эксперимента.
Модель аэродинамической трубы AT-11 можно представить так, как это показано на Фиг. 3. Здесь модель аэродинамической трубы вытянута по продольной оси. Приведенная длина для нее дана с учетом длины открытой рабочей части.
В аэродинамических трубах с открытой рабочей частью могут наблюдаться автоколебательные и резонансные колебательные процессы. Автоколебательные процессы могут существовать в диффузоре аэродинамической трубы, а резонансные процессы могут проявиться в форкамере при совпадении частот этих процессов. Для существования автоколебательного процесса в диффузоре необходимо создать неоднородность в натекающем потоке. Здесь неоднородность в натекающем потоке создается вращающимся вентилятором.
Демпфирующие отверстия в диффузоре, выполненные в соответствии с признаками прототипа, существенно демпфируют инфразвуковые пульсации потока в аэродинамической трубе. Решение задачи управления совокупностью пульсирующих параметров потока в открытой рабочей части, при средних скоростях до 40 м/с, возможно управлением с помощью различных конструктивных механизмов инфразвуковыми пульсациями потока в аэродинамической трубе.
Определяемые параметры колебательного процесса в аэродинамической трубе: амплитуда и частота пульсаций давления. Эти параметры желательно измерять в диффузоре и в форкамере аэродинамической трубы. В этом случае можно определить, по крайней мере, при каких скоростях потока (числах Маха М потока) в открытой рабочей части «звучит» тот или иной резонатор.
Определяющие параметры: параметры подобия процесса - число Маха М, число Струхаля St, число Рейнольдса Re и геометрические параметры аэродинамической трубы на входе в диффузор.
Отсюда формулируется и цель экспериментальных исследований:
- определить основной резонатор в аэродинамической трубе;
- найти конструктивные механизмы, способствующие управлению пульсациями давления инфразвукового диапазона в аэродинамической трубе.
На Фиг. 4 показана схема расположения используемых для регистрации пульсаций давления в аэродинамической трубе AT-11 дифференциальных малогабаритных индуктивных датчиков давления ДМИ 0,1. Датчики установлены в следующих точках: Д1 - на стенке форкамеры; Д2 - на стенке диффузора; Д3 - на оси потока (на оси потока размещена трубка Пито и уже с трубки Пито силиконовыми шлангами полное давление передается на датчик Д3); Д4 - в ближнем поле потока. Два первых датчика регистрируют пульсирующее давление в потоке вблизи стенок канала аэродинамической трубы.
Блок-схема системы измерения пульсаций давления показана на Фиг. 5. Датчики давления подключены к индуктивным высокочастотным преобразователям ИВП-2. Выходы измерительных каналов ИВП-2 соединены
- с измерительно-вычислительным комплексом PULSE посредством системы сбора информации LAN-XI (аппаратура Брюлль и Къер) и
- с цифровым осциллографом (4-лучевой осциллограф LECROY WaveSurfer 24Xs-A).
Цифровой осциллограф позволяет производить регистрацию временных реализаций сигналов датчиков по открытому или закрытому входам Y-усилителей, а также работать в режиме регистрации X-Y сигналов. В режиме регистрации X-Y сигналов можно получить отклики сигналов на пульсации давления в точках установки датчиков в функции скоростного напора, регистрируемого датчиком Д3.
В трубке Пито и в соединительном шланге от трубки до датчика Д3 наблюдаются пульсации давления, вызванные вибрацией трубки Пито в потоке и пульсациями самого потока. Для удовлетворительного демпфирования пульсаций следует достаточно жестко закрепить трубку Пито к конструкции аэродинамической трубы и выполнить длинным соединительный шланг от трубки Пито до датчика Д3.
Дополнительные сложности при регистрации пульсаций давления датчиками ДМИ 0,1 проявляются в том, что мембрана чувствительного дифференциального датчика ДМИ 0,1 в экспериментальном исследовании пульсаций потока в аэродинамической трубе может быть подвержена с двух сторон соразмерному давлению. Для повышения точности измерения рабочего давления и устранения фазочастотных искажений сигнала датчика с нерабочей стороны к штуцеру-приемнику датчика следует присоединить силиконовый шланг длиной до 100 мм, заглушить и экранировать его.
Сложности возникают и с динамической тарировкой индуктивных датчиков ДМИ 0,1. Здесь можно воспользоваться результатами статической тарировки датчиков на пневмогидравлическом прессе [5] и провести динамическую тарировку датчиков с помощью пистонфона модели 4228 фирмы Брюль и Къер. Пистонфон модели 4228 является точным эталоном опорного источника звука для калибровки звукоизмерительной аппаратуры в лабораторных и полевых условиях (уровень звукового давления опорного сигнала - 124 дБ, частота опорного сигнала - 250 Гц).
Определенная по СКЗ и введенная в программы измерительно-вычислительного комплекса Брюль и Къер чувствительность как параметр датчика ДМИ 0,1 приводит при обработке опорного сигнала к уровню давления в 124 дБ. Сравнение значений чувствительности датчиков, определенных по СКЗ и по результатам статической тарировки датчиков, показывает, что чувствительность при статической тарировке в  раза выше чувствительности по СКЗ. Таким образом, при отсутствии эталонных генератора давления и преобразователя давления появляется реальная возможность измерить амплитуды пульсаций давления в канале аэродинамической трубы.
При измерении пульсаций давления в аэродинамической трубе AT-11 необходима проверка правильности установки датчиков. Проверка заключается в том, не оказались ли точки размещения датчиков в диффузоре и в форкамере в узле или в пучности акустической волны в закрытом канале аэродинамической трубы.
Проверка правильности точек размещения датчиков в диффузоре и в форкамере иллюстрируется следующим чертежом, см. Фиг. 6.
На Фиг. 6 ось X - скоростной напор в потоке на выходе коллектора. Ось Y - динамические пульсации статического давления в точках установки датчиков. Как видно из представленных осциллограмм, в диффузоре (датчик Д2) и в форкамере (датчик Д1), начиная с малых скоростей потока на выходе коллектора, в закрытом канале аэродинамической трубы развивается колебательный процесс. О каких-либо характерных точках или зонах (режимах) в колебательном процессе по этим результатам говорить не приходится. Процесс живет во всем диапазоне скоростей. В ближнем поле струйного потока (датчик Д3) вне открытой рабочей части аэродинамической трубы отсутствуют интенсивные пульсации давления.
Пример 1
Испытания проводились на модели 1. (Сквозные отверстия в диффузоре закрыты. Кольцевой раструб выполнен с механизмом продольного перемещения.)
На аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ (прототип) кольцевой раструб закреплен неподвижно по отношению к диффузору. Расстояние от сопла до кольцевого раструба составляет 4000 мм при длине рабочей части 4740 мм. Следовательно, вылет раструба l по отношению к диффузору равен 740 мм или, при одном из размеров эллипсовидного сопла 2350 мм,  - 0.315. В работе [5] дана только качественная оценка влияния раструба на пульсации потока в аэродинамической трубе: раструб сужает области существования пульсационных режимов в аэродинамической трубе по скорости потока.
На аэродинамической трубе AT-11 кольцевой раструб установлен на тележке, и его можно перемещать навстречу соплу на расстояние  - от 0,1 до 0,3. Влияние положения раструба на пульсации потока в трубе AT-11 показано на приведенных осциллограммах пульсаций давления в форкамере и диффузоре в функции скоростного напора потока на выходе сопла, см. Фиг. 7.
Влияние положения кольцевого раструба - налицо. Положением кольцевого раструба можно изменять амплитуду пульсаций давления в канале аэродинамической трубы и величину пульсационной скорости в открытой рабочей части.
На Фиг. 8, для вылета раструба  = 0,1, приведены результаты измерений амплитуд (СКЗ) и частот пульсаций давления в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы АТ-11 в зависимости от скорости вращения вала вентилятора и средней скорости потока (числа Маха М потока) в открытой рабочей части. Фиг. 9: а - пульсации давления в форкамере; б - пульсации давления в диффузоре; с - частоты пульсаций давления и вращения вала вентилятора (черная линия).
Результаты экспериментов - при полном закрытии демпфирующих отверстий в диффузоре - показывают, что интенсивный колебательный процесс в диффузоре и в форкамере наблюдается в диапазоне по средней скорости потока от 15 м/с до 34 м/с. При этом в форкамере аэродинамической трубы возможно развитие резонансного процесса, поскольку амплитуды пульсаций давления в форкамере превышают амплитуды пульсаций давления в диффузоре.
Результаты экспериментов показывают, что среднеквадратическое значение амплитуд пульсаций давления в форкамере составляет величину до 25% от среднего динамического напора, измеряемого трубкой Пито. Таким образом, СКЗ амплитуд пульсаций скорости в открытой рабочей части - значительная величина.
Регулированием размера демпфирующих отверстий, вплоть до полного закрытия, можно изменять амплитуду пульсаций давления в форкамере аэродинамической трубы и величину пулъсационной скорости в открытой рабочей части.
Пример 2
Испытания проводились на модели 2. (Кольцевой раструб со сквозными отверстиями). (Демпфирующие отверстия в диффузоре открыты; отверстия в кольцевом раструбе составляют величину ~ 10% от площади коллектора S.)
На Фиг. 8, для вылета раструба  = 0,1, приведены результаты измерений амплитуд (СКЗ) и частот пульсаций давления в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы АТ-11в зависимости от скорости вращения вала вентилятора и средней скорости потока (числа Маха М потока) в открытой рабочей части.
Результаты эксперимента для модели 2 показывают, что среднеквадратические значения амплитуд пульсаций давления в форкамере составляют меньшую величину, чем соответствующие величины для модели 1, но остаются приемлемыми для регулирования амплитуд пульсаций скорости в открытой рабочей части.
На Фиг. 9 показаны спектры сигналов и временные реализации сигналов датчиков давления, установленных в диффузоре и в форкамере аэродинамической трубы АТ-11.
Экспериментальные результаты иллюстрируется приведенными на Фиг. 10 спектрограммами амплитуд пульсаций давления в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы АТ-11. На спектрограммах: ось X - ось частот, ось Y - среднеквадратические значения амплитуд пульсаций давления, ось Z - пошаговые в функции оборотов вала вентилятора АТ-11 спектральные оценки.
Как показывают результаты проведенных испытаний, заявленное изобретение позволяет управлять совокупностью пульсирующих параметров потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы при средних скоростях потока до 40 м/с и учитывать максимально сложные потоки в конструкциях такого типа в отличие от устройств с закрытой рабочей частью [6].
Используемые источники информации
1. Wind tunnels of eastern hemisphere/a report prepared by the federal research division, library of congress, for the aeronautics research mission directorate, national aeronautics and space administration. 2008. - 245 p.
2. Wind tunnels of western hemisphere/a report prepared by the federal research division, library of congress, for the aeronautics research mission directorate, national aeronautics and space administration. 2008. - 646 p.
3. Патент РФ №2526515 C1 (МПК: G01M 9/02); «Аэродинамическая труба»; авторы Н.И. Батура, Г.С. Верейский, В.А. Головкин, М.А. Головкин и др.
4. С.П. Стрелков, Г.А. Бендриков, Н.А. Смирнов. Пульсации в аэродинамических трубах и способы демпфирования их. - Труды ЦАГИ, 1946, в. 593, 56 с.
5. Патент РФ №2504747 (МПК: G01L 27/00); Патентообладатель - СПбГУ; авторы Г.А. Леонов, А.И. Цветков, Б.А. Щепанюк. «Устройство для тарировки измерительных приборов дифференциального давления»; Зарегистрирован в Реестре изобретений РФ 20.01.2014 г.
6. Заявка DE 0010049533 А1, кл. G01H 0001/00.