Аеродинамічний експеримент з моделлю транспортного апарата на надпровідних магнітах

АЕРОДИНАМІЧНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ З МОДЕЛЛЮ ТРАНСПОРТНОГО АПАРАТА НА НАДПРОВІДНИХ МАГНІТАХ

О.А. Приходько, д-р. фіз.-мат. наук;

А.В. Сохацький,. канд. фіз.-мат. наук

Інститут транспортних систем та технологій

Національної академії наук України

Створення наземних високошвидкісних транспортних засобів є однією із важливих задач сьогодення. ЇЇ розв'язання вимагає вирішення цілого ряду проблем. Однією із найважливіших є забезпечення транспортного засобу придатними динамічними та аеродинамічними параметрами. Сучасні теоретичні методи дозволяють розраховувати поля течій тільки навколо тіл простої геометричної форми, що обмежує їх використання [1,2]. Експериментальний підхід дозволяє знайти найбільш близькі до дійсності розв'язки багатьох аеродинамічних задач, особливо для складних полів течій [2]. Окрім цього, наявність експериментальних даних буде корисним матеріалом і для перевірки теоретичних досліджень. Експериментальне вивчення процесів обтікання наземних високошвидкісних транспортних засобів дозволить знайти шляхи покращання їх аеродинамічних характеристик. Зменшення лобового опору, забезпечення оптимальних характеристик стійкості руху, використання аеродинамічного ефекту для підтримки транспортного апарата на надпровідних магнітах - все це той неповний перелік задач, без розв'язання яких неможливе створення перспективних транспортних систем.

Дослідженням щодо створення перспективних транспортних засобів на надпровідних магнітах займаються і в наукових установах України, а саме в Інституті транспортних систем та технологій Національної академії наук України. Згідно з поставленим завданням проводилися експериментальні дослідження аеродинаміки високошвидкісного транспортного апарата на надпровідних магнітах з від'ємною V-подібністю крил.

Дослідна модель крилатого апарата виготовлена в масштабі М1:22 , має профільований, близький до циліндричного корпус. Консолі крил стрілоподібної форми в плані мають від'ємну V- подібність (рис.1).

Рисунок 1 - Модель транспортного апарата на надпровідних магнітах

Модель виготовлялася з переклеєних липових брусків за профільованими шаблонами. Крило стрілоподібної форми в плані виготовлено з профілем CLARK-Y, відносною товщиною 4%. Модель мала лінійну похибку 0,1-0,2мм та кутову - 5.

Для запобігання впливу вологості повітря на розміри моделі, зменшення шорсткості її поверхні остання покривалися нітроклеєм АК20 та шліфувалися. Така обробка дозволила мінімізувати поверхневе тертя.

Методика та умови експерименту

В аеродинамічній трубі Т4, замкнутого типу з відкритою робочою частиною на кафедрі аеродинаміки Харківського авіаційного інституту досліджувалися аеродинамічні характеристики крилатого транспортного апарата на надпровідних магнітах. Діаметр вихідного перерізу сопла робочої частини дорівнює 1500мм, максимальна швидкість потоку становить 45м/с, ступінь турбулентності .

Вимірювання сил проводилося на аеродинамічних терезах АВТ4 з важільною системою підвіски. Чутливість компонентних терезiв у статичному стані становить:

; ; ; ; ; (,,,,,

- величини сил у ньютонах).

Швидкість течії в робочій частині аеродинамічної труби визначалася за осередненим статичним тиском, який замірявся стандартним мікроманометром ММН250 класу точності 0.5.

Похибка в установці моделей дорівнює 5. Коефіцієнти сил та моментів визначалися із умови рівноваги сил та моментів. Підіймальна сила та сила лобового опору замірялися за показаннями шестикомпонентних терезiв АВТ4.

Аеродинамічні моменти розраховувалися як сума моментів сил відносно координатних осей, що проходять через передню кромку корпусу масштабної моделі.

Для переходу від виміряних величин сил та моментів до їх коефіцієнтів одержані значення аеродинамічних сил відносили до швидкісного напору і характерної площі, а аеродинамічних моментів - до швидкісного напору, характерної площі та характерної довжини за формулами:

, , ,(1)

, , ,(2)

.(3)

де , , , , ,

- виміряні величини лобового опору, підймальної та бокової сил, моментів відносно осей

, , ; ,, ,

- аеродинамічні коефіцієнти лобового опору, підіймальної сили, моменту тангажу;

, , ,

- аеродинамічні коефіцієнти моментів відносно осей

, , ;

- центр тиску; - площа міделевого перерізу корпуса; - ширина корпуса; Lk- довжина корпуса; - густина повітря, - швидкість потоку.

Основний критерій подібності - число Рейнольдса - визначався за формулою

,(4)

де - кінематичний коефіцієнт в'язкості.

Аеродинамічні характеристики транспортного апарата досліджувалися у діапазоні відстаней до шляхової структури від 4мм до 14мм та кутів атаки від =0 до .

Шляхова структура мала трапецієподібну форму в перерізі.

Результати експериментальних досліджень

Вивчалися залежності коефіцієнтів підіймальної сили, лобового опору, повздовжнього моменту, аеродинамічної якості від відстані до профільованої шляхової структури. Результати одержаних аеродинамічних характеристик оброблялися згідно з рекомендацій роботи [3].

На рис. 2а показана залежність величини коефіцієнта лобового опору як функції відстані до профільованої шляхової структури H для кутів атаки

, .

Із графіків бачимо, що зі зменшенням H коефіцієнт лобового опору зростає. Ця залежність має нелінійний характер. Збільшення кута атаки призводить до зростання коефіцієнта лобового опору. В дослідженому діапазоні кутів атаки та відстаней до шляхової структури це збільшення коефіцієнта лобового опору незначне.

На рис. 2б наведено залежність величини коефіцієнта підіймальної сили як функції відстані до шляхової структури. При зменшені H коефіцієнт підіймальної сили зростає. Збільшення кута атаки від до призводить також до істотного зростання коефіцієнта підіймальної сили. Спостерігається нелінійна залежність коефіцієнта підіймальної сили від відстані до шляхової структури в дослідженому діапазоні кутів атаки.

Рисунок 2 - Залежність аеродинамічних характеристик транспортного апарата від відстані до поверхні профільованої шляхової структуриа) Cxa=f(H); б) Cya=f(H); в) mza=f(H); г) K=f(H); =0; =1

Залежність коефіцієнта поздовжнього моменту

як функції відстані до шляхової структури відносно передньої кромки транспортного апарата наведено на рис. 2в. При зменшені H величина коефіцієнта поздовжнього моменту зростає. Збільшення кута атаки від =0 до =1 призводить також до зростання коефіцієнта

.

Спостерігається нелінійна залежність коефіцієнта поздовжнього моменту від відстані до шляхової структури у дослідженому діапазоні кутів атаки. Похідна від коефіцієнта поздовжнього моменту по куту атаки негативна. Це свідчить про наявність статичної стійкості досліджуваної моделі транспортного апарата.

На рис. 2г наведено залежність аеродинамічної якості транспортного апарату від відстані до шляхової структури. При зменшені H аеродинамічна якість К зростає. Збільшення кута атаки від до призводить також до істотного зростання аеродинамічної якості. Спостерігається нелінійна залежність коефіцієнта аеродинамічної якості від відстані до шляхової структури у дослідженому діапазоні кутів атаки.

Висновки

Експериментальні дослідження аеродинамічних характеристик транспортного апарату на надпровідних магнітах показали доцільність його обладнання крилом. Крило дозволяє частково розвантажити магнітні пристрої. Розглянута аеродинамічна схема транспортного засобу на надпровідних магнітах має задовільні характеристики статичної стійкості.

Перспективними напрямком майбутніх дослідження має бути вивчення спільного впливу магнітних і аеродинамічних сил та моментів на динаміку руху транспортного апарату.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. - М.: Высшая школа, 1970. - 424с.

Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика: В 2 т. / Под ред. И.А. Кибеля. - М.: Физматгиз, 1963. -Т. 1. - 584 с.; Т. 2. - 728 с.

Чжен П. Отрывные течения: В 2 томах. - М.: Мир, 1972-1973. - Т. 1. -300 с.;Т. 2. - 280с.; Т.3. - 334 с.