Экспериментальная аэродинамика (годовой)

Экспериментальная аэродинамика (годовой)
Составитель:
Рецензент:
к.ф.-м.н., доц. А.И. Буравцев,
д.ф.-м.н., проф. А.И. Пастухов.
Основная задача курса — изучение студентами:
1. методов экспериментальных исследований и приборов, применяемых в аэродинамических
лабораториях и при полетных испытаниях;
2. теорий, позволяющих уточнять эксперименты и переносить результаты исследований на более
широкую область, чем та, какая имелась во время опыта;
3. основных результатов экспериментальных исследований.
Целью курса является ознакомление студентов с методами аэродинамических исследований, с
применяемой аппаратурой и с теориями, лежащими в основе аэродинамического эксперимента.
Слушатели курса должны овладеть содержанием курса и иметь достаточно полное представление о
возможностях его применения в решении прикладных задач аэродинамики.
Построение курса. Дисциплина «Экспериментальная Аэродинамика» является профилирующей в
профессиональной подготовке специалиста гидроаэромеханика и служит основой для изучения других
дисциплин этого профиля («Динамика полета», «Устойчивость и управляемость летательных аппаратов»).
Содержание курса
ВВЕДЕНИЕ
Предмет аэродинамического эксперимента.
направления исследований в аэродинамике.
Задачи
экспериментальной
аэродинамики.
Основные
ЧАСТЬ 1.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАЗОВ. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Основные термодинамические параметры. Уравнения состояния. Сжимаемость. Вязкость. Атмосфера
Земли. Химический состав воздуха. Стандартная атмосфера.
2. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В АЭРОДИНАМИКЕ
Системы осей координат. Углы между земными, поточными и связанными осями координат.
Аэродинамические коэффициенты в поточной (скоростной) и связанной системах координат. Переход от
одной системы координат к другой. Поляры первого и второго рода. Локальные характеристики
взаимодействия газа с поверхностью: центр давления, местный коэффициент трения. Коэффициент
давления.
3. РАЗМЕРНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И II-ТЕОРЕМА.
Размерные и безразмерные величины. Основные и производные единицы измерения.
Формула размерности; структура функциональных связей между физическими величинами. II-теорема.
Параметры, определяющие класс явления. Примеры, приложения теории размерности.
4. ЗАКОНЫ ПОДОБИЯ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКЕ
Понятие о подобии и моделировании явлений. Условия динамического подобия двух потоков вязкой
сжимаемой жидкости. Критерии подобия числа: Рейнольдса - Re , Фруда –Fr, Маха – М, Струхаля – Sh,
степень (мера) начальной турбулентности потока – ε. Полное и частичное подобие. Закон подобия с учетом
вязкости. Влияние числа Re на аэродинамические характеристики тел. Кризис сопротивления. Закон
подобия с учетом влияния сил тяжести. Закон подобия с учетом сжимаемости. Закон подобия с учетом
нестационарности. Турбулентность. Изотропная и однородная турбулентность. Степень турбулентности ε.
Масштаб турбулентности. Другие критерии подобия числа: Pr – Прандтля, Nu – Нуссельта, Pe – Пекле, Rn –
Крудсена, σ – число кавитации.
5. УСТАНОВКИ ДЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Аэродинамические трубы. Вводные замечания. Классификация аэродинамических труб. Дозвуковые
аэродинамические трубы. Основные части аэродинамических труб и их назначение. Малотурбулентные
аэродинамические трубы. Трубы переменной плотности. Околозвуковые
и трансзвуковые
аэродинамические трубы. Элементарный расчет сопла Лаваля. Сверхзвуковые и гиперзвуковые
аэродинамические трубы (атмосферно-вакуумные, эжекторные, балонные, балонно-вакуумные). Вакуумные
аэродинамические трубы.
6. УДАРНЫЕ ТРУБЫ
Устройство и принцип действия ударной трубы. Волновая диаграмма ударной трубы. Различные
модификации ударных труб. Применение ударных труб. Ударная аэродинамическая труба.
7. БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Предварительные замечания, физические принципы метания и классификация баллистических установок.
Устройство и применение баллистических установок.
Аэробаллистические установки. Методика
определения коэффициента сопротивления и других коэффициентов летящих моделей.
8. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ВЫСОКОЭНТАЛЬПИЙНЫХ ПОТОКАХ ГАЗА
Особенности полета со сверхзвуковыми скоростями (М › 10). Аэродинамические трубы с электродуговым
подогревом (плазмотроны). Аэродинамические трубы адиабатического сжатия. Импульсная
электроразрядная труба.
ЧАСТЬ П. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ
1. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОГО ПОТОКА
Измерения давления. Способы измерения давления. Приемники давления. Жидкостные параметры.
Манометры механического типа. Электрические датчики давления. Вакуумметры. Методы измерения
скоростей газового потока. Измерение малых скоростей. Измерение больших скоростей. Лазерные
допплеровские измерители скорости. Измерение температуры газа в потоке. Температура торможения и
температура восстановления. Приборы для измерения температуры, датчики температуры. Статистическая и
динамическая тарировки датчиков температуры.
2. ВИЗУАЛЬНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЙ
Методы визуализации движения жидкости и газа. Дымовой метод. Аэродинамические спектры в дымовой
трубе, метод шелковинок. Метод флуоресцирующих размываемых точек. Метод сублимации. Оптические
методы исследования. Теневой метод. Шлирен-теневой метод. Оптическая схема прибора Теплера.
Интерферометрический метод. Оптическая схема прибора Маха-Цандера. Применение голографии.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛ, ОБТЕКАЕМЫХ ГАЗОВЫМ
ПОТОКОМ
Определение аэродинамических характеристик весовым способом. Типы аэродинамических весов.
Аэродинамические весы механического типа. Тензорные весы. Определение аэродинамических
характеристик по распределению давления. Определение профильного сопротивления путем измерения
давления в следе за моделью. Ветровые нагрузки на здания и сооружения.
4. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЫЛА
Геометрические характеристики крыла: профиль крыла, форма крыла в плане, площадь крыла, размах,
хорда, сужение, относительное удлинение, толщина профиля. Коэффициенты подъемной силы и
сопротивления, поляры I и П рода, моментальная кривая. Влияние формы и профиля крыла на
коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы. Влияние удлинения на аэродинамические
характеристики крыла. Стреловидные крылья. Влияние угла стреловидности на аэродинамические
характеристики крыла. Влияние сжимаемости (числа М) на аэродинамические характеристики крыла.
5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕЛ
Плоская пластинка. Шар. Цилиндр. Тела вращения. Характеристики плохо обтекаемых тел.
6. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
Структура пограничного слоя. Ламинарный пограничный слой. Точка перехода ламинарного погранслоя в
турбулентный. Турбулентный пограничный слой. Экспериментальные методы определения профиля
скоростей в пограничном слое и положения точки перехода. Отрыв пограничного слоя. Кризис
сопротивления тел, обтекаемых с отрывом пограничного слоя. Влияние турбулентности на
аэродинамические характеристики некоторых тел. Управление пограничным слоем. Методы измерения
интенсивности турбулентности потока при помощи шара и термоанемометром. Масштаб турбулентности.
7.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Общие сведения об экспериментальных исследованиях при неустановившемся движении. Коэффициенты
аэродинамических (вращательных) производных и их связь с проблемами устойчивости летательного
аппарата.
Методы экспериментального определения коэффициентов вращательных производных: метод свободных и
вынужденных колебаний модели. Условия подобия при экспериментальных исследованиях
неустановившегося движения.
8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Ошибка измерений: грубые, систематические, случайные. Распределение случайных ошибок измерений.
Методы исключения систематических и случайных ошибок. Понятие о выборке. Математическая обработка
результатов измерений.
Литература
1. Мартынов А.К. Прикладная аэродинамика. М., 1972. 445с.
2. Попов Г.С. Некоторые задачи и методы экспериментальной аэромеханики. М., 1952. 496с.
3. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М., 1970. 423с.
4. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения, методы и приборы. М., 1964. 720с.
5. Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М., 1968. 504с.
6. Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. М., 1974. 260с.
7. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И. Баллистические установки и их применение в
эксперименталных исследованиях. М., 1974. 344с.
8. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М., 1971. 192с.
9. Белова А.В., Буравцев А.И., Ковалев М.А., Матвеев С.К. Лабораторный практикум по
аэрогазодинамике. ЛГУ , 1980. 288с.
10. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г. Крыло в нестационарном потоке газа. М., 1971.
768с.