Как Работают Аэродинамические Трубы

{h1}

Аэродинамические трубы - незамеченные герои аэродинамики, ведущие к созданию более безопасных самолетов, автомобилей и космических аппаратов. Узнайте, как работают аэродинамические трубы.

Человечество всегда завидовало птицам. Мы могли бы передать часть, питающуюся червями, но их мастерство полета помогло зажечь наши желания взлететь до небес. В той или иной степени люди осуществили мечту о полете. Но 727-е годы, ракеты, космические челноки, сверхбыстрые гоночные машины, скоростные катера, гоночные велосипеды и даже компьютерные чипы такого типа, возможно, никогда бы не были реализованы, если бы не было одного связанного технологического развития - аэродинамической трубы.

Аэродинамические трубы используются инженерами для проверки аэродинамики многих объектов, от реактивных крыльев до автомобильных ветровых стекол. аэродинамика как наука изучает поток воздуха или газов вокруг объекта в движении. Благодаря лучшему пониманию того, как воздух движется вокруг (или сквозь) объектов, производители могут разрабатывать и создавать более быстрые, безопасные, более надежные и более эффективные продукты всех видов.

От раскачивающегося, нестабильного ветра до взрывов ураганной силы ветер Матери-Земли - заведомо непостоянное состояние, и, таким образом, он практически бесполезен для аэродинамических испытаний. Аэродинамические трубы, с другой стороны, обеспечивают контролируемую среду для такого рода испытаний.

Аэродинамические трубы - это просто полые трубы; на одном конце у них есть мощные вентиляторы, которые создают поток воздуха внутри туннеля. Некоторые туннели имеют размер рабочего стола и подходят для тестирования только очень маленьких объектов. Другие туннели представляют собой массивные сооружения, в которых инженеры испытывают полноразмерные самолеты и автомобили. Хотя испытуемые материалы (обычно) остаются неподвижными, быстрый поток воздуха внутри туннеля создает впечатление, что объекты движутся.

Как правило, в аэродинамических трубах имеются датчики и приборы, которые дают ученым точные данные о взаимодействии объекта с ветром. И часто есть окна, которые позволяют тем же ученым наблюдать эксперименты визуально. С этими данными и наблюдениями инженеры сталкиваются с такими переменными аэродинамики, как давление, скорость, температура и плотность. Они измеряют подъемную силу, сопротивление, ударные волны и другие условия, которые влияют на самолеты и другие приспособления, которые несутся через ветер. Кроме того, эти туннели могут помочь инженерам выяснить, как ветер взаимодействует со стационарными объектами, такими как здания и мосты, и найти способы сделать их сильнее и безопаснее.

Короче говоря, многие из наших современных чудес более продвинуты благодаря аэродинамическим трубам. Но это была мечта о полете, которая впервые дала дыхание этим свежим машинам. Далее вы узнаете, как появились аэродинамические трубы и как они работают. Впрочем, сначала наденьте на свою шляпу двойной кулак, потому что это один предмет, который может вас сдуть.

Дует в новую эпоху

Первые конструкции самолетов и планеров имели много птичьих характеристик. Аэродинамические трубы доказали, что многие из этих идей были довольно сумасшедшими.

Первые конструкции самолетов и планеров имели много птичьих характеристик. Аэродинамические трубы доказали, что многие из этих идей были довольно сумасшедшими.

В надежде поднять людей на небеса, ранние бортинженеры пытались последовать примеру птиц. Леонардо да Винчи, например, набросал так называемого «орнитоптера» в 1485 году. Однако наши крылатые друзья оказались менее чем полезны, когда дело дошло до раскрытия секретов полета. Многочисленные изобретатели изготавливали машины, вдохновленные птицами, только для того, чтобы беспомощно наблюдать за тем, как они беспомощно валяются в грязи.

Стало ясно, что для того, чтобы люди могли летать, им нужно лучше понять взаимодействие крыльев и ветра. Итак, эти начинающие любители полета отправились на поиски вершин холмов, долин и пещер с мощными, несколько предсказуемыми ветрами. Но естественные ветры не обеспечивали стабильного потока, который мог бы обеспечить полезную обратную связь проекта - искусственные ветры были необходимы.

Войдите в кружащие руки. В 1746 году Бенджамин Робинс, английский математик и ученый, прикрепил горизонтальный рычаг к вертикальному полюсу, который он повернул, послав руку, вращающуюся по кругу. В конце руки он прикрепил множество предметов и подверг их воздействию сил самодельной центрифуги. Его испытания сразу подтвердили, что форма вещей оказала огромное влияние на сопротивление воздуха (также известное как тянуть, элемент аэродинамической силы).

Другие экспериментаторы, такие как сэр Джордж Кейли, вскоре создали вращающиеся руки. Кейли, в частности, проверена аэродинамический формы, которые очень похожи на поперечное сечение крыла самолета, чтобы исследовать принципы сопротивления и лифт, Лифт - это элемент силы, который движется перпендикулярно направлению движения объекта.

Однако у вращающегося рычага был серьезный побочный эффект: он вращал воздух при вращении, в основном создавая беспорядочную турбулентность, которая сильно влияла на все результаты и наблюдения. Но рука привела к одному монументальному прорыву: инженеры начали понимать, что, быстро двигая объект по воздуху, они могут развивать подъемную силу. Это означало, что для полета не нужно строить взмах крыльев. Вместо этого люди нуждались в достаточной силе и правильной конструкции крыла. Ученые нуждались в более совершенных следственных инструментах для решения этих важных вопросов. Аэродинамические трубы были ответом.

На следующей странице вы узнаете, как вращающиеся рукава превратились в аэродинамические трубы, и вы увидите, как эти туннели сыграли важную роль в достижении одного из крупнейших технологических достижений в истории человечества.

Вихревые ветры перемен

Аэродинамическая труба, которую построили братья Райт, помогла изменить ход человеческой технологической истории.

Аэродинамическая труба, которую построили братья Райт, помогла изменить ход человеческой технологической истории.

Поскольку вращающиеся руки раскололи воздух и создали след, который лишил законной силы многие эксперименты, ученые нуждались в более спокойном искусственном ветре. Франк Х. Уэнам, англичанин, работающий в Авиационном обществе Великобритании, убедил организацию помочь финансировать строительство первой аэродинамической трубы, которая дебютировала в 1871 году.

Туннель Уэнама имел длину 12 футов (3,7 метра) и квадрат 18 дюймов (45,7 сантиметра). Он производил ветры со скоростью 40 миль в час (64 километра в час) благодаря паровому вентилятору в конце туннеля. В своем туннеле Уэнам проверил эффект подъема и сопротивления на профилях различной формы. Как он передвинул передний край (называется передний край) крыла вверх и вниз, меняя то, что называется угол атаки, он обнаружил, что определенные формы приводили к лучшему подъему, чем ожидалось. Полет на человеке внезапно показался более возможным, чем когда-либо прежде.

Тем не менее, грубый дизайн туннеля создавал ветры, которые были слишком неустойчивыми для согласованных результатов испытаний. Для систематического тестирования и получения достоверных результатов необходимы лучшие туннели. В 1894 году англичанин Горацио Филипс заменил паровую систему впрыска для вентиляторов, что привело к более устойчивому, менее турбулентному воздушному потоку.

Через Атлантический океан, в Огайо, братья Райт, Орвилл и Уилбур следили за разработками в области аэродинамики и находили идеи для проектирования планеров. Но тестирование их моделей в реальных условиях оказалось слишком трудоемким; это также не предоставило им достаточно данных, чтобы улучшить их планы.

Они знали, что им нужна аэродинамическая труба. Итак, после небольшого переделывания они построили туннель с 16-дюймовым (40,6-сантиметровым) испытательным участком. Они экспериментировали с примерно 200 различными типами крыльев, прикрепив аэродинамические поверхности к двум противовесам - один для сопротивления и один для подъема. Весы преобразуют характеристики аэродинамического профиля в измеримое механическое воздействие, которое братья использовали для выполнения своих расчетов.

Медленно, они работали, чтобы найти правильную комбинацию перетаскивания и подъема. Они начали понимать, что узкие длинные крылья приводили к гораздо большей подъемной силе, чем короткие толстые крылья, и в 1903 году их тщательные испытания в аэродинамической трубе окупились. Братья Райт летали на первом пилотируемом самолете в Килл-Девил-Хиллс, Северная Каролина. Началась новая эра технологических инноваций, во многом благодаря аэродинамическим трубам.

Далее вы увидите, как именно аэродинамические трубы создают свою невидимую магию и помогают ввергнуть человечество в новую технологическую эру.

Внутренняя работа аэродинамической трубы

Вот удобная схема, которая поможет вам визуализировать составные части аэродинамической трубы.

Вот удобная схема, которая поможет вам визуализировать составные части аэродинамической трубы.

Первые аэродинамические трубы были просто воздуховодами с вентиляторами на одном конце. Эти туннели создавали прерывистый, неровный воздух, поэтому инженеры постоянно работали над улучшением воздушного потока путем настройки макетов туннелей. Современные туннели обеспечивают намного более плавный воздушный поток благодаря фундаментальной конструкции, которая включает пять основных секций: отстойную камеру, усадочный конус, испытательную секцию, диффузор и секцию привода.

Воздух - беспорядочный хаотичный беспорядок, когда он входит в туннель. отстойная камера делает именно то, что подразумевает его название: он помогает улаживать и выпрямлять воздух, часто за счет использования панелей с отверстиями в виде сот или даже сетчатого экрана. Воздух затем немедленно пропускается через сужающийся конус, ограниченное пространство, которое значительно увеличивает скорость воздушного потока.

Инженеры размещают свои масштабные модели в тестовая секция, где датчики записывают данные, а ученые проводят визуальные наблюдения. Впоследствии воздух поступает в диффузоримеет коническую форму, которая расширяется и, таким образом, плавно замедляет скорость воздуха, не вызывая турбулентности в испытательном участке.

приводная секция вмещает осевой вентилятор, который создает высокоскоростной поток воздуха. Этот вентилятор всегда располагается ниже по течению от испытательной секции, в конце туннеля, а не на входе. Эта настройка позволяет вентилятору втягивать воздух в плавный поток, а не толкать его, что приведет к гораздо более прерывистому потоку воздуха.

Большинство аэродинамических труб - это просто длинные прямые коробки или разомкнутая цепь туннели. Тем не менее, некоторые встроены в закрыто схемы (или закрытый возврат), которые в основном представляют собой овалы, которые направляют воздух вокруг и вокруг одного и того же пути, например, беговую дорожку, используя лопасти и сотовые панели для точного направления и направления потока.

Стены туннеля очень гладкие, потому что любые недостатки могут действовать как удары скорости и вызывать турбулентность. Большинство аэродинамических труб также имеют умеренные размеры и достаточно малы, чтобы помещаться в университетскую научную лабораторию, а это означает, что тестовые объекты должны быть уменьшены, чтобы соответствовать туннелю. Эти масштабные модели могут представлять собой целые самолеты в миниатюре, построенные (с большими затратами) с высокой точностью. Или они могут быть просто частью крыла самолета или другого продукта.

Инженеры устанавливают модели в испытательную секцию, используя различные методы, но обычно модели хранятся стационарно с помощью проводов или металлических опор, которые размещаются позади модели, чтобы избежать сбоев в потоке воздуха. Они могут прикреплять датчики к модели, которые регистрируют скорость ветра, температура, давление воздуха и другие переменные.

Продолжайте читать, чтобы узнать больше о том, как аэродинамические трубы помогают ученым собирать более сложные аэродинамические головоломки и как их результаты стимулируют технологические достижения.

Дым в потоке воздуха

Дым обеспечивает визуализацию потока, поэтому ученые могут видеть, как воздух движется вокруг тестируемого объекта.

Дым обеспечивает визуализацию потока, поэтому ученые могут видеть, как воздух движется вокруг тестируемого объекта.

Подъем и сопротивление - это всего лишь два элемента аэродинамических сил, которые вступают в игру в аэродинамической трубе. В частности, для испытаний самолетов существуют десятки переменных (например, тангаж, рыскание, крен и многие другие), которые могут повлиять на результаты экспериментов.

Другие факторы также вступают в игру во время тестирования, независимо от того, каким может быть испытуемый. Например, качество воздуха в туннеле является изменчивым и имеет огромное влияние на результаты испытаний. В дополнение к тщательному измерению формы и скорости объекта (или ветра, обдувающего объект), тестеры должны учитывать вязкость (или липкость) и сжимаемость (подпрыгивание) воздуха во время их экспериментов.

Конечно, вы обычно не думаете о воздухе как о липком веществе, но когда воздух движется над объектом, его молекулы ударяются о его поверхность и цепляются за него, хотя бы на мгновение. Это создает пограничный слойслой воздуха рядом с объектом, который влияет на поток воздуха, так же, как и сам объект. Высота, температура и другие переменные могут влиять на вязкость и сжимаемость, что, в свою очередь, изменяет свойства и сопротивление пограничного слоя, а также аэродинамику объекта испытаний в целом.

Чтобы понять, как все эти условия влияют на тестовый объект, требуется система датчиков и компьютеров для регистрации данных датчиков. Трубки Пито используются для измерения скорости воздушного потока, но используются расширенные туннели лазерные анемометры которые определяют скорость ветра, «видя» частицы в воздухе. Датчики давления контролировать давление воздуха и давление водяного пара датчики отслеживания влажности.

В дополнение к датчикам, визуальные наблюдения также чрезвычайно полезны, но чтобы сделать воздушный поток видимым, ученые полагаются на различные визуализация потока методы. Они могут заполнить испытательный участок цветным дымом или мелким туманом жидкости, например воды, чтобы увидеть, как воздух движется над моделью. Они могут нанести на модель густые цветные масла, чтобы увидеть, как ветер толкает масло по поверхности модели.

Высокоскоростные видеокамеры могут записывать дым или масла при движении, чтобы помочь ученым обнаружить подсказки, которые не очевидны для невооруженного глаза. В некоторых случаях лазеры используются, чтобы осветить туман или дым и показать детали воздушного потока.

Аэродинамические трубы предлагают бесконечные конфигурации для тестирования безграничных идей и концепций. Продолжайте читать, и вы увидите невероятно творческие туннели, которые строят инженеры, когда они находят деньги, чтобы превратить идею в настоящую технологическую бурю.

Аэродинамические трубы от А до Я

Сверхзвуковые и гиперзвуковые туннели не используют вентиляторы. Для создания этих головокружительных скоростей воздуха ученые используют взрывы сжатого воздуха, хранящиеся в резервуарах под давлением, расположенных выше по течению от испытательного участка, поэтому их иногда называют продувка тоннели. Точно так же гиперзвуковые туннели иногда называют ударные трубки, ссылка на мощные, но очень короткие взрывы, которые они производят. Оба имеют огромные требования к мощности, что обычно делает их наилучшими для коротких или прерывистых испытаний.

Возможности давления воздуха также отличают аэродинамические трубы. В некоторых туннелях есть элементы управления для снижения или повышения давления воздуха. Например, при испытаниях космических аппаратов НАСА может создать туннель для имитации атмосферы низкого давления на Марсе.

Вы также можете классифицировать туннели по размеру. Некоторые из них относительно малы и, следовательно, полезны только для тестирования уменьшенных моделей или участков объекта. Другие являются полноразмерными и достаточно большими, чтобы протестировать полноразмерные автомобили.

А некоторые аэродинамические трубы просто… ну, действительно, большие.

Исследовательский центр Эймса НАСА, недалеко от Сан-Хосе, Калифорния, является домом для крупнейшей в мире аэродинамической трубы. Его высота около 180 футов (54,8 метра), длина более 1400 футов (426,7 метра), одна испытательная секция высотой 80 футов (24 метра) и шириной 120 футов (36,5 метра), достаточно большая, чтобы вместить самолет с размах крыльев (30 метров). Туннель использует шесть четырехэтажных мощных вентиляторов, каждый из которых приводится в движение шестью двигателями мощностью 22 500 лошадиных сил, способными развивать скорость до 115 миль в час (185 км / ч).

Размер не единственный фактор в необычных аэродинамических трубах. Продолжайте читать, и вы узнаете, насколько современны некоторые из этих туннелей.

DIY Вихри

Аэродинамические трубы не только для профессионалов. Вы можете найти в Интернете планы по строительству собственной аэродинамической трубы дома или даже купить комплекты со всеми необходимыми деталями в комплекте. Существует множество типов аэродинамических труб для самых разных целей. Эти туннели классифицируются по своим характеристикам, таким как скорость ветра, которую они генерируют в испытательной секции.

дозвуковой испытательные объекты в аэродинамических трубах с расходом воздуха менее 250 миль в час (402 км / ч). околозвуковой Туннели покрывают туннели, покрывающие диапазон скорости ветра от 250 миль в час до 760 миль в час (1223 км / ч).

сверхзвуковой туннели генерируют ветра быстрее, чем скорость звука (768 миль в час или 1235,9 км / ч). сверхзвуковой Туннели создают страшные и быстрые удары ветра от 3800 до 11 400 миль в час (от 6 115,5 до 18 346,5 км / ч) - или даже быстрее.

Злые аэродинамические трубы

General Motors владеет самой большой в мире аэродинамической трубой, предназначенной для испытаний автомобилей. Вентилятор имеет 43-футовый (13-метровый) диаметр.

General Motors владеет самой большой в мире аэродинамической трубой, предназначенной для испытаний автомобилей. Вентилятор имеет 43-футовый (13-метровый) диаметр.

Инженеры часто должны тестировать несколько аэродинамических и экологических переменных одновременно. Вот почему некоторые туннели предлагают широкий спектр возможностей тестирования в одном месте. Венская большая климатическая аэродинамическая труба, используемая в основном для испытаний автомобилей и железнодорожных транспортных средств, является одним из таких туннелей. Один только испытательный участок имеет длину 328 футов (100 метров), через которую протекает скорость ветра до 186 миль в час (299 км в час).

Инженеры могут регулировать относительную влажность от 10 до 98 процентов и повышать температуру от -49 градусов до 140 градусов по Фаренгейту (от -45 до 60 градусов Цельсия). В соответствии со своим названием, Венский климатический туннель обладает возможностями дождя, снега и льда, а также имитаторами солнечного воздействия.

В частности, способность обледенения была критическим компонентом в аэродинамических трубах в течение десятилетий, потому что накопление льда на поверхности самолета может иметь катастрофические последствия, приводя к падению самолета. В туннелях для обледенения имеются системы охлаждения, которые охлаждают воздух, а затем разбрызгивают мелкие капли воды в воздушный поток, создавая на тестовых моделях глазурь. Инженеры могут затем возиться с решениями для противодействия накоплению льда, например, установив системы отопления, которые нагревают поверхности самолета.

Существует множество других типов туннелей, предназначенных для определенных целей. Некоторые конструкции пропускают полюса или провода для закрепления модели и вместо этого используют мощные магниты, которые подвешивают металлические модели в испытательной секции. Другие предоставляют провода дистанционного управления, которые позволяют ученым «летать» на модельном самолете в пределах испытательной зоны.

В Техасском университете в Научно-исследовательском центре аэродинамики в Арлингтоне есть так называемый туннель с дуговой струей, который генерирует сверхзвуковые потоки очень горячего газа при температуре до 8540 градусов по Фаренгейту (4727 по Цельсию). Эти виды температур особенно полезны для НАСА, которое подвергает свой космический корабль сильному нагреву при повторном входе в атмосферу Земли.

Некоторые туннели полностью пропускают воздух и вместо этого используют воду. Вода течет очень похоже на воздух, но она имеет большую плотность, чем воздух, и также более заметна. Эти свойства помогают ученым визуализировать схемы обтекания подводных лодок и корпусов судов или даже лучше видеть ударные волны, создаваемые очень быстрыми самолетами и ракетами.

Так какой смысл дуть всему этому горячему и прохладному воздуху? Это не просто так, что ученые могут получить свой гик - на следующей странице вы увидите, как аэродинамические трубы помогают нам гораздо больше, чем летать.

Шашки для отдыха

Вертикальные аэродинамические трубы (или VWT) доказывают, что аэродинамические трубы предназначены не только для работы. VWT позволяют людям прыгать с парашютом в помещении (также называется bodyflying), хороший способ как для новичков, так и для профессионалов научиться безопасно прыгать с парашютом и одновременно взорваться.

Аэродинамические трубы доказывают свою ценность

Вертикальные аэродинамические трубы, такие как эта в Китае, позволяют парашютистам практиковать свою технику в помещении.

Вертикальные аэродинамические трубы, такие как эта в Китае, позволяют парашютистам практиковать свою технику в помещении.

Инженеры и специалисты по производству используют аэродинамические трубы для улучшения не только самолетов и космических аппаратов, но и целого ассортимента промышленных и потребительских товаров. В частности, автопроизводители в значительной степени полагаются на аэродинамические трубы.

Лаборатория аэродинамики General Motors располагает самой большой аэродинамической трубой для изучения аэродинамики автомобилей.Со времени строительства тоннеля три десятилетия назад инженеры компании снизили коэффициент аэродинамического сопротивления своих автомобилей примерно на 25 процентов. Такое улучшение повышает экономию топлива на две-три мили за галлон.

Производители гоночных автомобилей используют туннели, чтобы улучшить аэродинамику автомобиля, особенно скорость и эффективность, чтобы помочь им получить конкурентное преимущество. Например, аэродинамическая труба AeroDyn расположена в Северной Каролине и специализируется на тестировании полноразмерных серийных автомобилей NASCAR и других гоночных и грузовых автомобилей. Другая компания, которая называется Windshear, также работает в Северной Каролине и владеет усовершенствованным туннелем с замкнутым контуром и встроенной дорожной развязкой, который представляет собой огромную беговую дорожку для автомобилей.

Инженеры-электронщики используют небольшие аэродинамические трубы, чтобы увидеть, как поток воздуха влияет на накопление тепла в компонентах. Затем они могут разрабатывать более крутые компьютерные чипы и материнские платы, которые служат дольше. Менеджеры коммунальных служб используют аэродинамические трубы для проверки ветровых турбин, используемых для выработки электроэнергии. Аэродинамические трубы помогают сделать турбины и их лопасти более эффективными, эффективными и долговечными, чтобы они могли выдерживать постоянные сильные порывы ветра. Но аэродинамические трубы также помогают инженерам определять расположение ветряных электростанций и расстояние между турбинами, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать турбулентность, потребляющую энергию.

Строительство аэродинамических труб и тестовых моделей не из дешевых. Вот почему все больше и больше организаций деактивируют свои аэродинамические трубы и переходят на компьютерное моделирование (также называемое вычислительная гидродинамика), который сейчас часто используется вместо физических моделей и туннелей. Более того, компьютеры позволяют инженерам настраивать бесконечные переменные модели и тестовой секции без трудоемкого (и дорогого) ручного труда. Физические туннели иногда используются только для повторного тестирования результатов компьютерного моделирования.

Инженеры-строители используют компьютерное моделирование для испытаний ветровой техники, чтобы помочь им спроектировать и построить небоскребы, мосты и другие сооружения. Они исследуют взаимодействие строительных форм и материалов и ветра, чтобы сделать их более безопасными и сильными.

Однако сейчас аэродинамические трубы все еще активно используются по всему миру, что помогает ученым создавать более безопасные и эффективные продукты и транспортные средства всех типов. И даже если новые виртуальные технологии в конечном итоге заменят физические аэродинамические трубы, эти чудеса инженерной мысли всегда будут иметь место в истории развития человечества.





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com