Как сделать аэродинамическую трубу своими руками


Как сделать аэродинамическую трубу

  Перевел SaorY для mozgochiny.ru

Приветствую всех мозгочинов! Сегодня прикоснемся к занимательному миру физики, то есть создадим своими руками аэродинамическую трубу для наглядности процессов физики потока.

 

Эта «воздушная» самоделка раскрывает магию аэродинамики, то есть всего того, что падает, летает, кружится и т.д. и может стать отличным наглядным пособием для детей на уроках физики. Конструкция трубы достаточно прочная, поэтому может эксплуатироваться не только в вертикальном положении, но и в горизонтальном.

 

 

Итак,
Цель: Аэродинамическая труба
Процессы: аэродинамика, физика, давление воздуха, падение
Время изготовления: приблизительно 1,5 часа

Материалы:
вентилятор
• фанера 60х50х2см
• деревянный брус 5х7.5см — примерно 1.8м
• саморезы
• уголки – 6шт
• пластиковый лист (для формирования трубы)
• пяльцы для вышивания диаметром 35см – 2шт
• хомуты-стяжки
• прозрачный и обычный скотч
• сетка

Материалы для парения:
• воздушные шары
• пакеты
• маркеры
• ленточки
• палочки от мороженного
• бумага
• перчатки
• стаканчики

Инструменты:
• дрель
• лобзик

 

 

Шаг 1: Подробнее о материалах

 

Главная деталь нашей мозгоподелки – вентилятор, из запасов мастерской или дешевый вариант из магазина, желательно конечно помощнее.

Размеры пластикового листа нужно соотнести с требуемой высотой трубы и диаметра вентилятора, и конечно с диаметром пяльцев. Так пяльцы диаметром 35см имеют длину окружности около 114см, требуемая высота трубы около 120см, следовательно размеры пластикового листа не менее 120х115см.

Для удобства перемещения трубы в самоделке используются ролики, атрибут не обязательный, но полезный.

 

 

Шаг 2: Обруч из фанеры

 

Главная деталь основы поделки это фанерный «пончик», по внутреннему диаметру близкий к диаметрам пяльцев и вентилятору. Чтобы его сделать прикладываем к фанерному листу пяльцы, размечаем их внутренний диаметр (35см), а затем простой конструкцией из карандаша, бруска и самореза размечаем внешний диаметр обруча (48см).

Лобзиком выпиливаем обруч по внешнему контуру, затем высверливаем отверстие внутри мозгообруча и выпиливаем внутренний контур. «Пончик» готов!

 

 

Шаг 3: Места под опоры

 

По внутреннему диаметру «пончика» размечаем места установки опор поделки: на расстоянии 120 градусов друг от друга прикладываем бруски опор, размечаем, а затем лобзиком удаляем лишний материал. При этом не забываем примерять вентилятор 🙂

 

 

Шаг 4: Опоры

 

На одной из сторон опор выбираем материал размером 2.5х5см, это нужно для последующей установки кронштейнов. Затем размечаем на опорах места крепления «пончика», так чтобы после установки вентилятора и трубы оставалось небольшое пространство, через которое будут подаваться в поток материалы для парения. То есть «пончик» размещаться на высоте 38см от нижнего края опор.

 

 

Шаг 5: Сборка основы

 

С помощью уголков и саморезов собираем подготовленные опоры и «пончик» в единую основу. В верхних краях опор высверливаем по два отверстия, одно из которых будет использоваться для закрепления ветровой мозготрубы.

 

 

Шаг 6: Суппорты для трубы

 

Your ads will be inserted here by

Easy AdSense Pro.

Please go to the plugin admin page to paste your ad code.

Для установки трубы необходимо подготовить небольшие «посадочные» места на опорах. Поэтому из фанеры толщиной 2см выпиливаем площадки-суппорты размером 5х9см, размещаем их на опорах и закрепляем саморезами. Чтобы придать суппортам более презентабельный вид можно перед их креплением вырезать выемки с одной из сторон.

 

 

Шаг 7: Ролики

 

Как упоминалось ранее, установка роликов шаг не обязательный, но полезный. И если вы решили их смонтировать на аэроподелку, то учтите, что это увеличит общую высоту трубы.

 

 

Шаг 8: Пластиковая труба

 

 

Приступаем к формированию трубы: снимаем аккуратно защитную плену с пластика и сгибаем лист в трубку, скрепляя по шву прозрачным скотчем. Затем с обоих концов трубы устанавливаем пяльцы и закрепляем их обычным мозгоскотчем, для красоты, да и для большей прочности.

 

 

Шаг 9: Установка трубы

 

Полученную трубу устанавливаем на основу и размечаем отверстия для крепежа. Эти отверстия располагаются по центу опор, с обеих сторон нижних пяльцев и имеют диаметр достаточный для прохождения стяжек. Как только разметили, высверливаем эти 6 отверстий.

 

 

Шаг 10: Закрепление трубы

 

Снова устанавливаем трубу на основу, центрируем отверстия и хомутами-стяжками закрепляем трубу в основе. Данный вид крепления удобен при транспортировке этой аэроподелки. Конечно, сначала устанавливаем и закрепляем сам вентилятор.

Затягиваем хомуты и мозгосамоделка готова!

 

 

Шаг 11: Предохранительная сетка

 

Вентилятор имеет защитный кожух, но так как поделка предназначена для совместного использования с детьми, все же стоит дополнительно установить предохранительную сетку из хозяйственного/строительного магазина. Она не позволит попасть мелким предметам, да и пальцам, на вращающиеся лопасти.

Поэтому вырезаем сетку по размерам вентилятора и закрепляем ее на защитном кожухе.

 

 

Шаг 12: Собираем «испытателей» для парения

 

 

Осматриваем свою мастерскую на предмет поиска вещей, которые выступят «испытателями» в нашем аэроэксперименте. Для этого подойдут  легкие и не очень предметы и материалы. Проявите мозгофантазию и соберите различные предметы, чтобы ветровая труба полностью раскрыла свой потенциал!

 

 

Шаг 13: Эксперименты!

 

Самоделка полностью готова к работе, поэтому удачных вам экспериментов и опытов!

 

Парение разных предметов на различных скоростях сделают изучение физики более интересным и веселым, а если «положить» трубу, то мощно изучать еще и подъемную силу крыла и т.д.

Творите и экспериментируйте!

(A-z Source)

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ!

About SaorY

Как сделать флюгер за 5 очень простых шагов

С трудом пытаетесь понять, как работает флюгер? Вот простая статья, в которой приведены пошаговые инструкции по изготовлению флюгера, которые помогут вам разобраться с его рабочим механизмом.

В метеорологии флюгер или флюгер - это инструмент, который помогает определять направление ветра и помогает в прогнозировании погоды. Это не только один из старейших, но и один из простейших инструментов прогнозирования погоды, который был изобретен.На самом деле сделать это самостоятельно довольно просто; все, что вам нужно, - это несколько вещей, большинство из которых можно легко найти дома, например соломинка для питья, карандаш с прикрепленной к нему ластиком, бумага для карточек, булавка и коробка или бумажный стаканчик.

Пошаговые инструкции по изготовлению флюгера

Хотели бы вы написать нам? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим ...

Давайте работать вместе!

Флюгер, о котором мы говорим здесь, - это не ультрасовременное оборудование, которое вы видите на метеостанции или то, что вы видите на высоких зданиях, а простой самодельный флюгер, который призван помочь вам понять основы ветра как стихии природы.

Для начала важно знать, что одна сторона флюгера всегда немного больше другой. Он специально разработан таким образом, чтобы гарантировать надлежащий контакт с ветром. Когда дует ветер, большая сторона толкается ветром, оставляя более узкую сторону, то есть указатель или стрелку, указывающую в направлении, откуда дует ветер.

Шаг 1

Возьмите карточку, нарисуйте на ней головку и хвост флюгера и вырежьте эти части ножницами.

Идеальным дизайном была бы форма стрелки с острым носом (для указателя) и широким хвостом. В идеале разница в размере этих двух частей должна быть минимальной. Это поможет вам удерживать вес даже с каждой стороны, иначе указатель не будет свободно перемещаться по своей оси.

Шаг 2

Возьмите соломинку и надрежьте ее с обоих концов (как показано на рисунке ниже).

Шаг 3

Вставьте головку и хвостовую часть флюгера в прорези, сделанные на соломе.

Шаг 4

Возьмите прямую булавку, проткните ею соломинку для питья в центре и прикрепите соломинку к ластику на карандаше. Прежде чем двигаться дальше, убедитесь, что соломинка вращается плавно.

Шаг 5

Сделайте основу для флюгера, используя бумажный стаканчик или коробку. Вам просто нужно проделать отверстие в бумажном стаканчике и поместить в него карандаш.

Хотели бы вы написать нам? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим ...

Давайте работать вместе!

У некоторых флюгеров на стержне флюгера указано направление, которое помогает интерпретатору определить направление, с которого дует ветер. При отсутствии указателей направления переводчик должен использовать компас для определения направления.Вы можете либо взять картонную коробку, на которой отмечены север, юг, восток и запад, и прикрепить ее к основанию флюгера, либо более простой способ - использовать компас в качестве альтернативы.

Кроме того…

… если вы собираетесь сделать флюгер, который вы разместите на крыше, вам придется выбрать дерево или какой-либо металлический материал, так как эти материалы выдерживают сильный ветер и суровые погодные условия. В этом случае вы можете использовать маркер, чтобы нарисовать голову и хвост ветра на материале, который вы используете, и отрезать его пилой.Карточная бумага будет заменена деревом или металлом, а карандаш будет заменен толстым металлическим стержнем. Если эта конструкция будет реализована, уровень сложности также увеличится, поскольку вам придется прибегать к сварке или винтам, чтобы скрепить оборудование.

Высота стойки флюгера будет зависеть от того, где вы собираетесь ее закрепить. Вы можете начать с отметки на стержне, где вы будете устанавливать лопатку. В идеале он должен быть на 5 см ниже кончика стержня. Затем вы можете взять шайбу и приварить ее к стержню в точке, отмеченной для установки лопасти.Стиральная машина предотвратит скольжение флюгера вниз. Следующим шагом является прикрепление скоб к задней части лопатки. Если лопатка сделана из металла, вы можете сварить эти кронштейны, а если она сделана из дерева, вы можете использовать винты для их крепления.

Вы должны убедиться, что кронштейны достаточно большие, чтобы флюгер мог свободно вращаться. Вам нужно будет вставить столб в кронштейны и приварить еще одну шайбу к столбу; на этот раз выше флюгера. Убедитесь, что шайба не мешает движению лопасти.Когда ваше устройство будет готово, вы можете закрепить его на крыше. Вы также можете создать указатели направления с буквами N, S, E и W и закрепить их под крыльчаткой. При закреплении лопасти на крыше необходимо убедиться, что указатели направления смотрят в правильном направлении.

Чтобы получить точные показания, вам необходимо разместить флюгер на значительной высоте, на некотором открытом месте, где здания, деревья или другие высокие конструкции не мешают ветровому потоку. Также можно прикрепить анемометр, т.е.е., индикатор скорости ветра, чтобы получить точные показания.

Флюгер часто используется для изучения погоды. Интерпретация изменений направления ветра и сопоставление их с другими погодными условиями может помочь вам делать краткосрочные прогнозы погоды. Если вы собираетесь установить домашнюю метеостанцию ​​и делать простые прогнозы погоды для вашего района, то флюгер определенно вам необходим. Это будет ваш первый шаг к тому, чтобы стать метеорологом-любителем.

.

Как работает аэродинамическая труба?

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 30 мая 2020 г.

Предположим, вы только что сконструировали гигантского нового пассажира. самолет и теперь вы хотите проверить это по-настоящему. Вы могли бы потратить миллионы долларов, построив его из блестящего титана металла и прокатитесь на нем по взлетно-посадочной полосе, чтобы убедиться, что он действительно летает, но если вы ошиблись в расчетах? Что, если ваш самолет взлетит двадцать секунд, затем внезапно падает, как камень, и приземляется на город забиты 5 миллионами человек? Это не лучший способ тестирования что-то настолько опасное.Вот почему конструкторы самолетов пробуют сначала на земле, используя масштабные модели в аэродинамических трубах. Давайте принимать посмотрим, как они работают!

Фото: Лопасти вентилятора внутри одна из гигантских аэродинамических труб в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли. Обратите внимание на человека внутри! Фото любезно предоставлено НАСА в свободном доступе.

Зачем нужны аэродинамические трубы?

Фото: Основная идея: закрепить самолет на земле и продуть воздух мимо него. Фотография самолета F-86, установленного в полномасштабной аэродинамической трубе размером 40 x 80 футов в авиационной лаборатории NACA Ames, Moffett Field, Калифорния, сделанная в 1954 году.Обратите внимание на инженера, стоящего под самолетом. Любезно предоставлено НАСА на Общинном собрании.

Разработка самолетов, которые будут летать быстро, эффективно и экономично - это обеспечение плавного обтекания крыльями воздуха и мимо их трубчатых тел. Это называется наукой о аэродинамика. Когда самолет поднимается в воздух, нет простого способа увидеть как воздух движется мимо него (хотя у опытного летчика-испытателя будет хорошая идея, что может вызвать проблемы). Если есть крупный дизайн дефект, самолет вообще не поднимется в воздух.Вот почему каждый современный космический корабль и самолет сначала испытано на земле в аэродинамической трубе: здание в виде трубы через который воздух обрушивается с очень высокой скоростью.

Основная идея аэродинамической трубы проста: если вы не можете сдвинуть самолет в воздухе, почему бы вместо этого не пропустить воздух мимо самолета? С научной точки зрения это точно так же. Если самолет тащит (вызывает сопротивление воздуха), когда он летит по небу, воздух будет перетащите точно так же, когда вы стреляете мимо неподвижной модели самолета на земле.

Тебе ничто не мешает построить супергигантскую аэродинамическую трубу и испытания модели вашего самолета в натуральную величину - и действительно, американский у космического агентства НАСА есть такие аэродинамические трубы. Но большая часть время намного дешевле использовать небольшую модель самолета в намного меньше аэродинамической трубы.

Как работает аэродинамическая труба?

Фото: Аэродинамическая труба похожа на гигантскую трубу. Обратите внимание на широкие внешние секции и гораздо более узкие внутренние секции, где туннель производит высокоскоростной воздух в центральной испытательной лаборатории.Фотография 16-футовой высокоскоростной аэродинамической трубы в Аэронавигационной лаборатории НАСА Эймс, Моффетт Филд, Калифорния, сделанная в 1948 году. Любезно предоставлено НАСА на Общинном собрании.

Аэродинамическая труба немного похожа на огромную трубу, которая огибает себя по кругу с вентилятором в середина. Включите вентилятор, и воздух будет обдувать трубу. Добавьте небольшую дверь, чтобы вы могли войти, и тестовую комнату посередине и, эй Престо, у вас есть аэродинамическая труба. На практике это немного больше сложнее, чем это.Вместо того, чтобы иметь однородную форму на всем пути круглая, труба в одних местах шире, в других - намного уже. Там, где труба узкая, воздух должен ускоряться, чтобы пройти. В чем уже труба, тем быстрее она должна идти. Он работает так же, как велосипедный насос, где воздух ускоряется, когда вы выталкиваете его через узкое сопло, и как ветреная долина где ветер дует намного сильнее, сосредоточенный холмами по обе стороны.

Наличие аэродинамической трубы с узкими секциями - простой способ построить больше скорости - а скорость - это то, чего нам нужно много.Чтобы проверить сверхзвуковой самолет, вам нужна скорость ветра примерно в пять раз быстрее, чем ураган. А для тестирования чего-то вроде космического шаттла нужно подуть ветер. в десять раз быстрее. Ветерок!

Ключевые части типичной аэродинамической трубы

Изображение: вид сверху на типичную аэродинамическую трубу.

Суньте голову в аэродинамическую трубу и, если ваши уши не оторвутся, вы найдете что-то вроде этого:

  1. Приводные двигатели: это гигантские электродвигатели, вращающие вентилятор.
  2. Компрессор: вентилятор (или вентиляторы), вырабатывающий высокоскоростной ветер.
  3. Сверхзвуковая высокоскоростная испытательная секция: Здесь находится модель самолета.
  4. Лопатки: это аэродинамические поверхности, расположенные по углам, чтобы поворачивать воздух на 90 градусов без потери энергии.
  5. Акустический глушитель: В аэродинамических трубах шумно! Глушители помогают снизить шум и более точно имитировать реалистичный воздушный поток.
  6. Лопатки
  7. Дозвуковая, низкоскоростная испытательная секция: с другой стороны есть испытательная камера меньшего размера, где воздух движется немного медленнее.
  8. Входные двери: Ученые должны как-то проникнуть внутрь!
  9. Осушитель воздуха: Эта секция удаляет влагу из воздушного потока.

Измерение расхода воздуха

Фото: Хотите провести небольшое испытание в аэродинамической трубе, но не можете позволить себе миллионы вам нужно потратиться на все это модное оборудование? Нет проблем: для этого есть приложение! Найдите "аэродинамическую трубу" в своем любимый магазин приложений, и вы найдете немало симуляторов, в которые можно поиграть на своем смартфоне или планшете.Это снимок экрана, который я сделал с помощью бесплатного приложения Wind Tunnel Lite от Algorizk, которое позволяет вам протестировать несколько основных форм (например, автомобили и крылья) при разной скорости ветра. Также есть профессиональная версия, которая позволяет вам контролировать гораздо больше вещей (тягу винта, вязкость жидкости, трение и скорость ветра). Учителей стоит поискать!

Воздух невидим, так как же узнать, летит ли самолет? ну или плохо внутри туннеля? Есть три основных способа. Ты можешь использовать дымовая пушка, чтобы окрасить воздушный поток в белый цвет, а затем посмотреть, как дым смещается и закручивается при прохождении самолета.Вы можете взять то, что называется Фотография Шлирена, на которой изменяются скорость воздуха и давление появляется, чтобы вы могли их видеть. Или вы можете использовать анемометры (приборы для измерения скорости воздуха) для измерения скорости ветра разные точки вокруг плоскости. Вооружившись вашими измерениями и множество сложных аэродинамических формул, вы можете выяснить, насколько хорошо или плох ваш самолет и действительно ли он будет держаться в небе.

Когда вы будете довольны, вы можете построить себе прототип (тестовую модель) и попробуйте по-настоящему - или убедите кого-нибудь еще попробовать это для вас.Пилоты-испытатели зарабатывают огромные деньги из-за рисков, которые они взять. Но они намного счастливее, приковывая себя к своим сиденья, зная, что все, что они собираются попробовать, уже проверено в аэродинамической трубе!

Проверка статики

Хотя аэродинамические трубы наиболее известны испытанием новых самолетов и космических ракет - транспортных средств, которые через (теоретически) статический воздушный поток - их также можно использовать в обратном направлении: для моделирования того, как быстро движущиеся ветры влияют на статических конструкций, таких как высотные здания и мосты.Архитекторам и инженерам-строителям необходимо учитывать не только нагрузки, которые сильный ветер накладывает на их конструкции (буквально, могут ли здания сдуваться), но и то, как такие вещи, как небоскребы, улавливают ветер и отталкивают его на уровень земли, создавая «нисходящие сквозняки» и потенциально опасные вихри, которые могут дуть люди с ног. Подобные проблемы легко изучить и исправить с помощью реалистичных моделей в аэродинамических трубах.

Кто изобрел аэродинамическую трубу?

Фото: проект НАСА 1948 года для сверхзвуковой аэродинамической трубы.Любезно предоставлено Исследовательским центром Эймса НАСА.

Большинство людей согласятся, что братья Райт проделали ловкий трюк, когда первый полет с двигателем в декабре 1903 года. Уловка! Они потратили годы на изучение аэродинамики и усовершенствовали конструкцию своих крыльев, которые они назвали «самолетами». Пока Райты сделали большинство испытаний на открытом воздухе, современные самолеты с большей вероятностью будут испытываться в помещении - благодаря проницательность британского авиационного инженера-самоучки Фрэнка Уэнама (1824–1908), который изобрел аэродинамическую трубу в 1871 году.В отличие от огромных современных туннелей, оригинал Уэнама имел (как он сам выразился) «ствол 12 футов [3,7 м] в длину и 18 дюймов [46 см] в квадрате, чтобы направлять течение горизонтально и параллельно», и воздух, который свистел вокруг он двигался не быстрее 64 км / ч (40 миль в час). Сравните это с самой большой в мире современной аэродинамической трубой в Исследовательском центре НАСА Эймса, которая более чем в 100 раз длиннее (430 м или 1400 футов в длину), имеет испытательную секцию с общей площадью 24 м × 37 м (80 футов × 120 футов) и производит ветер. до 185 км / ч (115 миль / ч).Подобные современные аэродинамические трубы в огромном долгу перед забытыми первопроходцами, такими как Уэнам, чьи идеи помогли открыть современную науку аэродинамики, позволив миллионам из нас подниматься в небо каждый божий день!

Дополнительная литература

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

Статьи

  • Октябрь 1960: Высокоскоростные аэродинамические трубы от Джона Экселла. Инженер, 15 октября 2014 г. Захватывающий вид на классические установки для испытания ветра 1960-х годов недалеко от Престона, Англия.
  • 27 мая 1931 года: Аэродинамическая труба позволяет самолетам «летать» по земле, автор Джейсон Паур. Wired, 27 мая 2010 г. Празднование открытия первой в мире полномасштабной аэродинамической трубы, которая открылась на Лэнгли Филд недалеко от Хэмптона, Вирджиния, в мае 1931 года.
  • Внутри массивной аэродинамической трубы GM, автор Чак Скватриглиа. Wired, 16 октября 2008 г. На что действительно похожа аэродинамическая труба внутри? Предлагаем вам увлекательный фототур по туннелю, предназначенному для испытаний автомобилей.
  • Ultimate Test Макса Гласкина: инженер, 15 января 2008 г.Как в автоспорте используются аэродинамические трубы для катания на дороге.
  • «Борьба в аэродинамической трубе, чтобы не слышать звук» Джим МакГроу. Нью-Йорк Таймс. 21 октября 1998 г. Старая, но интересная (и все еще актуальная) статья, описывающая, как автопроизводители используют тесты в аэродинамической трубе, чтобы уменьшить неприятный шум ветра.
  • Аэродинамические трубы, используемые по-новому, Вальтер Томашевски. The New York Times, 30 августа 1970 года. В статье из архива Times объясняется, как аэродинамические трубы использовались для таких вещей, как дизайн небоскребов в конце 1960-х годов.Одним из выдающихся пионеров этой работы был Джек Чермак из Университета штата Колорадо.
  • Аэродинамическая труба Райта 1901 года: Wright-Brothers.org, без даты. Захватывающий фотографический вид туннеля, который Райт использовал для своих экспериментов (второй в США).

Книги

Патенты

Для более глубоких технических деталей стоит взглянуть на патенты - и вот несколько примеров, которые я для вас вытащил. В файле есть еще десятки, некоторые из которых касаются конструкции туннеля, а другие сосредоточены на том, как можно поддерживать или перемещать модели для имитации реалистичных движений самолетов.Вы можете найти гораздо больше, выполнив поиск в базе данных USPTO (или альтернативе, такой как Google Patents):

  • Патент США 1 635 038: Аэродинамическая труба для полета моделей. Автор Элиша Фалес, 5 июля 1927 года. Фалес работал в Воздушной службе армии США и внес важный вклад в науку об аэродинамике. В 1918 году, работая с Фрэнком Колдуэллом, он построил первую высокоскоростную (хотя и дозвуковую) аэродинамическую трубу в Соединенных Штатах для испытания конструкции пропеллера.
  • Патент США 2152317: Аэродинамическая труба и метод определения контуров линий тока Альберта Дж.Kramer, 28 марта 1939 г. Этот патент описывает подготовку моделей для испытаний в аэродинамической трубе.
  • Патент США 2677274: сверхзвуковой аппарат в аэродинамической трубе, автор Аллен Пакетт, 4 мая 1954 г. Когда самолеты направлялись к звуковому барьеру, то же самое сделали и аэродинамические трубы! В этом патенте описаны некоторые проблемы испытаний в высокоскоростной аэродинамической трубе и способы их решения.
  • Патент США 2711648: Механизм поддержки модели аэродинамической трубы, автор Ральф Карлстранд, Northrop Aircraft, Inc., 28 июня 1955 г.Как вы имитируете колебания и флаттер в аэродинамической трубе, если ваша модель неподвижна? Вам нужен механизм, который может воспроизвести эти движения в вашей модели.
  • Патент США 3111843: Гиперзвуковая аэродинамическая труба Раймонда Фредетта, Cook Electric, 26 ноября 1963 г. Есть ли предел скорости полета самолета? В этом нам помогают аэродинамические трубы.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2008, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2019) Аэродинамические трубы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/windtunnel.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте ...

.

Компоненты весов в аэродинамической трубе: проектирование и калибровка

Лучший способ понять строгие требования, предъявляемые к весам в аэродинамической трубе, - это изучить следующий пример, где оцениваются приблизительные числа, участвующие в проблеме.

На испытательной секции в низкоскоростной аэродинамической трубе 2,0x2,0 м при испытательной скорости около 50 м / с с использованием модели среднескоростного самолета в крейсерских условиях подъемная сила будет составлять примерно 150 Н, а сопротивление будет варьироваться от 10 до 12 Н для условий высокой аэродинамической эффективности.Для этого типа авиамоделей точность коэффициента сопротивления должна быть более 0,5 отсчета сопротивления, что означает, что точность баланса в направлении сопротивления должна быть выше 0,015 Н.

Для случая Измерения статических нагрузок, когда есть только один компонент, точность может быть или не быть очень жестким требованием. Но в случае с аэродинамическими трубами, где мы намереваемся одновременно измерять до 6 компонентов, сил и импульсов, на модели под действием аэродинамических нагрузок, с некоторыми нестационарными членами из-за вибраций; Среди прочего, можно ожидать следующих проблем:

Во время настройки новых весов собственной разработки все эти моменты были тщательно изучены, и приобретенный опыт является основой для этого пункта.

4.1. Инерционные нагрузки на весы

При испытании аэродинамической модели в аэродинамической трубе измеряемые силы и импульсы поступают из разных источников. Самыми важными из них являются аэродинамические силы и моменты, но можно ожидать и других нежелательных нагрузок. Несмотря на то, что противовесы в аэродинамической трубе обязательно должны быть очень жесткими из-за опоры модели и других элементов, трудно избежать колебательных движений модели из-за аэродинамических нагрузок. Эти вибрации вызывают силы инерции и импульсы на весах и могут отрицательно повлиять на достоверность и / или точность измерений.Также следует ожидать некоторого внутреннего шума системы сбора данных. Силы инерции и электронный шум нежелательны, их следует измерять вместе с аэродинамическими нагрузками; поскольку они не присутствуют в модели свободного полета, изучение и оценка их влияния на преследуемые результаты очень важны.

Инерционные нагрузки, возникающие при испытаниях в аэродинамической трубе, будут сильно зависеть от испытательной установки и ее компонентов, поэтому необходимо провести конкретное исследование каждой конфигурации. Тем не менее, процедура, критический анализ измерений и диапазон влияния этих нежелательных нагрузок одинаковы для всех конфигураций испытаний в аэродинамической трубе, поэтому результаты, представленные в этих параграфах, будут представлять большой интерес для инженеров, проводящих испытания в аэродинамической трубе.

Мы можем начать делать некоторые приблизительные вычисления, чтобы показать истинную величину инерционных нагрузок. Если мы рассмотрим амплитуду порядка 0,5 миллиметра и частоту колебаний в направлении потока (сопротивления) около 5 Гц, которые являются очень репрезентативными истинными значениями, колебания модели вызывают ускорения в диапазоне 0,49 м / с 2 . Если масса модели составляет, то есть 50 кг, возникающие силы инерции будут порядка 24 Н, что по порядку величины соответствует величине сопротивления, которое должно быть измерено.Это причина того, почему эти инерционные нагрузки должны быть тщательно изучены, чтобы определить их величину, форму и связь с аэродинамическими нагрузками.

В первую очередь необходимо определить частоту дискретизации электронного сигнала, которая необходима для точного определения составляющих инерции и, таким образом, определения истинного аэродинамического сигнала. Наложение спектров - эффект, который приводит к тому, что различные дискретизированные сигналы становятся неразличимыми, - в нескольких публикациях используется в качестве эталона для выбора частоты дискретизации.Теорема выборки, часто называемая теоремой выборки Найквиста, утверждает, что непрерывный сигнал может быть правильно выбран, если выполняется следующее выражение (Smith, 1997):

Частота выборки2 * Band WideE1

Следуя этому правилу, если у нас есть частотный сигнал около 5 Гц можно сказать, что для наших целей достаточно частоты дискретизации более 10 Гц. Как мы покажем, в нашем случае этого недостаточно по нескольким причинам: исследование частоты сигнала не будет точным, а частота дискретизации будет влиять на результаты измерения.Частота дискретизации должна быть достаточно высокой, чтобы получить точные результаты и избежать предыдущих проблем. В настоящее время частота дискретизации систем балансировки в аэродинамической трубе намного выше, чем максимальная ожидаемая частота сигнала, индуцированного на балансе аэродинамическими силами и силами инерции, таким образом, упомянутые проблемы преодолены, как и эффект наложения спектров. Кроме того, с современными компьютерными возможностями управление большим объемом данных больше не является проблемой. Высокая частота дискретизации также дает преимущества в уменьшении случайного шума, возникающего в системе сбора данных (DAQ).

При использовании низких частот дискретизации важно обеспечить, чтобы дискретизированный сигнал содержал полные циклы, чтобы никакие частичные циклы не включались в расчет среднего значения сигнала и стандартного отклонения. Значения, полученные при включении, например, полуволны, могут вызвать значительные отклонения относительно правильных результатов. Однако этот эффект заметен только при низкой частоте саженцев и исчезает при использовании высокой частоты дискретизации.

Чтобы гарантировать, что шум измеряемого сигнала достаточно низкий для нашей цели, отношение сигнал / шум (SNR) должно быть выше 3, условие, которое гарантирует распознаваемость каждого сигнала.Хотя это мягкое требование к доступному в настоящее время оборудованию, всегда присутствует шумовой сигнал, который не является желательным случайным сигналом. Один простой и эффективный метод, который можно применить для подавления шумового сигнала, - это усреднение по времени. Этот метод, представленный в нескольких публикациях (Lohninger, H., 2010), заключается в многократной регистрации и суммировании сигнала, действие, которое применяется к стабильному сигналу, устраняет шумовой сигнал (наши аэродинамические нагрузки и инерционные нагрузки должны быть стабильными. за сотни циклов после того, как система перейдет в устойчивое состояние).Высокая частота дискретизации положительно влияет на этот метод шумоподавления.

Перед началом аэродинамических испытаний были проведены некоторые механические испытания для определения основной частоты всей системы, баланс плюс модель. Были вызваны два свободных колебательных движения: в направлении потока и в колебаниях по рысканью. В обоих условиях измеряли реакции на весах. Анализ сигналов показал, что основная частота такого движения без принуждения составляла примерно 5,2 Гц. В принципе, это основная частота, которую следует учитывать в следующем анализе, и будет показано, что эта основная частота не изменяется из-за вынужденных колебаний из-за аэродинамических нагрузок.

При определении минимальной частоты дискретизации, обеспечивающей точные результаты, необходимо учитывать несколько соображений. Наиболее важными из них являются, как уже было сказано, точность результатов и определение основной частоты инерции. Первые измерения, хотя частота основных сил инерции уже известна, должны выполняться с высокой частотой дискретизации, как минимум на 2 порядка величины выше ожидаемой частоты вибрации (для полного анализа рекомендуется даже 3 порядка величины. ).Как объяснено ниже в этом тексте, это позволит провести надлежащее исследование частотной области, поскольку частотные компоненты не теряются из-за низкой частоты дискретизации. В центре внимания точность результатов. Частота дискретизации оказывает важное влияние на среднее значение измеряемого сигнала, которое в конце процесса является аэродинамической нагрузкой, которую мы хотим измерить. В следующем примере ясно показано влияние частоты дискретизации. На рисунке 6 показано среднее значение реального сигнала в аэродинамической трубе, рассчитываемое каждую секунду для общей длительности сигнала 20 секунд (синяя линия).Сигнал одинаковый для всех графиков, единственная разница заключается в частоте дискретизации от 2.500 Гц, что примерно на 3 порядка выше механической основной частоты, до 10 Гц, вдвое большей основной частоты. Линейная регрессия этих средних значений также показана на всех рисунках. Последний график представляет собой представление всего среднего значения сигнала за полные 20 секунд в зависимости от частоты дискретизации.

Как показано на рисунке 6, для низких частот дискретизации, 10 Гц и 20 Гц, которые имеют тот же порядок величины, что и частота дискретизации Найквиста для этого сигнала, точность и надежность среднего значения низкие.Линейная регрессия и среднее значение имеют важные отклонения. Однако частота дискретизации 100 Гц дает хорошие результаты, хотя эта частота, как показано на графике среднего значения усредненной силы, находится на пределе. Для более высоких частот дискретизации, таких как 500 Гц и 2500 Гц, точность среднего значения силы очень хорошая.

Рис. 6.

Графики среднего значения силы сигнала, рассчитываемого каждую секунду. Пять графиков для разных частот дискретизации сигнала: 2.500, 500, 100, 20 и 10 Гц. График зависимости среднего значения всей усредненной силы от частоты дискретизации.

Тогда можно сказать, что минимальная частота дискретизации для получения точных результатов должна быть как минимум на 2 порядка выше частоты дискретизации Найквиста. Даже если использованная частота дискретизации была очень высокой, всегда рекомендуется выполнять это исследование, чтобы понять все происходящие явления.

После проведения соответствующих измерений можно изучать свойства сигнала. Интересно знать частотные составляющие сигнала (например, частоту сил инерции), но их идентификация путем представления во временной области обычно является сложной задачей.Более глубокое изучение измеренных сигналов с помощью преобразования Фурье позволяет получить частотные составляющие сигнала. Одним из быстрых подходов к этому исследованию преобразования Фурье является выполнение дискретного преобразования Фурье, которое идентично выборкам преобразования Фурье на равноотстоящих частотах, с использованием метода быстрого преобразования Фурье (БПФ) (Oppenheim & Schafer, 1989). В частотной области легко идентифицировать каждый из различных источников сигнала. Чтобы четко показать влияние каждого источника измерений, ниже будут представлены реальные измерения.Они были взяты в аэродинамической трубе ИТЭР, которая оснащена весами собственного производства, которые представляют собой точный баланс 6 механически развязанных компонентов аэродинамической трубы.

Низкоскоростная аэродинамическая труба ITER (ITER-LSWT) имеет испытательную секцию 2,0x2,0 м и длиной 3,0 м. В текущей конфигурации, включающей устройства для уменьшения турбулентности, максимально допустимая скорость составляет 50 м / с, при уровне турбулентности ниже 0,5%. Модель, используемая для испытаний, представляет собой часть крыла, которая все еще находится в стадии проектирования, для использования в самолетах с солнечной батареей, с шнуром 667 мм и 1.Размах 990 мм.

Важно взглянуть на частотный спектр сигналов с критической точки зрения. Недостаточно определить основную частоту, а только амплитудный спектр частот и их важность по сравнению с постоянным сигналом (частотный сигнал ~ 0 Гц), который представляет собой аэродинамическую силу, действующую на модель. Это ясно показано на Рисунке 7, где сигнал нанесен как во временном, так и в частотном спектрах.

Основная частота сигнала сил инерции немного выше 5,0 Гц, такая же, как для механической свободной вибрации, а его амплитудное значение по сравнению с полной амплитудой сигнала составляет около 75%.

Большинство весов получают значения сил и моментов из комбинации нескольких измерений тензодатчиков. Тогда можно подумать, что исследования результирующей нагрузки может быть достаточно для определения инерционного поведения системы, но это не так. правда. Перед изучением комбинации каналов измерения важно изучить частотные характеристики каждого сигнала измерительного канала. На рисунке 8 показан результирующий сигнал двух ячеек, которые измеряют составляющую сопротивления на балансе ITER-LSWT.В этом случае, хотя есть выбор частоты для того же значения, что и для одиночного анализа, следует указать, что основное движение инерции происходит примерно на 10 Гц.

Хорошо видно, что в комбинированном сигнале, хотя небольшой пик появляется на 5,0 Гц, основная частота колебаний составляет 10 Гц. Однако на рисунках 9 и 10 показаны 2 измеренных сигнала, комбинация которых приводит к предыдущему сигналу силы сопротивления.

Это происходит из-за нескольких совпадений: модель симметрична, оба датчика веса расположены на одинаковом расстоянии вдоль симметричной модели, а ось инерционной вибрации, индуцированная на модели аэродинамическим потоком, перпендикулярна плоскости датчика нагрузки.Таким образом, когда сигналы обоих каналов суммируются, компоненты инерции аннулируются. Это очень хороший пример, чтобы подчеркнуть необходимость независимого изучения сигнальных каналов до расчета сил и импульсов, хотя в крайнем случае, с другой моделью или в другой конфигурации аэродинамической трубы такое поведение не могло произойти.

Рис. 7.

Представление измеренного сигнала в напряжении при частоте дискретизации 2,500 Гц аэродинамической модели в ITER-LSWT при скорости ветра 20 м / с и при угле прикрепления 8º.График сигнала во временной области в течение 20 секунд. Графики сигнала в частотной области с различными масштабами амплитуды, с составляющей сигнала 0 Гц и без нее.

Рис. 8.

Представление результирующего сигнала силы, комбинация двух ячеек сопротивления, при частоте дискретизации 2,500 Гц аэродинамической модели, представленной в ITER-LSWT, при скорости ветра 40 м / с и под углом прикрепить 8º. График сигнала во временной области в течение 20 секунд. Графики сигнала в частотной области с компонентом сигнала 0 Гц и без него.

Рис. 9.

Представление сигнала канала 1 при частоте дискретизации 2,500 Гц аэродинамической модели, представленной в ITER-LSWT, при скорости ветра 40 м / с и при угле прикрепления 8º. График сигнала во временной области в течение 20 секунд. Графики сигнала в частотной области с компонентом сигнала 0 Гц и без него.

Рис. 10.

Представление сигнала канала 2 при частоте дискретизации 2.500 Гц аэродинамической модели, представленной в ITER-LSWT, при скорости ветра 40 м / с и при угле прикрепления 8º.График сигнала во временной области в течение 20 секунд. Графики сигнала в частотной области с компонентом сигнала 0 Гц и без него.

Из-за особых характеристик аэродинамических моделей влияние в измерениях сопротивления гораздо более важно, чем в других силах и количествах, таких как измерения подъемной силы, поэтому настоятельно рекомендуется сосредоточить внимание на тех каналах, которые связаны с меры силы сопротивления.

4.2. Помехи опоры модели

Внешние противовесы используются в качестве фиксирующего элемента аэродинамической трубы, однако тестовые модели являются взаимозаменяемыми элементами.Система поддержки модели - это механическое звено между балансом и моделью. Есть несколько типов и размеров опор, но все они могут мешать аэродинамическим измерениям. Два происхождения помех можно выделить:

  1. Аэродинамических силы в системе поддержки модели.

  2. Аэродинамическая интерференция между системой поддержки модели и самой моделью.

Возникновение и влияние каждого из помех зависит от формы, размера и расположения по отношению к модели, но почти во всех случаях, в основном в авиационных целях, система поддержки модели является еще одним источником проблем для точного измерение сопротивления.

Прямая фиксация модели на весах может быть лучшим вариантом, чтобы избежать помех, но это решение будет работать в нескольких и очень специфических случаях, например, для половинных крыльев или половинных моделей самолетов. Во всех других случаях, представляющих интерес, например, при испытаниях крыльев, гондол, целых самолетов… невозможно избежать наличия более или менее сложной опоры; поскольку модель должна быть размещена более или менее посередине испытательной камеры, а аэродинамические силы должны передаваться на весы. Более того, очень часто для авиационных испытаний, как минимум, угол атаки модели должен быть переменным, что усложняет опору и, следовательно, создает больше помех.

За исключением некоторых случаев, система поддержки неизбежна. Количественная оценка влияния и методы вычитания помех являются ключевыми моментами для повышения точности измерений. Если используется очень жесткая опора, ее сопротивление и влияние на модель могут быть очень важными, еще раз в порядке значений, которые должны быть измерены для условий крейсерского полета. С другой стороны, размер опорных обтекателей будет меньше, если мы просто обтачиваем опоры, но в этом случае сопротивление опор также становится очень важным.

Существует несколько методов вычитания вклада опоры в измерения балансовых сил и импульсов. Здесь представлены три метода с совершенно разными концепциями:

  • Экспериментальный метод: Проведя серию измерений перед размещением модели, можно определить аэродинамический вклад опоры. Однако с помощью этого метода возможные аэродинамические помехи между опорой и моделью не рассматриваются. В случае, если след от опор не влияет на модель, и наоборот, взаимное влияние будет незначительным, но в другом случае взаимное влияние опоры на модель можно изучить более подробно.Это очень распространенный метод, так как другие нежелательные нагрузки также исключаются из модели и веса опоры.

  • Теоретический метод: теоретические расчеты аэродинамических сил и импульсов на опорах можно вычесть из измерений в аэродинамической трубе. Геометрия обтекателя опор должна быть известной и общепринятой, с обширной и контрастной библиографией, чтобы теоретические расчеты аэродинамических сил и импульсов были достаточно надежными. Профиль опорных обтекателей должен быть симметричным, а его угол атаки должен составлять 0º, чтобы генерировать только силу сопротивления и одну составляющую количества движения.Также необходимо оценить возможные помехи между опорой и моделью и наоборот.

  • Гибридный метод: это сочетание обоих предыдущих методов, обеспечивающее более легкую экспериментальную часть и более надежную теоретическую часть (Horsten & Veldhuis, 2009).

После того, как опорные силы и импульсы были измерены или вычислены, удобно получить коэффициенты аэродинамических сил и импульсов, сделанные безразмерными, используя те же характерные поверхность и размеры, что и для модели, чтобы иметь возможность подложить эти коэффициенты к измеренным.Также удобно тестировать опоры для того же диапазона числа Рейнольдса (Re), что и тестируемая модель, тогда должна быть возможность получить подобранную кривую для каждого коэффициента, обычно в зависимости от Log (Re).

.

Испытание в аэродинамической трубе теперь доступно обычному человеку

Если вы хотите купить самодельную аэродинамическую трубу, то на сайте sciencebuddies.org вы найдете все необходимое. Они проделали огромную работу, документируя, как они построили свою собственную аэродинамическую трубу. Большая часть конструкции сделана из фанеры, а испытательная камера сделана из оргстекла, чтобы оператор мог визуально наблюдать за тем, что происходит во время испытания. Обычный вентилятор с двухскатным креплением обеспечивает поток воздуха, вы можете установить один на чердаке, чтобы он оставался прохладным.Единственными не широко доступными компонентами являются датчики силы, которые передают данные в компьютер для регистрации.

Эта самодельная аэродинамическая труба работает так же, как и большинство аэродинамических труб открытого цикла. Воздух поступает в сужающийся конус, где входное отверстие больше, чем выходное. Такое уменьшение размера камеры ускоряет поступление воздуха в туннель. Затем воздух проходит через отстойную камеру, которая выравнивает любой турбулентный поток воздуха, пропуская воздух через экран или сетку.Далее идет тестовая секция, где модель устанавливается на датчики силы. Датчики в этой конкретной аэродинамической трубе настроены для измерения силы, возникающей в результате выталкивания воздуха назад на модель (подумайте о сопротивлении), а также того, сколько подъемной силы создается геометрией модели (в данном случае аэродинамическим профилем). К тому времени, когда воздух достигает этой точки, он движется прямо и параллельно туннелю, что позволяет избежать нежелательных сил турбулентного воздуха, воздействующих на модель. В идеале все силы, приложенные к модели, будут прямым результатом аэродинамических свойств модели.Любые датчики скорости ветра также будут размещены в этом разделе. Сзади от испытательной секции находится диффузор, представляющий собой камеру, которая замедляет поток воздуха за счет постепенного увеличения размера поперечного сечения. Последняя часть аэродинамической трубы - это приводная секция, в которой находится вентилятор. Установка вентилятора в конце туннеля звучит нелогично, но это снижает турбулентность входящего воздуха.

.

Смотрите также