Способ и устройство для организации течения воздушного потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы больших дозвуковых скоростей с наличием акустической камеры Российский патент 2024 года по МПК G01M9/00 

Дозвуковые аэродинамические трубы (АДТ) замкнутого контура с открытой рабочей частью широко используются для проведения испытаний крупномасштабных моделей летательных аппаратов и натурных винтов перспективных вертолетов. Также используются для изучения обтекания наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и других промышленных объектов. Важным назначением таких АДТ является проведение акустических испытаний.

В аэродинамических трубах с открытой рабочей частью свободная струя потока имеет следующую структуру: центральное ядро окружено пограничным слоем, в котором происходит резкое падение скорости от внутренней границы слоя к внешней. Пограничный слой увеличивается по мере удаления от сопла.

Внутри пограничного слоя происходит передача кинетической энергии рабочего потока окружающему воздуху. Последний увлекается струей потока и транспортируется вдоль рабочей части, т.е. струя производит эффект, аналогичный действию эжектора. Это явление сопровождается сильным вихреобразованием и является источником значительных потерь энергии, вследствие чего потери в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью значительно превосходят потери на трение в трубе с закрытой рабочей частью при одинаковых их длинах (Абрамович Г.Н. Аэродинамика потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы // Труды ЦАГИ. - 1935. Вып. 223, 236; Теория турбулентных струй под редакцией Г.Н. Абрамовича. - М.: Наука, 1984 [1]).

Существенная доля пульсационной составляющей в ядре потока вызвана распространением гидродинамических возмущений, генерируемых в пограничном слое струи кольцевыми вихрями. Разрушение данных вихрей в диффузоре приводит к акустическим волнам, которые распространяются по всему тракту и инициируют в свою очередь образование новых вихрей в слое смешения (Стрелков С. П., Бендриков Г. А., Смирнов Н. А. Пульсации в аэродинамических трубах и способы демпфирования их // Труды ЦАГИ. - 1946. Вып. 593. [2]).

Данная система взаимодействия акустических и гидродинамических возмущений является автоколебательной и имеет свои резонансные режимы, характеризующиеся строго периодическим образованием кольцевых вихрей вследствие акустического воздействия. Частота и амплитуда периодических пульсаций увеличиваются с увеличением скорости потока, что приводит к резкому повышению степени турбулентности потока в рабочей части трубы и вибрациям ее конструкции. Интенсивность периодических колебаний давления в аэродинамических трубах со свободной струей, особенно при большой скорости потока, настолько велика, что конструкция трубы и здание, в котором она помещается, могут заметно вибрировать, что угрожает их целостности. Неизбежные, при наличии пульсаций, тряска, вибрации модели и измерительной аппаратуры вносят недопустимые погрешности в результаты испытаний. Уничтожение или, по крайней мере, существенное ослабление пульсаций является необходимым условием эксплуатации таких аэродинамических труб.

Для предотвращения повышенных пульсаций, вызванных резонансными явлениями, известны методы, обеспечивающие снижение интенсивности крупномасштабных вихревых структур в слое смешения путем внесения в него поперечных возмущений [2]. Для этого на выходной кромке сопла устанавливают различные устройства (например, пластинки), выступающие в поток. Однако, эти решения не позволяют полностью преодолеть указанную проблему. Важным элементом рабочей части, влияющим на возможности АДТ, является входное устройство диффузора. Наиболее часто оно выполняется в виде специальным образом спрофилированного конфузорного участка на входе в диффузор (фиг. 1). При этом весь слой смешения вводится в канал трубы с последующим удалением избытка воздуха из канала посредством специально организованных в оболочке трубы отверстий. Такого типа входные устройства применены в некоторых дозвуковых АДТ ЦАГИ и немецко-голландской АДТ LLF DNW. Однако, указанная компоновка входного устройства диффузора в известных АДТ не позволяет получать скорости рабочего потока более 80 м/с по обозначенной выше причине [2]. Более привлекательной является компоновка входного устройства диффузора (фиг. 2), реализованная в АДТ ЦАГИ. В отличие от варианта фиг. 1 в этом случае значительная часть слоя смешения не вводится в канал трубы, а сбрасывается через кольцевой канал и безвозвратно рассеивается. Опыт эксплуатации АДТ ЦАГИ подтверждает эффективность указанной компоновки (фиг. 2), благодаря применению которой в открытой рабочей части успешно реализуется скорость потока до 100 м/с.

Целесообразность применения таких входных устройств диффузора подтверждается и проведенными патентными исследованиями технических решений в области разработки гасителей низкочастотных колебаний потока в дозвуковых АДТ с открытой рабочей частью, выполненных на уровне изобретений, и защищенных отечественными и зарубежными патентами (RU 2603234 С1, 18.06.2015; RU 2605643 С1, 16.10.2015; US 2004089065 А1, 13.05.2004; DE 0010049533 А1, 25.04.2002; US 6997049 В2, 14.02.2006; CN 110319997 A, 29.03.2018).

К недостаткам компоновки входного устройства диффузора в варианте, показанном на фиг. 2, следует отнести необходимость наличия значительного по размеру помещения вокруг аэродинамической трубы, в котором должно происходить рассеивание выводимой через кольцевой канал струи. Указанный подход не может быть реализован в случае необходимости создания АДТ с открытой рабочей частью, окруженной акустической камерой с относительно небольшими габаритными размерами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является решение CN 110319997 A, 29.03.2018, в котором АДТ содержит рабочую часть, окруженную акустической камерой, и используется входное устройство диффузора.

Кроме того, для проведения испытаний натурных винтов современных скоростных вертолетов требуется достижение скорости потока в открытой рабочей части до 140 м/с и более. Такие скорости потока в настоящее время оказались не достижимы из-за существенного роста вибраций элементов конструкции входных устройств диффузора (5), представленных в вариантах, показанных на фиг. 1 и 2.

Задачей, решаемой данным изобретением, является реализация в открытой рабочей части дозвуковой АДТ с наличием акустической камеры режимов со скоростью потока более 100 м/с, с низким уровнем фонового шума (менее 70 дБ) и высоким качеством рабочего потока. При этом, высокое качество рабочего потока характеризуется неоднородностью поля скоростей ≤ 1%, степенью турбулентности в ядре потока при максимальной скорости ≤ 0,2 %, скосами потока ≤ 0,2°.

Техническим результатом предлагаемого способа и устройства для организации течения воздушного потока в открытой рабочей части АДТ с наличием акустической камеры является уменьшение потерь энергии, увеличение скорости потока в рабочей части, стабилизация температуры за счет воздухообмена с окружающей средой, уменьшение пульсаций рабочего потока и снижение уровня фонового шума.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что устройство для организации течения воздушного потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы, содержащей сопло и диффузор, с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры, выполнено в виде кольцевого раструба и соединено при помощи обводного канала, расположенного за пределами акустической камеры, с выходным устройством, выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла, при этом обводной канал снабжен регулируемыми задвижками. Вблизи от входного сечения диффузора по периметру его стенки выполнены сквозные отверстия.

Способ организации течения воздушного потока между соплом и диффузором в открытой рабочей части АДТ с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры, характеризуется тем, что диффузор снабжают входным устройством, выполненным в виде кольцевого раструба, и посредством обводного канала соединяют с выходным устройством, выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла, при этом обводной канал размещают за пределами акустической камеры, снабжают задвижками, расположенными внутри него, которыми регулируют направление потока в канале, обеспечивая увеличение скорости потока в рабочей части и/или замещение нагретого воздуха из канала на холодный воздух из внешней среды.

На фиг. 3 представлено заявляемое решение, где:

1 - сопло;

2 - открытая рабочая часть;

3 - диффузор;

4 - отверстия;

5 - входное устройство диффузора;

6 - акустическая камера;

7 - обводной канал;

8.1, 8.2, 8.3 - регулируемые задвижки;

9 - выходное устройство.

Устройство для организации течения воздушного потока в открытой рабочей части (2) аэродинамической трубы, содержащей сопло (1) и диффузор (3), с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры, содержит входное устройство (5) диффузора (3), выполненное в виде кольцевого раструба и соединенное обводным каналом (7) с выходным устройством (9), выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла (1), при этом обводной канал (7) расположен за пределами акустической камеры (6) и снабжен задвижками (8.1, 8.2, 8.3). Диффузор (3) имеет вблизи входного сечения по периметру его стенки сквозные отверстия (4).

В способе организации течения воздушного потока в открытой рабочей части (2) АДТ с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры (6), диффузор (3) снабжают входным устройством (5), выполненным в виде кольцевого раструба, и посредством обводного канала соединяют с выходным устройством (9), выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла (1), при этом обводной канал (7) размещают за пределами акустической камеры (6), снабжают задвижками (8.1, 8.2, 8.3), расположенными внутри него. Обеспечивается возможность увеличения скорости потока в рабочей части, а также организации воздухообмена между рабочим воздухом и внешней средой.

Воздух, поступающий через входное устройство диффузора (5) в обводной канал (7), посредством открытия задвижки (8.2) направляется в кольцевой канал, расположенный вокруг выходного сечения сопла и далее в рабочую часть, создавая спутный поток вокруг рабочей струи, при этом скорость основного потока увеличивается.

В дозвуковой АДТ замкнутого контура с акустической камерой ее рабочая часть изолирована от окружающей среды стенками акустической камеры. При продолжительной работе со скоростью потока более 100 м/с воздух в тракте нагревается до достаточно высоких температур вследствие работы электропривода, что негативно сказывается на работе измерительного оборудования. Для проведения качественного аэрофизического эксперимента и минимизации приборных погрешностей датчиков и тензовесов требуется поддержание достаточно равномерного температурного режима в тракте и обеспечение температуры потока в рабочей части не более 40°С. Таким образом, требуется схема охлаждения рабочего воздуха в АДТ.

При закрытии задвижки (8.2) и открытии задвижек (8.1) и (8.3) часть нагретого воздуха, поступающего от входного устройства диффузора, может быть замещена на более холодный воздух из окружающей среды, в результате чего достигается охлаждение рабочего потока в тракте трубы. Оптимальный режим работы АДТ достигается комбинированием степени открытия соответствующих задвижек.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет значительную часть окружающего рабочую струю слоя смешения, которая не вводится в диффузор АДТ, направить в начало рабочей части и обеспечить создание спутного потока вокруг рабочей струи, в результате чего сохраняется часть энергии потока и увеличивается скорость потока в рабочей части, снижается интенсивность крупномасштабных вихревых структур в слое смешения, уменьшается уровень турбулентности и пульсаций давления в рабочем потоке, что подтверждается аналитическими данными [1] и численными расчетными исследованиями. В зависимости от положения задвижек в обводном канале часть нагретого воздуха, поступающего от входного устройства диффузора, при необходимости может быть замещена на воздух из окружающей среды для обеспечения охлаждения рабочего потока в тракте АДТ.

На фиг. 4 представлены результаты численного расчета течения в открытой рабочей части с наличием акустической камеры и отводом слоя смешения в начало рабочей части. Согласно численным расчетным исследованиям предлагаемое устройство позволит достигать увеличение скорости потока в рабочей части на 10-20 % без увеличения мощности привода по сравнению с обычно используемыми компоновками рабочих частей. При этом сохраняются показатели по низкому уровню фонового шума (менее 70 дБ) и высокому качеству рабочего потока (неоднородность поля скоростей ≤ 1%, степень турбулентности в ядре потока при максимальной скорости ≤ 0,2 %, скосы потока ≤ 0,2°).

Изобретение относится к аэродинамическим трубам и может быть использовано для проведения различных испытаний крупномасштабных моделей летательных аппаратов, в том числе натурных винтов перспективных вертолетов, наземного транспорта, зданий, сооружений, мостов, проведения акустических испытаний. Устройство для организации течения воздушного потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы (АДТ), которая содержит сопло и диффузор, с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры включает входное устройство диффузора, выполненное в виде кольцевого раструба и соединенное при помощи обводного канала, расположенного за пределами акустической камеры, с выходным устройством, выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла, при этом обводной канал снабжен регулируемыми задвижками. Вблизи от входного сечения диффузора по периметру его стенки выполнены сквозные отверстия. Способ организации течения воздушного потока между соплом и диффузором в открытой рабочей части АДТ с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры характеризуется тем, что диффузор снабжают входным устройством, выполненным в виде кольцевого раструба, и посредством обводного канала соединяют с выходным устройством, выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла. При этом обводной канал размещают за пределами акустической камеры, снабжают задвижками, расположенными внутри него, которыми регулируют направление потока в канале, обеспечивая увеличение скорости потока в рабочей части и/или замещение нагретого воздуха из канала на холодный воздух из внешней среды. Технический результат заключается в уменьшении потерь энергии, увеличении скорости потока в рабочей части, стабилизации температуры за счет воздухообмена с окружающей средой, уменьшении пульсаций рабочего потока и снижении уровня фонового шума. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для организации течения воздушного потока в открытой рабочей части аэродинамической трубы (АДТ), содержащей сопло и диффузор, с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры, включающее входное устройство диффузора, отличающееся тем, что входное устройство диффузора выполнено в виде кольцевого раструба и соединено при помощи обводного канала, расположенного за пределами акустической камеры, с выходным устройством, выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла, при этом обводной канал снабжен регулируемыми задвижками.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вблизи от входного сечения диффузора по периметру его стенки выполнены сквозные отверстия.

3. Способ организации течения воздушного потока между соплом и диффузором в открытой рабочей части АДТ с дозвуковой скоростью более 100 м/с и наличием акустической камеры, характеризующийся тем, что диффузор снабжают входным устройством, выполненным в виде кольцевого раструба, и посредством обводного канала соединяют с выходным устройством, выполненным в виде кольцевого канала и расположенным вокруг сопла, при этом обводной канал размещают за пределами акустической камеры, снабжают задвижками, расположенными внутри него, которыми регулируют направление потока в канале, обеспечивая увеличение скорости потока в рабочей части и/или замещение нагретого воздуха из канала на холодный воздух из внешней среды.