Способ определения аэрогидродинамических сил

Способ определения аэрогидродинамических сил

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сеез, Советских

Сецианнстическик

Республик

«»879354

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, (63) Дополнительное к авт. свид-ву(22) ЗаЯвлено 230479 (2!) 2756957/40-23 (53)М. Кл с присоединением заявки ¹

601 М 9/00

Государственный комитет

СССР

IIo дмам нзобретеннй я открытнй (23) Приоритет—

Опубликовано 07.1181. Бюллетень № 41 (53) УДК 533. 6. .072(088.8) Дата опубликования описания 0711.81 (72) Автор изобретения

В.И.Тараторин

;!

Московский ордена Трудового Красного Ъйвменн инженерно-строительный институт им.В.В.Куйбышева (7!) Заявитель (54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

СИЛ .

Изобретение относится к аэрогидродинамическим испытаниям и может быть использовано,для определения сил взаимодействия жидкости газа с поверхностями при малых возмущениях или ма5 лых числах Рейнольдса в процессе обтекания летательных аппаратов, кораблей, гидротехнических сооружений, а также в биомеханике — при течении крови в сосудах, в металлургии — при течении жидкого металла по изложницам, в вулканологии — при течении магмы из кратера вулкана.

Известен способ определения аэродинамических сил, основанный на !5 испытаниях тел илн их моделей в потоке аэродинамической установки,при котором силы взаимодействия получают путем обработки данных голографической интерферометрии структуры 20 обтекания тела (1).

Известен также способ определения аэрогидродинамнческих сил, включающий помещение модели в рабочую среду и задание относительного их дви-2

-25 движения, моделирующего обтекания тела потоком натурной среды, освещение поляризованным светом и регистрацию интерференционной картины взаимодействия рабочей среды с поверх- 30

2 ностью модели- (2). Относительное движение модели и рабочей среды осуществляется за счет обеспечения истечения газа из сопла аэродинамической установки, модель изготавливают из фотоупругого материала, что позволяет определять по теневым интерференционным картинам внутренние напряжения в модели.

Однако известные способы весьма дорогостоящие, так как требуют для создания потока рабочей среды (rasa нли жидкости) специальных сложных аэрогидродинамических установок. Кроме того, в случае необходимости обеспечения исследований моделей малого масштаба и при малых возмущениях натурной среды или малых числах Рей" нольдса (большой вязкости среды и малых ее скоростях течения) использование аэрогидродинамических установок малоэффективно из-за невозможности обеспечить достаточную надежность и хорошую точность результатов исследований..

Целью изобретения является обеспечение исследований на маломасштабных моделях и при малых возмущениях натурной среды или при малых числах

Рейнольдса.

879354 ки 1 и 2 из жести, выполненные в виде куба с ребром L=240 мм, покрытые изнутри силиконовым каучуком, куда заливают жидкую эпоксидную смолу с отвердителем.

Исследования проводят методом "замораживания" деформаций, для чего температуРу в термостате поднимают до 120 С и выдерживают в течение 2 ч о для равномерного прогрева фотоупругой среды. К основной модели 3 через тягу 6 прикладывают нагрузку Q =100 кг и с помощью индикатора 8 определяют соответствующее смещение модели 3

U>=0,038 см в фотоупругой среде с модулем сдвига G =70 кг/см при

f5 о

- .=120 С. После охлаждения до комнатной температуры и "заморажйвания" деформаций производят разрезку блоков 1 и 2 с моделями 3 и 4, просвечивание срезов поляризованным светом

26 и вычитание контрольной картины блока

2 из основной для устранения искажений, вносимых усадкой и температурными деформациями.

Фактическая сила сопротивления N® р5 равна силе Ц за вычетом равнодействующей давления g/r, -на основании куба фотоупругой среды со стороной 4

Таким образом, и н н, 1

®н.мСОЕ ммм о .гДе 3Н, М- хаРактеРные РазмеРы натУРного объекта и модели, соответственно см

Я 960 Н 8,6 с.СЬ с см

-г — 0,038см 2см

4,6,10Н сс

Точное решение этой задачи (см., н например Л.И.Седов. Механика сплошной среды, т.2, М., "Наука", 1970, с.235) дает величину силы сопротивления Н 6® НЧнйн 4,8.ЛО Н, которая отличается от экспериментального значен я лишь на 4%. Безразмерные нормальные избыточные и касательные напряжения расчитываются по формулам

2R(6>-p) 2к Gz г - Оо --CONG, G " ЗРУ -51ne

По интерференционной картине взаимодействия фотоупругой пластинки с

60 моделью определяют напряжения на поверхности моделио л, .

Напряжения на натуре объекта определяются из соотношения д

65 1)Н Л М G „„О„„Е

Укаэанная цель достигается тем, что в способе .определения аэрогидродинамических сил, включающем помещение модели в рабочую среду и задание относительного их движения, моделирующего обтекание .тела потоком натурной среды, освещение поляризованным светом и регистрацию интерференционной картины взаимодействия рабочей среды с поверхностью модели, модель помещают в фотоупругую рабочую среду и прикладывают смещающую относительно среды силу, не превышающую по величине предела упругой ее связи с поверхностью модели. ,При этом в качестве фотоупругой рабочей среды используют полимерный материал в высокоэластичном состоянии.

Кроме того, в качестве полимерного материала для рабочей среды применяют отвержденную эпоксидную смолу при температуре 100-150 С.

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 — кривые, иллюстрирующие возможности способа по определению нормальных и касательных напряжений на поверхности шара (диска)при его движении в вязкой .жидкости.

В блоки 1 и 2 фотоупругой среды, выполненные в виде кубических емкостей, заполненных отвержденной эпоксидной смолой, помещены соответственно исследуемая 3 и эталонная контрольная) 4 модели. Блоки размещены в термостате 5. Исследуемая модель

3 с помощью тяги 6 соединена с рычаж- З5 ным нагрузочным устройством 7,.снабженным индикатором перемещений 8.Эталонная модель 4 снабжена свободной тя гой 9, аналогичной тяге 6.

Направление величины смещения V> модели 3 относительно фотоупругой среды с модулем сдвига G задается совпадающим с направлением скорости Н натурного объекта в вязкой среде с известным коэффициентом вязкости,4Н .

Пример. Определяют силу-сопротивления и напряжения на поверхности при движении с постоянной скоростью ЧН =3 см/с шара. радиусом

К =10 см в глицерине с вязкостью,4Н=

=8,5 r/c см. Две модели 3 и 4 шара радиусом КМ =2 см изготовляют из эбонита с коэффициентом линейного расширения < =7 10 1/град, близкого к коэффициенту линейного расширения фотоупругой среды,.модуль сдвига которой 6 =15000 кг/см

2.

В модели 3 и 4 вворачивают стальные тяги 6 и 9 диаметром 2 мм. Noдели 3 и 4 для лучшего сцепления с фотоупругой средой обезжиривают, а тяги 6 и 9 покрывают силиконовым каучуком,. чтобы обеспечить свободные смещения относительно фотоупругой среды. Модели 3 и 4 помещают в блоПодставляя числовые величины,получают. ф/м =98 кг.

Сила сопротивления движения шара в глицерине определяется из полученного методом теории разномерностей соотношения

879354

Соотношения (1) и (2) основаны на тождественности уравнений движения газов и жидкостей при постоянной скорости движения и относительно малых числах Рейнольдса, с одной стороны, и уравнений равновесия упругих твердых сред — с другой (при этом принимается во внимание то, что размерности . комбинаций,ОнЧн и (j® Uщ входя их в уравнения состояния одинаковы).

На поверхности тела и жидкости или газа вследствие прилипания отсутству- ют относительное проскальзывание и отрыв, что моделируется упругой связью модели с фотоупругой средой. При нестационарном взаимодействии твердых тел с жидкостью основное влияние на резонансные частоты ЫН оказывает сжимаемость. При этом должно выполнятся основное условие пообия:

Формула изобретения

2. Авторское свидетельство СССР, 9 174403, кл. G 01 М 9/00, 1967 (прототип ).

Рн Сн Рм См, )

Рй Сн Р м Св где Π— плотность и С вЂ” скорость звука в твердом теле и в модели, 75 плотность и С вЂ” cKopocTb звуо ка в жидкости и в фотоупругой среде.

Движение идеальной жидкости и фотоупругой среды оказывается потенциальным и описывается одинаковыми дифференциальными уравнениями, отку.— да при наличии упругого сцепления модели с фотоупругой средой следует соотношение для определения резонансных частот для натурного объекта

35 по резонансным частотам модели

РмСм м м NH

")н pÄcÄ vÄ eÄ а .") где %Н, 9V --соответственно возмущающие силы, действующие на натурный объект и модель. При определении напряжений на поверхности твердого тела основное значение имеет осевая (нормальная) составляющая тензора напряжениГ Q > -- p>, которая может быть 45 определена на плоских моделях методом голографической интерферометрии при просвечивании моделей в поляризованном свете и пересчитана на натуру: 50

Уйсн и ), (5) Н o e м

Pw СуЩл )м

При неустановившемся движении в идеальном газе или жидкости с малыми возмущениями акустические волны распространяются по тем же законам, что и упругие продольные волны в фотоупругой среде, что позволяет изучать явления отражения, преломления gp и дифракции акустических волн на фотоупругих моделях.

Представленные на фиг.2 данные по определению нормальных 6,;=p> и касательных (7 напряжений (отмече- 65 ны точками) и сравнение. их с расчетными величинами (сплошные кривые) свидетельствуют о надежности и хорошей точности разработанного способа исследований.

Данный способ определения аэрогидродинамических сил по сравнению с другими известными обеспечивает получение следующего положительного эф" фекта: а) возможность проведения испытаний на маломасштабных моделях; б) уменьшение затрат на проведение испытаний путем отказа от дорогостоящих аэрогидродинамических установок, в)одновременное определение сил сопротивления и распределения напряжений на обтекаемой поверхности.

1. Способ определения аэрогидродинамических сил, включающий помещение модели в рабочую среду и задание относительного их движения, моделирующего обтекание тела потоком натурной среды, освещение поляризованным с светом и регистрацию интерференционной картины взаимодействия рабочей среды с поверхностью модели, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения исследований на маломасштабных моделях и при малых возмущениях натурной среды или маЛых числах Рейнольдса, модель помещают в фотоупругую рабочую среду и прикладывают смещающую относительио среды силу, не превышающую по величине предела- упругой ее связи с поверхностью модели.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве фотоупругой рабочей среды используют полимерный материал. в высокоэластичном состоянии»

3. Способ по пп.1.и 2, о т л ич а ю шийся тем, что в качестве полимерного материала для рабочей среды применяют отвержденную эпоксидную смолу при температуре 100»»

150 С.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Sien Т.-F Ragsdalе W.С., Spring Ч.Ch. Quantitative applications of holographic interfегоmetry

to wind-tunnel testing. N01. TR-74-9б, 1974.