В своей недавней статье про ультразвуковые метео-измерения, я рассказывал про оборудование для метеорологии, которое с успехом используется для регистрации основных метеорологических характеристик, таких как температура, давление, влажность, скорость и направление ветра и только вскользь затронул вопросы настройки и испытания этих приборов. Основной же задачей для такого типа оборудования является, в первую очередь, точное измерение скорости ветра. Но как смоделировать воздушный поток в достаточно широких пределах? Решением проблемы является создание аэродинамической трубы. Казалось бы, что проще сделать такую установку? Ставь мощный вентилятор и готово! Однако, не все так просто! Давайте более внимательно рассмотрим работу аэродинамической трубы и её устройство. А для большей наглядности я приехал в один из томских Институтов Академии наук, где по моей просьбе показали и включили аэродинамическую трубу и я снял небольшое 3-х минутное видео её работы для читателей GeekTimesКак это работает?
Аэродинамическая труба — техническое устройство, предназначенное для моделирования мощных воздушных потоков и воздействия этих потоков на различные предметы. Применение труб в аэродинамике базируется на принципе обратимости движений и теории подобия физических явлений. Объектами испытаний в аэродинамических трубах являются модели натурных летательных аппаратов или их элементов, а также различные метеорологические приборы, автомобили и т.п.
В нашем же случае в аэродинамической трубе тестируется ультразвуковые метеостанции, которые должны регистрировать скорость ветра вплоть до 50-60 м/с. Так выглядит труба, о которой я пишу в этой статье.
Шестьдесят метров в секунду — очень серьезный воздушный поток. Создается поток, конечно, при помощи всасывающего устройства — ракушки с приводом от мощного электродвигателя.
Однако, это позволяет создать относительно не большие потоки воздуха и самое главное — поток будет не равномерный, как говорят физики — не ламинарный. В нем будут присутствовать турбулентности, которые будут искажать качество потока. Как решить эту проблему?
Элементы конструкции
Для того, чтобы внутри трубы создать качественный воздушный поток (т.е. обеспечить ламинарное течение воздуха), необходимо его разбить на множество мелких потоков. Делается это при помощи вот такой конструкции.
Это своеобразное воздушное забрало, в которое врывается воздух и проходит через тысячи отверстий, на подобие сетки (или пчелиных сот) с очень крупным шагом.
В результате поток воздуха становится более упорядоченный (рисунок сверху), по сравнению с исходным — турбулентным (рисунок ниже).
Эта массивная металлическая конструкция называется ханикомб. От англ. Honeycombs — вытертости под сгибами колен джинс сзади, действительно чем-то напоминают пчелиные соты. Источник
Но каким не был бы мощным двигатель, не всегда удается развить необходимый воздушный поток при условии сохранения его ламинарности. Иногда приходится ускорять поток принудительно. Для этого используется воздушное сопло. Этот узел в определенных пределах, но очень эффективно ускорят воздушный поток до необходимых скоростей воздуха. Однако, чтобы такое ускорение случилось — необходим перепад давления. Для этого после ханикомба устанавливают камеру разрежения (форкамеру), где такой перепад обеспечивается, затем ускоренный поток идет в рабочую зону аэродинамической трубы, где он направляется на исследуемый объект.
В общем устройство по своему принципу действия достаточно простое, но требует качественного изготовления всех узлов, четкого соблюдения геометрических характеристик, качества внутренних поверхностей, где не допускаются выступы, скосы, не обработанные сварные швы и т.д. В идеале внутренняя поверхность трубы должна быть полностью отполирована. Ну а как работает труба — прошу посмотреть 3-х минутное видео. Кстати, это совсем небольшая аэродинамическая труба. Малютка. Её полезный рабочий объем — 40Х40 см. Но это позволяет тестировать большинство метеорологических приборов, таких как этот
Аэродинамические трубы чрезвычайно металлоёмки, поэтому цена такого оборудования нелинейно зависит от размеров рабочей области и может достигать под час и миллионов долларов!
Всем хорошего дня!
Комментарии (18)
Kelt_Rivera
16.11.2016 09:53+8Honeycomb — это и так соты (можете почитать про сотовые наполнители, например), и часто они имеют именно гексагональные ячейки (совсем как у пчел). Не совсем понятно, при чем тут джинсы. По поводу металлоемкости: необязательно делать трубу металлической. Вполне можно сделать и из фанеры, никаких особых принципиальных ограничений тут нет. И по поводу сопла у вас все как-то смешалось и перепуталось: сопло разгоняет поток (попутно, кстати, уменьшая неравномерность), но перепад давления обеспечивает не какая-то форкамера, а, непосредственно, компрессор («улитка»), о котором вы сначала говорили.
И ещё в целом хотелось бы прояснить по поводу труб:
1)Труба, о которой вы пишете, имеет открытый тип (т.е. воздух гоняется не по кругу, а выбрасывается со стороны компрессора. Это не очень энергоэффективно, но для 50-60м/с (что на самом деле — не такие уж высокие скорости), с этим можно мириться. Да и поток ровнее на входе получается.
2) Соты (honeycomb) на входе нужны не для того, чтобы сделать поток ламинарным. В комнате, в общем-то, и так резких порывов ветра нет, так что поток более-менее равномерный на входе. Они нужны, в первую очередь, для того, чтобы направить поток строго вдоль оси. В трубы обычно ставят экраны (это просто решетка), чтобы выровнять поток по сечению, а за ним — соты, чтобы направить его вдоль оси. На высокой скорости при прохождении таких сот поток, наоборот, мог бы стать из ламинарного турбулентным :).
3)Давление перед соплом всегда больше давления после сопла по крайней мере для дозвуковых сопел (условно часть потенциальной энергии потока в виде давления превращается в кинетическую в виде, собственно, скорости после сопла), поэтому непонятно, о какой камере разряжения идет речь.
Об остальном, вроде бы, уже сказал.
Успехов автору в написании дальнейших статей. Будем надеяться, что метеорологи, все-таки, смогут перейти на более современные приборы.ivan01
16.11.2016 15:22Про соты вы глубоко заблуждаетесь, именно чтобы сделать поток ламинарным. Вы их не путайте с направляющими лопатками в контуре трубы.
Kelt_Rivera
16.11.2016 17:54позволю себе не согласиться. Действительно, соты подавляют поперечные пульсации скорости (и продольные, если соты достаточно длинные), но у них есть и другое предназначение, а именно — выравнивание потока вдоль оси трубы. Могу тут даже процитировать небольшую статью «Basic Principles of Wind Tunnel Design» (да и в других источниках об этом есть):
The role of the settling chamber, which is upstream of the contraction area, is to eliminate swirl and unsteadiness from the flow. The settling chamber includes a cpecial honeycomb and series of screens. As long as a flow's yaw angles are not greater than 10 degrees, a honeycomb is the most efficient device for removing swirl and lateral velocity variations and to make the flow more parallel to the axial axis
К тому же тут труба отрытая, а особой турбулентности в стоячем воздухе комнаты не найти, так что тут соты, по-видимому, в основном именно для выравнивания потока вдоль оси.ivan01
16.11.2016 18:12После прохождения конфузора поток и без сетки будет идти вдоль оси. Если воздух в комнате такой весь из себя без возмущений, то откуда взяться тогда невыравненному потоку? В статье говорится про трубу открытого или закрытого типа? Ханикомб здесь просто чтобы не думать над всей этой фигней, и получить поток с известными параметрами перед конфузором и исключить влияние условий на входе. Отдельный вопрос как быстро будет турбулизироваться течение на входе без ханикомба и какие гетерогенные структуры там возникнут.
impetus
16.11.2016 16:02не обязательно соты — можно просто сетку поставить — тоже очень хорошо поток выравнивает — буквально через два-три калибра ячеи поток одинаковый по всему сечению. Мы на дозвуковой мегаваттной трубе много всего перепробовали — просто стальная сетка из тонкой (0.2мм) проволоки с ячейкой сантиметр самым простым решением оказалась. Если не хватает — можно уменьшить ячею или постаить несколько подряд
Kelt_Rivera
16.11.2016 17:32в общем-то, про это я и написал. Сетка (экран) выравнивает поток по сечению за счет потери полного давления. Её еще в диффузорах ставят порой, чтобы не давать возникнуть отрывам. А соты, по-идее, стоит ставить после нее, чтобы именно направить поток. Направляющие лопатки-лопатками, но поток они все равно могут выравнивать недостаточно (ну и они только по одному направлению действуют).
Если не секрет — какая у вас площадь у сечения там, где стоит сетка? Интересует именно с практической точки зрения :) и заодно уж размеры рабочей зоны и скорость, если не секрет.impetus
17.11.2016 15:35~метр квадратный, от 5 до 60м/с чаще всего, увы, действительно секрет — на территории закрытого нии… сам стенд старый, много раз под конкретные задачи переделывлся, но работы на нём иногда идут грифованные, а с этой публикой лучше перебдеть…
Andy_Big
16.11.2016 14:09+1камеру разряжения
РазрЕжения, может быть? Или там действительно что-то разряжается (теряет заряд)?Kelt_Rivera
16.11.2016 17:26Виноват, каюсь. Писал в порыве эмоций, так что просто скопировал у автора. Конечно же разрежения.
ivan01
16.11.2016 15:19+2Что за лютый писец я только что прочитал?!
«Ракушка» название даже не для школьников а для детсадовцев, это центробежный насос.
Ханикомб в дословном переводе — пчелиные соты, какие нафиг джинсы?! Единственное его предназначение — уменьшение степени турбулентности потока, все.
Единственное предназначение форкамеры это востановление изотропности турбулентности после ханикомба.
Основное предназначение конфузора — дальнейшее снижение интенсивности турбулентности.
Обычная труба открытого типа, с излишне завышенной стоимостью судя по фотографии, так много блестящего металла.
Кстати, какая интенсивность турбулентности в рабочей зоне?impetus
16.11.2016 16:07Это он «улитку» у центробежного нагнетателя так перевёл.
Ализар же. О том, что далеко не всегда нагнетатели центробежные, и далеко не все центробежные — с «улиткой», уж умолчим.
hardegor
16.11.2016 19:39Блестящий металл как я понимаю полированная нержавейка для снижения трения у стенок.
Интенсивность турбулентности не измеряли, но в планах есть.
akinchicantonvasilevich
Мило, но я бы добавил контента, а так достаточно подробное описание отдельно взятой аэродинамической трубы, без скатывания в дебри аэродинамики и математического анализа.