Техника и методы аэрофизического эксперимента

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ»

д-р техн, наук, проф. (председатель) НВ. Пустовой д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) ГИ Расторгуев

д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов
д-р техн. наук, проф. В.И. Гужов
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г Дубровский
д-р экон. наук, проф. К.Т. Джурабаев
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
д-р техн. наук, проф. В.И. Максименко
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов
д-р техн. наук, проф. Ю.Г Соловейчик
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор
д-р экон. наук, проф. ВИ. Титова
д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров

А.М. ХАРИТОНОВ




ТЕХНИКА И МЕТОДЫ АЭРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА













НОВОСИБИРСК
2010

УДК 533.6.01(075.8)
     Х207





Рецензенты:
академик РАН, проф. Э.П. Волчков, канд. техн. наук, лауреат Государственной премии С.Г. Деришев


      Харитонов А.М.
X 207 Техника и методы агрофизического эксперимента: учебник / А.М. Харитонов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 643 с. - (Серия «Учебники НГТУ»).
           ISBN 978-5-7782-1683-9
           Изложены основы моделирования условий полета летательных аппаратов в агрофизическом эксперименте и подробно рассматривается техника экспериментирования при дозвуковых, трансзвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях. Обсуждаются основные принципы, схемные и конструктивные особенности современных аэродинамических труб и газодинамических установок. Детально описаны самые современные средства и методы измерений параметров потока и визуализации течений.
           В таком объеме эти проблемы рассмотрены лишь в монографиях, которые вышли из печати в 60-х годах прошлого столетия. С одной стороны, они уже стали библиографической редкостью, а с другой, за прошедшие почти 40 лет появились существенно отличающиеся, новые экспериментальные установки. Техника и методы агрофизического зксперимента обогатились новыми принципами и методологией исследований. Значительно ускорился процесс совершенствования измерительных средств и оборудования для азродинамических лабораторий. В практику зкспериментальной агро динамики все больше внедряются новые достижения физики и глектроники. Эти соображения послужили основанием для переиздания учебника, который был опубликован в двух частях: в 2005 г. - часть 1, а в 2007 г. - часть 2. Настоящее, второе, издание наряду с исправлениями и добавлениями включает обе части.
           Книга рассчитана на студентов старших курсов вузов, специализирующихся в области авиа- и ракетостроения, и будет полезной аспирантам, инженерам, а также научным работникам авиационно-космической и других отраслей промышленности.

УДК 533.6.01(075.8)

ISBN 978-5-7782-1683-9                          © Харитонов А.М., 2011
© Новосибирский государственный технический университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие...........................................................11

Введение...............................................................14

Основные обозначения.....................................23
Ч а с т ь 1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ.........................................27

Глава 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ В АЭРОФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ.29

   1.1. Условия динамического подобия потоков........................29
     1.1.1. Условия подобия сил трения при ламинарном течении и сил инерции ...........................................................31
     1.1.2. Условия подобия сил трения и сил инерции при турбулентном течении........................................................33
     1.1.3. Условия подобия сил тяжести и сил инерции................34
     1.1.4. Условия подобия сил давления в несжимаемой жидкости и сил инерции........................................................35
     1.1.5. Условия подобия сил давления в сжимаемой жидкости и сил инерции........................................................36
     1.1.6. Условия подобия сил инерции при неустановившемся течении.38
     1.1.7. Условия подобия аэродинамических сил и сил упругости.....39
   1.2. Условия теплового подобия потоков............................41
   1.3. Метод размерностей. л-теорема................................44
   1.4. Полное и частичное подобие...................................47
   1.5. Трубы переменной плотности...................................49
   1.6. Моделирование при гиперзвуковых скоростях....................51
Глава 2. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ ДОЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ.................55

   2.1. Основные элементы аэродинамических труб малых скоростей.......56
   2.2. Форкамера.....................................................58
   2.3. Сопло.........................................................62

   2.4. Рабочая часть..................................................68
   2.5. Диффузор.......................................................70
   2.6. Вентиляторная установка и поворотные колена....................73
   2.7. Качество и экономичность труб..................................75
   2.8. Расчет аэродинамических труб малых скоростей...................76

Глава 3. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ...81

   3.1. Трансзвуковые аэродинамические трубы............................82
     3.1.1. Сверхзвуковое течение в рабочей части с камерой Эйфеля......86
     3.1.2. Течение в рабочей части с замкнутой камерой Эйфеля..........87
   3.2. Выравнивающее действие перфорированной границы в сверхзвуковых течениях..............................................................91
   3.3. Расчет течений в рабочей части с незамкнутой камерой Эйфеля.....95
   3.4. Течение в околозвуковой рабочей части при наличии в ней модели..98
   3.5. Трансзвуковые трубы криогенного типа...........................101

Глава 4. ИДЕАЛЬНОЕ ТЕЧЕНИЕ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ТРУБАХ..107

   4.1. Сопла сверхзвуковых труб........................................
   4.2. Рабочие части сверхзвуковых аэродинамических труб...............
   4.3. Диффузоры сверхзвуковых аэродинамических труб...................
   4.4. Газовый эжектор.................................................
     4.4.1. Основные уравнения эжектора.................................
     4.4.2. Газовый эжектор с перфорированным соплом....................
   4.5. Осушка и подогрев воздуха.......................................
   4.6. Конденсация воздуха. Необходимость подогрева осушенного воздуха.
   4.7. Сверхзвуковая труба ИТПМ Т-313..................................

107
113
119
127
131
135
136
139
142

Глава 5. ГИПЕРЗВУКОВЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ.....147

  5.1. Трубы Людвига.........................................151
  5.2. Импульсные трубы с разрядной камерой..................153
  5.3. Ударные трубы.........................................163
  5.4. Ударные трубы с легким и тяжелым поршнем..............175
  5.5. Аэродинамические трубы адиабатического сжатия.........178
  5.6. Баллистические трассы.................................188
  5.7. Гиперскоростные аэродинамические трубы с МГД-ускорением потока воздуха...................................................193
Часть!. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АЭРОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ............197
Глава 6. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................................199

   6.1. Механические весы..............................................202
   6.2. Весовые элементы аэродинамических весов........................210
   6.3. Аэродинамические весы механического типа АВ-313М................214
   6.4. Аэродинамические весы тензометрического типа...................220
     6.4.1. Тензодатчики сопротивления.................................221
     6.4.2. Принципы устройства тензометрических весов.................226
     6.4.3. Градуировка внутримодельных аэродинамических весов.........236

ОГЛАВЛЕНИЕ

7

   6.5. Комбинированные измерения аэродинамических характеристик.......240

   6.6. Электромагнитные весы........................................248

Глава 7. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЙ.................257

   7.1. Измерения статических давлений....................................257
      7.1.1. Измерения распределения статических давлений на моделях......258
      7.1.2. Приемники статических давлений...............................262

   7.2. Измерения полного давления...................................266
   7.3. Пневмометрические методы измерения скоростей.................273
   7.4. Источники погрешностей измерения давлений....................282
   7.5. Регистрирующие приборы для измерения давлений................286
     7.5.1. Жидкостные монометры.....................................287
     7.5.2. Механические монометры...................................292
     7.5.3. Электрические датчики давления...........................295
   7.6. Многоточечные измерения давлений в аэродинамическом эксперименте.303

Глава 8. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУР И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ.311

   8.1. Методы и средства измерения температуры....................312
     8.1.1. Основные понятия и определения.........................312
     8.1.2. Контактные методы измерения температур.................315
     8.1.3. Бесконтактные методы измерения температуры.............321
     8.1.4. Оптическая пирометрия..................................323
     8.1.5. Термоиндикаторные покрытия.............................326
   8.2. Методы измерения тепловых потоков..........................331
     8.2.1. Калориметрический метод измерения тепловых потоков.....332
     8.2.2. Градиентные датчики теплового потока...................338
     8.2.3. Методика определения тепловых потоков с использованием термоиндикаторных покрытий....................................341
     8.2.4. Тепловизионный метод измерения тепловых потоков........345
     8.2.5. Оптический метод измерения тепловых потоков............350
Глава 9. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНИХ И МГНОВЕННЫХ СКОРОСТЕЙ..........................................................355

   9.1. Методы, основанные на измерении скорости введенных в поток частиц.356
     9.1.1. Измерение скорости посредством трассирования потока ионами....357
     9.1.2. Измерение скорости с помощью светящихся частиц.............358
     9.1.3. Лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС)..............359
   9.2. Измерение средних и мгновенных скоростей с помощью термоанемометра...............................................................365
     9.2.1 . Градуировка термоанемометрических зондов..................373
     9.2.2 Тепловые потери нити при сверхзвуковых скоростях............377
     9.2.3 Метод измерения напряжений Рейнольдса.......................385

9.3. Другие методы измерения скоростей.........................389
     9.3.1. Акустический анемометр................................389
     9.3.2. Методы, основанные на измерении подъемной силы и сопротивления.......................................................394
     9.3.3. Метод рассеянного света для измерения пульсационных характеристик ламинарных и турбулентных течений жидкостей..........396
     9.3.4. Электроискровой метод измерения скорости.............399
Глава 10. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО ТРЕНИЯ.................403

   10.1 Прямые методы измерения поверхностного трения................405
     10.1.1. Метод плавающего элемента...............................405
     10.1.2. Метод лазерной интерферометрии масляной пленки..........411
   10.2. Косвенные методы измерения поверхностного трения............416
     10.2.1. Методы, основанные на универсальности профилей скорости в турбулентном пограничном слое.................................416
         10.2.1.1. Поверхностные трубки полного напора...............421
         10.2.1.2. Метод Престона....................................424
     10.2.2. Методы, основанные на обтекании препятствий в пограничном слое............................................................427
     10.2.3. Метод аналогий между поверхностным трением и теплопередачей ............................................................431
     10.2.4. Методы поверхностных линий тока.........................436
   10.3. Электродиффузионный метод измерения поверхностного трения...441
Глава 11. МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЙ................................445

   11.1. Методы визуализации течений капельных жидкостей и газовых потоков..............................................................
     11.1.1. Красящие вещества (введение красителей и/или электрохимия)...
     11.1.2. Метод водородных пузырьков.............................
     11.1.3. Введение в поток твердых частиц........................
     11.1.4. Введение в поток дыма..................................
   11.2. Методы визуализации течений в пристенных областях моделей..
     11.2.1. Метод шелковинок.......................................
     11.2.2. Маслосажевая визуализация поверхностных линий тока.....
     11.2.3. Метод стробоскопической визуализации потоков...........
     11.2.4. Метод визуализации полей скорости по изображениям движущихся частиц.............................................
     11.2.5. Метод визуализации поверхностных давлений..............
   11.3. Оптические методы визуализации течений.....................
     11.3.1. Теневые методы исследований газовых потоков............
     11.3.2. Интерференционные методы...............................
     11.3.3. Голографические методы.................................

447
447
450
452
455
458
458
460
463

466
470
472
473
481
485

ОГЛАВЛЕНИЕ

9

     11.3.4. Метод «лазерного ножа».......................................487
     11.3.5. Электронно-пучковая диагностика..............................493

Глава 12. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА......................................497

   12.1. Основные понятия автоматизированного эксперимента...........497
     12.1.1. Цели и задачи автоматизации экспериментальных исследований.498
     12.1.2. Типовая схема системы автоматизации экспериментальных исследований......................................................499
   12.2. Измерительная система.......................................501
     12.2.1. Сигналы в измерительной системе.........................501
     12.2.2. Электронные компоненты измерительной системы............502
   12.3. Подключение экспериментального оборудования к ЭВМ...........505
     12.3.1. Непосредственное подключение оборудования к компьютеру..505
     12.3.2. Магистрально-модульные системы сбора данных. Система КАМАК...........................................................506
   12.4. Автоматизированные комплексы сбора экспериментальных данных.510
     12.4.1. Автоматизация сбора данных медленно протекающих процессов..510
     12.4.2. Системы сбора данных быстро протекающих процессов.......511
     12.4.3. Автоматизация весовых испытаний.........................512
   12.5. Системы сбора и обработки экспериментальных данных..........514
     12.5.1. Типовой измерительный комплекс в стандарте КАМАК........514
     12.5.2. Встраиваемые системы сбора экспериментальных данных.....515
     12.5.3. Одно- и многоуровневые системы автоматизации...............517
     12.5.4. Системы ввода и обработки панорамных изображений........519
12.6. Информационные технологии в системах автоматизации эксперимента................................................................520
     12.6.1. Хранение экспериментальных данных в ЭВМ.................520
     12.6.2. Сетевые технологии в автоматизированном эксперименте....524
   12.7. Программное обеспечение систем автоматизации................527
     12.7.1. Использование штатного программного обеспечения.........528
     12.7.2. Разработка специализированного программного обеспечения.529
     12.7.3. Система графического программирования LabVIEW...........531
     12.7.4. Использование системы MATLAB для обработки данных.......533
Глава 13. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА..................537

   13.1. Погрешности средств измерений и результатов измерений.......538
     13.1.1. Классификация погрешностей средств и результатов измерений.538
     13.1.2. Методы нормирования погрешностей средств измерений......543
     13.1.3. Классы точности.........................................544
     13.1.4. Оценка погрешности результатов измерения по паспортным данным средств измерений...........................................546

13.1.5. Правила округления значения результата измерения и его погрешности .........................................................547
     13.1.6. Оценка погрешности косвенных измерений.....................548
     13.1.7. Погрешности определения числа Маха в аэродинамическом эксперименте ........................................................553
13.2. Методы вероятностного описания результатов измерений и их погрешностей..........................................................557
     13.2.1. Описание случайных величин с помощью функции распределения ..............................................................559
     13.2.2. Математическое ожидание и дисперсия........................564
     13.2.3. Нормальный закон распределения случайных величин...........569
     13.2.4. Точечные оценки............................................573
     13.2.5. Оценки параметров с помощью интервалов.....................577
   13.3. Математическая обработка исправленных результатов измерений....588
     13.3.1. Обнаружение грубых погрешностей............................588
     13.3.2. Способы обнаружения систематических погрешностей...........590
     13.3.3. Проверка нормальности распределения результатов измерений..594
     13.3.4. Обработка результатов прямых измерений.....................597
     13.3.5. Обработка результатов косвенных измерений..................602

Приложение.......................................................607

П1. Таблица для расчета изоэнтропических течений.........................607
П2. Таблица для расчета соотношений на прямом скачке.....................613
П3. Углы распространения слабых возмущений «о и функции Прандтля-Майера f (М).........................................................618
П4.1-П4.3. Таблицы к главе 13............................................621

Библиографический список

625

            Предисловие







основу книги положен цикл лекций, который тридцать лет читается студентам четвертого курса факультета летательных аппаратов

Новосибирского государственного технического университета, специализирующимся по гидроаэромеханике. Этот цикл включает два самостоятельных раздела и призван ознакомить студентов с разнообразием аэродинамических труб и газодинамических установок, а также с методами и средствами измерений параметров потока и характеристик обтекания моделей летательных аппаратов во всем диапазоне от малых дозвуковых до гиперзвуковых скоростей.

В книгу включены также две главы, которые являются предметом отдельных курсов, но вместе с тем дополняют общую методологию экспериментирования: глава 12 «Средства автоматизации аэродинамического эксперимента» написана доцентом, канд. физ.-мат. наук В.М. Гилевым и глава 13 «Основы обработки результатов эксперимента» - доцентом, канд. физ.-мат. наук И.И. Мажуль.
     В таком объеме эти проблемы рассмотрены лишь в монографиях [1, 2, 68, 70], которые вышли из печати в середине 60-х - 70-х годов прошлого столетия. С одной стороны, они уже стали библиографической редкостью, а с другой - за прошедшие 40 лет и техника, и методы аэрофизического эксперимента обогатились новыми принципами и методологией исследований. Что же касается большого числа книг по аэрогазодинамике, изданных как в России, так и в других странах, то в них упомянутые выше проблемы обсуждаются избирательно и/или весьма конспективно. Эти соображения послужили основанием для переиздания двух книг, опубликованных в разные годы в серии «Учебники НГТУ»: часть 1 - в 2005 г., часть 2 - в 2007 г. Настоящее, второе, издание этого учебника, наряду с исправлениями и добавлениями объединяет обе части в один том. В нем использован материал некоторых учебников, монографий и статей, опубликованных в последние годы, список которых приве

ден в конце книги.
     В последние два десятилетия появились новые экспериментальные установки, существенно отличающиеся от прежних. Значительно ускорился процесс совершенствования измерительных средств и оборудования для аэроди-