Вертикальная аэродинамическая труба

Основные характеристики

Согласно законам аэродинамики, для обеспечения полета в атмосфере земли любого аппарата важно знать:

• Аэродинамическое сопротивление (ось X), оказываемое потоками воздуха на объект. Исходя из этого параметра подбирается мощность силовой установки.
• Подъемную силу (ось Y), обеспечивающую набор высоты и позволяющую аппарату лететь горизонтально к поверхности земли.
• Моменты аэродинамических сил по трем осям координат, действующих на летящий объект. Наиболее важным является момент боковой силы по оси Z (Mz), направленной поперек самолета (условно вдоль линии крыла). Он определяет степень продольной устойчивости (будет ли аппарат «нырять» или задирать нос вверх при полете).

В серебристо-синем чреве

— Есть там кто, в трубе? — спрашивает по телефону Алёна Злотникова, пресс-секретарь Московского государственного строительного университета, на территории которого в прошлом году построили самую большую в России аэродинамическую трубу.

Получив положительный ответ, девушка предлагает мне следовать за ней. Мы идём длинными переходами, которые сами по себе напоминают гигантскую трубу. Вдруг перед нами возникает дверь. За ней обычный кабинет. Там сотрудники МГСУ собирают из деревянных панелей макет аэропорта. Прямо из этой комнаты через другую дверь мы попадаем в чрево трубы.

У входа деревянная табличка: «Большая градиентная аэродинамическая труба. Длина — 19 метров. Ширина — 4 метра. Высота — 2,5 метра. Максимальная скорость в рабочей зоне — 31 м/с». Труба похожа огромную серебристо-синюю змею, ползущую под землёй. 19 метров — это только её рабочая зона, общая длина составляет около 92 метров. Мы стоим внутри трубы, но ветра не чувствуем — гигантская установка выключена.

Максимальная скорость, до которой она разгоняет воздух, — 31 метр в секунду. По шкале Бофорта это «жестокий шторм». Именно такая скорость ветра была зафиксирована во время урагана, обрушившегося на Москву летом 1998 года. Тогда погибли 8 человек, свыше 150 получили ранения. Почти тысяча домов осталась без электричества, более двух тысяч зданий были серьёзно повреждены. Общий ущерб от урагана превысил миллиард рублей.

— Вот сюда! На этот круг становиться нельзя, — предупреждает нас сотрудник лаборатории инженер Владислав Поддаев, — тут мы укрепляем макеты со зданиями, и они продуваются…

— Всеми ветрами? — спрашиваю, перешагивая запретный круг.

— Не всеми, конечно, а только смоделированными. Такая большая рабочая зона нужна для того, чтобы мы могли расставить некоторые препятствия, подобные городской застройке. Мы моделируем с их помощью разные формы турбулентности.

— То есть вы можете «вызвать» ветер любой силы и направленности?

— В принципе, да. Идёмте, я покажу вам пропеллеры.

Общее описание

Малотурбулентная малошумная аэродинамическая труба дозвуковых скоростей Т-124 предназначена для проведения фундаментальных и прикладных исследований, а также для выполнения работ, направленных на совершенствование и развитие методики аэрофизических исследований.

Т-124 является трубой непрерывного действия замкнутого типа с осевым вентилятором и с закрытой рабочей частью. Однородность поля скорости и низкая степень турбулентности потока обеспечивается специальными мерами: большой степенью поджатия сопла; применением диффузора с малыми углами раскрытия; установкой детурбулизирующих сеток в форкамере; применением профилированных регулируемых поворотных лопаток вентилятора; тщательной полировкой внутренней поверхности канала трубы; все основные элементы трубы, за исключением рабочей части и вентиляторного отсека, изготовлены из дерева, преимуществом которого являются хорошие шумопоглощающие свойства. Рабочая часть трубы квадратного сечения выполнена из металла с окнами на боковых стенках. Нарастание пограничного слоя по длине рабочей части трубы компенсируется специальными вкладышами переменного сечения.

Гигантский фен

Каждый макет соединён пучком проводов с монитором — так во время эксперимента сотрудники лаборатории наблюдают за зданием.

— Чем сложнее строение, тем важнее провести эксперимент, — говорит Владислав. — В основном мы занимаемся уникальными конструкциями. Помните здание МИДа на Смоленской-Сенной площади? Идёмте, я покажу макет шпиля этой высотки. Мы делали расчёты ветровых воздействий для шпиля в обычном состоянии и полностью закрытого строительными лесами

Важно было проверить, не сорвёт ли ветер эти леса и насколько безопасной будет реконструкция

— Испытываете вы ещё что-то кроме зданий?

— Конечно! Мосты, например, металлические перекрытия, устанавливаемые в людных местах. Или вот градирни (устройства для охлаждения большого количества воды. — «КШ») Воронежской электростанции. Мы испытали таких две.

Подходим к макету, где посреди типового микрорайона стоят три синих небоскреба странноватой формы. Как поведут себя стеклянные высотки под воздействием ветра? Повлияет ли на ситуацию старая застройка? Всё это покажет эксперимент.

— Как часто работает аэродинамическая труба? — спрашиваю Владислава.

— Когда есть заказы. Последний раз включали 30 декабря 2015 года. Сейчас моделируем ещё один аэропорт.

В соседнем помещении есть другая аэродинамическая труба. По сравнению с той, по которой мы гуляли, она кажется малюткой — установлена вдоль стены прямо в лаборатории и напоминает гигантский фен. Это учебная конструкция, с её помощью студенты производят расчёты для дипломных работ. Внутри этой трубы тоже есть рабочая зона — из оргстекла, через которое можно рассматривать крошечную модель здания с приклеенными ленточками.

— Ленточки тут для наглядности, — говорит Владислав, заметив мой удивлённый взгляд. — Чтобы понимать, куда ветер дует.

Общее описание

Т-117 — гиперзвуковая аэродинамическая труба (АДТ) периодического действия незамкнутого типа, предназначена для исследования аэротермодинамических характеристик моделей объектов ракетно-космической техники и их элементов.

Для создания рабочего потока с широким диапазоном чисел М и Re труба оборудована набором профилированных осесимметричных сопел с диаметром выходного сечения 1 м. Сжатый воздух из баллонов с давлением до 28 МПа поступает в форкамеру трубы, где нагревается до необходимой температуры при помощи электродуговых подогревателей. Для создания разрежения в рабочем канале труба оборудована двумя системами: системой из четырех сверхзвуковых эжекторов и вакуумной системой.

Рабочая часть трубы представляет собой камеру Эйфеля с охлаждаемыми стенками и оснащена двумя системами подвески, позволяющими быстро вводить модель в поток и изменять ее пространственную ориентацию. В стенках рабочей части имеются оптические окна для визуализации обтекания моделей различными методами и проведения кино-фото-видеорегистрации.

АДТ оборудована набором тензометрических весов для измерения аэродинамических сил и моментов моделей и их конструктивных элементов, а также автоматизированным измерительно-вычислительным и управляющим комплексом.

Труба в РЦ «Аэродинамика»

Закрытая аэротруба в спортивном комплексе «Аэродинамика» — это отличная возможность ощутить чувство полета. У каждого посетителя есть возможность «оторваться от земли» — такой эффект достигается за счет восходящих потоков воздуха на площадке. Их скорость может достигать 250 километров в час, а этого вполне достаточно для взлета. Однако скорость полета в аэротрубе «Аэродинамика» может изменяться в зависимости от «летных» навыков гостя. Как правило, новички выбирают более низкую мощность и скорость взлета. Стандартное время любого полета — от 4 до 15 минут.

Известно, что аэротруба «Аэродинамика» является одной из наиболее современных в Москве. Она оснащена новым оборудованием, поэтому работает гораздо тише — так полет становится более комфортным.

Аэродинамическую трубу считают и тренажером, и развлечением, поэтому эту площадку в комплексе «Аэродинамика» посещают самые разные гости. Также известно, что для полета в аэротрубе совсем не требуется спортивных навыков — на территории площадки работает инструктор, который обучает правильным действиям во время полета в трубе. Кроме того, перед каждым сеансом для посетителей проводят предполетную подготовку. Сообщается, что воспользоваться трубой «Аэродинамики» могут гости возрастом от 4 лет.

«Аэродинамика» — Аэротруба в Москве

Правила посещения

Будучи посетителем аэротрубы «Аэродинамика» в Москве стоит помнить о некоторых важных моментах, которые сделают полет комфортным и безопасным. Ниже будут приведены основные из них.

• Посещать аэротрубу не стоит в слишком объемной или некомфортной одежде, так как перед началом полета на нее нужно будет надеть специальную экипировку (комбинезоны).
• В день сеанса необходимо приехать в РЦ «Аэродинамика» не позднее, чем за 30 минут да полета. Необходимо будет прослушать инструктаж и ознакомиться с техникой безопасности.
• Посещение трубы недопустимо при наличии травм позвоночника, вывихов, травм головного мозга и действующих ограничений по физическим нагрузкам.
• Также имеются противопоказания к посещению аэротрубы беременными и гостями, чей вес превышает 120 кг.

«Аэродинамика» — Аэротруба в Москве

История

Первые в мире аэродинамические трубы были построены 1871 году членом Совета Королевского авиационного общества Великобритании Фрэнсисом Гербертом Уэнхемом (англ. Francis Herbert Wenham) и русским военным инженером В. А. Пашкевичем. Уэнхем использовал свою аэродинамическую трубу для исследований несущих свойств крыла, тогда как труба Пашкевича предназначалась для определения аэродинамических характеристик артиллерийских снарядов.

В 1897 году К. Э. Циолковский построил прототип аэродинамической трубы собственной конструкции, использовав поток воздуха на выходе из центробежного вентилятора, и впервые в России применил этот агрегат для изучения эффектов, проявляющихся при обтекании твёрдых тел (самолётов, автомобилей, ракет) воздушным потоком.

Под руководством Н. Е. Жуковского при механическом кабинете Московского университета в 1902 году была сооружена аэродинамическая труба, в которой осевым вентилятором создавался воздушный поток со скоростью до 9 м/с.

Первая аэродинамическая труба разомкнутой схемы была создана Т.Стантоном в Национальной физической лаборатории в Лондоне в 1903 году., вторая — Н. Е. Жуковским в Москве в 1906 году.

Первая замкнутая аэродинамическая труба построена в 1909 году в Гёттингене Людвигом Прандтлем, вторая — в 1910 году Т. Стантоном.

Первая аэродинамическая труба со свободной струей в рабочей части была построена Гюставом Эйфелем в Париже на Марсовом поле в 1909 году.

Дальнейшее развитие шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель).

В 1934 году в районе Берлина построена Большая аэродинамическая труба (Адлерсхоф) для аэродинамического моделирования. В трубе диаметром от 8,5 до 12 м размещались части самолётов и изучалось воздействие на них горизонтальных воздушных потоков. Особенностью данной аэродинамической трубы является бетонное сооружение «Zeiss-Dywidag» с толщиной стенок всего 8 сантиметров. В настоящее время сохраняется как памятник промышленной архитектуры в составе Аэродинамического парка.

Впервые человек взлетел в вертикальной аэродинамической трубе в 1964 году на авиабазе Райт-Патерсон (англ.)русск. в Огайо.

Испытание макета самолёта MD-11 в аэродинамической трубе в Исследовательском центре Эймса.

Устройство

Полёт в вертикальной аэродинамической трубе

Вертикальные трубы делятся на два типа:

• С нижним расположением винта (наддувающие)
• С верхним расположением винта (высасывающие)

Наддувающие трубы — самые простые. Двигатель через редуктор приводит в движение большой винт, установленный под сеткой. Рабочая зона обычно не ограничена ничем. Человек вылетевший из потока падает на сетку или на надувные подушки вокруг рабочей зоны

Такие трубы могут быть мобильными, часто используются для различных шоу и аттракционов, хорошо привлекают внимание.

Трубы с верхним расположением винта как правило монтируются в специально построенном здании. Сверху рабочей зоны, огороженной прозрачной стенкой устанавливаются 2 или 4 двигателя с винтами, которые высасывают воздух, проходящий через рабочую зону. В таких трубах отсутствует (минимальна) турбулентность в рабочей зоне. Трубы могут быть открытого и закрытого типа. В трубе закрытого типа воздух циркулирует по замкнутому циклу, это предпочтительно в странах с холодным климатом.

Для создания потока используется один или несколько электрических или дизельных двигателей. Средняя скорость потока в трубах составляет от 190 до 260 км/ч, а минимальная скорость потока для отрыва взрослого человека в «балахоне» составляет около 130 км/ч. Оператор, наблюдающий за рабочей зоной, может своевременно прибавлять и убавлять скорость потока по мере надобности.

Так как давление потока растет пропорционально квадрату скорости потока, разница в скорости «падения» даже самых тяжелых и самых легких людей не превышает 20—30 км/ч. Такая разница в скорости может быть легко скомпенсирована одеждой и позой в потоке.

Вертикальная аэродинамическая труба характеризуется диаметром рабочей зоны и максимальной мощностью. Диаметр рабочей зоны может быть от 1,8 м (на 1 человека) до 5 м, где может тренироваться команда из 8 человек.

Виды аэродинамики

Аэродинамические проблемы классифицируются по условиям потока или свойствам потока, включая такие характеристики, как скорость, сжимаемость и вязкость. Они чаще всего делятся на два вида:

1. Внешняя аэродинамика — это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами внешней аэродинамики являются оценка подъема и перетаскивания на самолете или ударных волн, которые образуются перед носом ракеты.
2. Внутренняя аэродинамика — это исследование потока через проходы в твердых объектах. Например, внутренняя аэродинамика охватывает изучение воздушного потока через реактивный двигатель или через трубу для кондиционирования воздуха.

Аэродинамические проблемы также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока ниже или вблизи скорости звука.

Проблема называется:

• дозвуковой, если все скорости в задаче меньше скорости звука;
• трансзвуковой, если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука (обычно, когда характерная скорость примерно равна скорости звука);
• сверхзвуковой, когда характерная скорость потока больше скорости звука;
• гиперзвуковая, когда скорость потока намного больше скорости звука.

Аэродинамики не согласны с точным определением гиперзвукового потока.

Влияние вязкости на поток диктует третью классификацию. Некоторые проблемы могут иметь только очень малые вязкие эффекты, и в этом случае вязкость может считаться незначительной. Приближения к этим задачам называются невязкими течениями. Потоками, для которых вязкость нельзя пренебрегать, называются вязкими течениями.

Новая эпоха

Глобальный прорыв в науке (и аэронавтике в частности) совершил Исаак Ньютон. Ведь в основе аэродинамики лежит всеобъемлющая наука механика, родоначальником которой стал английский ученый. Ньютон первым рассмотрел воздушную среду как конгломерат частиц, которые, набегая на препятствие, либо прилипают к нему, либо упруго отражаются. В 1726 году он представил публике теорию сопротивления воздуха.

Впоследствии выяснилось, что среда действительно состоит из мельчайших частиц – молекул. Отражающую способность воздуха рассчитывать научились достаточно точно, а эффект «прилипания» считали несостоятельным предположением.

Удивительно, но данная теория нашла практическое применение спустя столетия. В 60-х, на заре космической эры, советские конструкторы столкнулись с проблемой расчета аэродинамического сопротивления спускаемых аппаратов «затупленной» сферической формы, при приземлении развивающих гиперзвуковые скорости. Из-за отсутствия мощных ЭВМ вычислить данный показатель было проблематично. Неожиданно выяснилось, что достаточно точно рассчитать величину сопротивления и даже распределение давления по лобовой части можно по простой формуле Ньютона, касающейся эффекта «прилипания» частиц к летящему объекту.

Пластик

• полипропиленовые (РPR)

• полиамидные (РА) • полиэтиленовые (РЕ) • акрилнитрил-бутадиен-стиролполимерные (ABS) • следующее применимо для всех пластиков: различные виды форм, не подвержены коррозии, как правило просты в установке; но: обладают высоким расширением по длине, низкой эластичностью под давлением при повышении температур. Обычно максимальное расчетное давление трубы указано в ее спецификации (обозначение PN и далее величина давления в бар, например PN16).

На сегодняшний день самым популярным материалом для прокладки пневмопроводов является полипропилен. PPR-трубы легки в монтаже, имеют относительно невысокую стоимость и выдерживают давление сжатого воздуха до 20 бар. Основные диаметры (внешние) полипропиленовых труб: 20 мм, 25 мм, 32 мм, 40 мм, 50 мм, 63 мм. Внутренние диаметры зависят от максимального давления на которое они расчитаны и соответственно зависят от толщины стенок труб, поэтому при выборе материалов пневмопровода нужно внимательно ознакомиться с характеристиками выбранной для монтажа PPR-трубы.

Основные «секреты» при прокладке PPR-труб:

— для жестких полипропиленовых труб изготавливают Г- или П-образные или используют покупные петлеобразные компенсаторы. Размеры Г- и П-образных компенсаторов рассчитываются. Длина изгибаемого плеча зависит от жесткости трубы, которая задается специальным коэффициентом учитывающим безопасный изгиб трубы. Коэффициент указывается в технических характеристиках материала труб, чаще всего для полипропиленовых (РР) — 25.

Пример:

— диаметр трубы d 32 мм

— коэффициент изгиба k для PPR-туб равен 25

— длина трубопровода 5 метров

— разница температуры (темп.сжатого воздуха после компрессора 60С — темп. окр.среды 20С)  = 40С

— приращение длины ΔL (по графику) составляет 30 мм

— длина плеча изгиба L (по формуле) = 774 мм

— ширина плеча A = 2 x 30 мм +150 мм = 210 мм.

— Чаще всего, П- и Г-образные компенсаторы получаются автоматически, при обходе трубой различных строительных конструкций. Если магистраль прямая и длинная, то компенсаторы в ней нужно заранее запроектировать как на стояках, так и на отводах.

— Вопрос теплового расширения полимерных трубопроводов во многом решается правильным использованием опор и выбором конфигурации трубной разводки. Нужно создать как можно более гибкую эластичную систему с минимумом жестких коротких узлов, имеющих малую способность к деформации.

— При размещении труб на стенах и потолках не рекомендуется использовать неподвижные опоры. Для потолочных креплений хорошим решением являются опоры с ремешком. Количество поддерживающих опор должно быть небольшим, предпочтение надо отдавать специальным пластмассовым опорам, которые не повреждают поверхность трубы. Тем не менее рекомендуется использовать подвижные пластиковые опоры с интервалом 20–30 диаметров трубы.

— Неподвижными опорами, как правило, фиксируют тяжелые трубные узлы или тяжелые элементы трубопровода, не имеющие собственных креплений (например, фильтры или краны). Во всех случаях необходимо продумать совместное размещение фитингов и подвижных опор: при линейном удлинении трубы, фитинги не должны будут упереться в буртики опор. И другой случай, если подвижные опоры разместить с обеих сторон от фитинга вплотную к нему, то такой способ монтажа превращает это место крепления в неподвижную опору.

— Через 40 — 50 метров трубы рекомендуется устанавливать в самой нижней точке магистрали  инерционный влагоочиститель ВЦ-серии.

— Основные рекомендуемые схемы монтажа пневмотрубопровода:

Мы готовы предложить свои услуги по прокладке полипропиленовых или медных магистралей для сжатого воздуха. Работаем в С-Петербурге и Северо-западном регионе РФ.

Более подробно об этом можно прочитать в разделе Монтаж и прокладка пневмомагистралей

Также интересно:

• Вентиляция и аэрация компрессорного помещения (2008-09-09)
• Как рассчитать внутренний диаметр трубопровода сжатого воздуха? (2008-07-09)
• Оптимизация потерь сжатого воздуха в пневмосети (2008-06-05)

Другие развлечения

Также в спортивно-развлекательном центре «Аэродинамика» есть и другие развлечения, способные заинтересовать посетителей. В этот перечень входят аттракционы с активностями и разнообразные симуляторы. Ниже будет приведен список наиболее популярных из них

• Аттракцион «Fly-motion». Представляет собой авиасимулятор самолета. Каждый посетитель может почувствовать себя настоящим пилотом и опробовать на себе все возможности военного штурмовика или другого летательного средства.
• XD-Motion. Аттракцион, имитирующий авто. Здесь созданы все условия для участия в интерактивной гонке с сетевыми соперниками. Посетитель может выбрать для себя один из гоночных болидов.
• HTC Vive. Один из самых популярных шлемов виртуальной реальности с углом обзора 110°. Используя данное оборудование, посетитель может полностью погрузиться в захватывающую картинку.
• Тир. На территории РЦ «Аэродинамика» в Москве работает сразу два тира — классический и нёрф-тир. Во втором тире игроки используют бластеры и стрелы из поролона.
• Авто-футбол. В спортивно-развлекательном комплексе также проводятся необычные матчи по футболу с участием радиоуправляемых автомобилей.

«Аэродинамика» — Аэротруба в Москве

Аттракционы в «Аэродинамике» в Москве на официальном сайте

«Типовые» эксперименты

Импеллер (рабочее колесо) аэродинамической трубы СПбГУВК

Дублированная модель надводной части судна в аэродинамической трубе СПбГУВК

Измерение давлений по поверхности тела.

Для исследования необходимо изготовить дренированную модель тела — в поверхности модели выполняются отверстия, которые соединяются шлангами с манометрами.

В гидромеханике доказано, что давление без изменений передается поперек пограничного слоя, что позволяет рассчитать сопротивление давления тела по результатам измерения давлений.

Измерение сил и моментов, действующих на тело

Для исследования необходимо подвесить модель на многокомпонентном динамометре (Аэродинамические весы) либо на системе растяжек, позволяющей измерять натяжение каждой растяжки.
Пересчет сил и моментов, действующих на тело, осуществляется в соответствии с критерием подобия Рейнольдса.

Визуализация течений

Для решения этой задачи используют шерстяные нити (шелковинки), наклеенные на поверхность модели либо закрепленные на проволочной сетке. Возможна постановка эксперимента с подачей цветного дыма в характерные зоны потока, но продолжительность такого эксперимента (в трубах с повторной циркуляцией воздуха), как правило, весьма мала вследствие общего задымления всего аэродинамического тракта.

Заключение

Аэродинамика является одной из самых важных наук в современном мире. Она обеспечивает нам строительство качественных самолетов, кораблей, автомобилей и комических шаттлов. Она играет огромную роль в разработке современных видов вооружений — баллистических ракет, ускорителей, торпед и беспилотников. Все это было бы невозможно, если бы не современные продвинутые представления об аэродинамическом качестве.

Таким образом, представления о предмете статьи менялись от красивых, но наивных фантазий об Икаре, до функциональных и реально работающих летательных аппаратов, возникших в начале прошлого века. Сегодня мы не можем представить свою жизнь без машин, кораблей и самолетов, и эти транспортные средства продолжают улучшаться благодаря новым прорывам в области аэродинамики.

Аэродинамические качества планеров в свое время стали настоящим прорывом. Сначала все открытия в этой области совершались путем абстрактных, местами оторванных от реальности теоретических вычислений, которыми занимались французские и немецкие математики в своих лабораториях. Позже все их формулы использовались для других, более фантастических (по меркам XVIII века) целей, вроде вычисления идеальной формы и скорости летательных аппаратов будущего. В XIX веке эти аппараты начали строиться уже массово, начиная с планеров и дирижаблей, европейцы постепенно перешли к строительству самолетов. Последние первое время использовались исключительно для военных целей. Асы первой мировой показали, насколько важным для любой страны является вопрос доминирования в воздухе, а инженеры межвоенного периода открыли, что подобные летательные аппараты эффективны не только для военных, но и для мирных целей. Со временем гражданская авиация прочно вошла в нашу жизнь, и сегодня без нее не обходится ни одно государство.