Реферат: Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1
В том же 1871 г. капитан Российской армии В. А. Пашкевич, преподаватель Артиллерийской академии, построил первую в России АТ для исследования сопротивления движению снарядов. А в 1897 г. К. Э. Циолковский при поддержке Н. Е. Жуковского построил АТ в Калуге, где провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого была около 5 м/с.
Для создания воздуходувки (рис.3.4) - так он ее называл - Циолковский использовал веялку, лопасти которой крутились вручную. К сожалению, в опытах Циолковского скорости оказались недостаточно большими, чтобы результаты можно было применять для нужд авиации. Однако такая воздуходувка весьма пригодна для малых опытов по исследованию силы сопротивления.
В 1902 г. под руководством Н. Е. Жуковского в механической лаборатории Московского университета строится первая в России аэродинамическая труба закрытого типа. Затем организуется специальная лаборатория в Кучине, где ставятся опыты по изучению свойств подъемной силы и ее зависимости от формы испытуемых тел. В 1904 г. под руководством Жуковского был создан первый в мире Аэродинамический институт (ЦАГИ), оказавший огромное влияние на развитие авиации и космонавтики. Проектирование этой плоской аэродинамической трубы занимался студент А.Н.Туполев.
С тех пор построено великое множество АТ, от миниатюрных до гигантских. В первую очередь аэродинамические исследования в АТ проводились разработчиками авиационной техники. Серьезно изучалась обтекаемость водных судов. Как и следовало ожидать, первым наземным транспортным средством, которое продули в АТ, стал поезд. Случилось это в 1899 г. Автомобили начали подвергаться испытаниям в АТ только после Первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира.
Самая большая в мире аэродинамическая труба вступила в строй 11 декабря 1987 г. в исследовательском центре Эймса, принадлежащем НАСА, в Маунтин-Вью, штат Калифорния, США. Ее размеры – 12х24 м, в ней установлено 6 моторов мощностью 22500 л.с. каждый, создающих поток воздуха скоростью 555 км/ч.
Рис. 3.4 Исследовательский центр имени Эймса (Моффетт-Филд, Калифорния)
Использование современных компьютерных систем дает новый толчок в развитии технологии АТ. К примеру, если при работе над новым автомобилем макет машины проводит в реальной трубе сотни и тысячи часов, то виртуально на компьютерной модели аналогичную работу можно провести в течении нескольких минут. Виртуальная АТ куда компактней, чем реальная, она целиком помещается внутри компьютера. А скорость получения результатов зависит не от проворства инженеров, а от мощности процессора.
Рис. 3.5 Компьютерная модель автомобиля в виртуальной аэродинамической трубе
Разумеется, на обычном персональном компьютере такие исследования не проведешь. Необходимы высокопроизводительные суперкомпьютеры стоимостью несколько миллионов долларов, и не один, а несколько. Один из таких самых современных комплексов установлен в компании Opel. Вот лишь некоторые параметры системы: 6 компьютеров IBM eServer 690 «Regatta» с процессором 32 «POWER 4» 1,3 GHz, операционная память каждого компьютера – 64 GB, внешняя память емкостью 96 тера байт, вес – 1,2 тонны.
Возможно, когда-нибудь компьютер и сможет заменить реальную АТ, но порой даже специалисты с огромным опытом работы удивляются тем результатам, которые дает испытание трубами. И хотя иногда, основываясь на интуиции, удается создать удачный, с точки зрения аэродинамики, дизайн автомобиля, то без такого сложного устройства, как аэродинамическая труба, вряд ли будет возможным производство автомобилей будущего.
3.2. Конструкции аэродинамических труб.
Аэродинамические трубы по скорости потока разделяются на дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые;
по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается специальным компрессором, и баллонные с повышенным давлением;
по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.
Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.
Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции, а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.
Простейшие схемы труб малых скоростей (работающие в условиях практической несжимаемости воздуха при скоростях до 50-60 м/сек) приведены на 3.6,
|
|
|
| а | б |
Рис. 3.6 Простейшие схемы аэродинамических труб малых скоростей
1 - рабочая часть, 2 - коллектор (а) либо сопло (б) в обоих случаях - каналы, сужающиеся по течению (конфузоры); 3 - диффузор, расширяющийся по течению; 4 - вентилятор с мотором 5; пунктиром показаны предохранительная сетка «С» и в замкнутой трубе - поворотные лопатки «Л».
Труба прямого действия Рис. 3.6,а (не замкнутая) показана с закрытой стенками рабочей частью, а замкнутая труба - с открытой рабочей частью; но первую можно сделать с открытой рабочей частью, если убрать ее стенки, заменив их герметичной камерой (показана пунктиром), а вторую - сделать с закрытой рабочей частью, если вместо свободной границы поставить стенки.
Дозвуковые аэродинамические трубы. Дозвуковая АТ постоянного действия (Рис 3.7) состоит из рабочей части 1, обычно имеющей вид цилиндра с поперечным сечением в форме круга или прямоугольника (иногда эллипса или многоугольника).
Рис. 3.7 Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы.
1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 – компрессор,
10 – воздухоохладитель
Рабочая часть А. т. может быть закрытой или открытой, а если необходимо создать А. т. с открытой рабочей частью, статическое давление в которой не равно атмосферному, струю в рабочей части отделяют от атмосферы т. н. камерой Эйфеля (высотной камерой).
Исследуемая модель 6 крепится державками к стенке рабочей части А. т. или к аэродинамическим весам. Перед рабочей частью расположено сопло, которое создаёт поток газа с заданными и постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой (спрямляющая решётка, выравнивающая поле скоростей). Диффузор 7 уменьшает скорость и соответственно повышает давление струи, выходящей из рабочей части. Компрессор (вентилятор) , приводимый в действие силовой установкой, компенсирует потери энергии струи; направляющие лопатки уменьшают потери энергии воздуха, предотвращая появление вихрей в поворотном колене; обратный канал 8 позволяет сохранить значительную часть кинетической энергии, имеющейся в струе за диффузором. Радиатор обеспечивает постоянство температуры газа в рабочей части А. т. Если в каком-либо сечении канала А. т. статическое давление должно равняться атмосферному, в нём устанавливают клапан.
Размеры дозвуковых А. т. колеблются от больших А. т. для испытаний натурных объектов (например, двухмоторных самолётов) до миниатюрных настольных установок.
В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов. На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром. Существуют также разомкнутые А. т., в которых газ к соплу подводится из атмосферы или специальных ёмкостей.
Существенной особенностью дозвуковых А. т. является возможность изменения скорости газа в рабочей части за счёт изменения перепада давления.
Сверхзвуковые аэродинамические трубы. В общих чертах схемы сверхзвуковой (см. Рис. 3.8 и 3.9) и дозвуковой А. т. аналогичны.
Рис. 3.8 Схема сверхзвуковой баллонной аэродинамической трубы
1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу
Рис. 3.9 Схема баллонной гиперзвуковой аэродинамической трубы
1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор
Для получения сверхзвуковой скорости газа в рабочей части А. т. применяют т. н. сопло Лаваля, которое представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает скорости звука, в расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу М в рабочей части. Каждому числу М отвечает определённый контур сопла. Поэтому в сверхзвуковых А. т. для изменения числа М в рабочей части применяют сменные сопла или сопла с подвижным контуром, позволяющим менять форму сопла.
В диффузоре сверхзвуковой А. т. скорость газа должна уменьшаться, а давление и плотность возрастать, поэтому его делают, как и сопло, в виде сходящегося - расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, а в некотором сечении возникает скачок уплотнения (ударная волна), после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур трубы делается расширяющимся, как у обычного дозвукового диффузора. Для уменьшения потерь диффузоры сверхзвуковых А. т. часто делают с регулируемым контуром, позволяющим изменять минимальное сечение диффузора в процессе запуска установки.
В сверхзвуковой А. т. потери энергии в ударных волнах, возникающих в диффузоре, значительно больше потерь на трение и вихреобразование. Кроме того, значительно больше потери при обтекании самой модели, поэтому для компенсации этих потерь сверхзвуковые А. т. имеют многоступенчатые компрессоры и более мощные силовые установки, чем дозвуковые А. т.
3.3. Аэродинамические трубы для болидов Формулы 1.
Для нужд автомобильной промышленности в основном используются дозвуковые АТ замкнутого (геттингенского) типа с обратным воздушным потоком. Такие трубы благодаря замкнутому контуру позволяют добиться звуконепроницаемости и снизить мощность двигателя. АТ оснащены комплексными динамометрическими устройствами, позволяющими измерять все аэродинамические нагрузки. Такие весы позволяют поворачивать исследуемый объект под разными углами и моделировать воздействие ветра с разных сторон.
Сейчас аэродинамической трубой обзавелись большинство команд, а другие команды, которые еще не имеют этот испытательный полигон, стремятся как можно скорее пополнить таковым свою производственную базу.
Аэродинамические трубы дороги, к тому же их приходится оснащать имитацией дороги по типу транспортерной ленты для того, чтобы максимально точно смоделировать обтекание болида воздухом в реальных условиях.
По этой причине полномасштабные аэродинамические трубы используются не так часто: в настоящее время невозможно разогнать подобную имитацию дороги до нужной скорости. Команды обычно строят масштабные модели с коэффициентами масштабирования от 1:3 (33%) до 1:2 (50%). Чем больше модель, тем точнее результат, поскольку неизбежные в процессе любого производства погрешности меньше сказываются на крупных моделях.
Рис 3.10 Испытания модели болида в аэродинамической трубе
Но в виду того, что часто одна и та же деталь модели может быть изготовлена несколько раз с разными модификациями при подгонке параметров модели, становится ясно, что при увеличении размера модели растет и расход материала, усложняется изготовление деталей, а вместе с тем растут и затраты. Поэтому при увеличении размеров моделей разработчикам приходится искать компромиссные решения.
Данные о таких параметрах движения модели, как аэродинамическая подъемная сила (отдельно для передней и задней части), сопротивление воздуха и центр аэродинамического давления, постоянно снимаются с модели в реальном времени.
Затем эти данные усредняются для каждого из четырех режимов испытаний и анализируются специалистом по аэродинамике. Тот, в свою очередь, делает заключение о том, насколько хорошо ведет себя испытываемая деталь и указывает на возможные проблемы. По результатам анализа данных эта деталь может быть забракована, подвергнута повторному испытанию или доработке.
Наряду с конструкторской работой производятся также плановые работы по созданию "аэродинамических карт", на которых фиксируются, например, все подъемные и прижимные силы, действующие на конкретную деталь заднего крыла.
Также составляются рекомендации по настройке болида на тот или иной уровень прижимной силы. Все эти данные инженеры берут с собой на Гран При как вспомогательные материалы при настройке аэродинамики болидов.
При проведении исследований в аэродинамической трубе очень широко используется пластилин - да, пластилин! Часто идеи, которые приходят в голову исследователям, воплощаются в пластилине, в который в качестве наполнителя добавляют крошку из углеволокна или еще что-нибудь из того, что находится под рукой.
Такие модели, хотя и далеки от совершенства, позволяют оценить внешний вид предполагаемого образца и решить, стоит ли тратить средства на построение более качественной модели. Таким образом, экономится время чертежников и конструкторов моделей, поскольку нерабочие варианты дизайна отсекаются на самой ранней стадии. Этот процесс также использовался при создании болида на предстоящий год.
В качестве отправной точки при создании нового болида берется модель этого года, а затем в нее вносятся постепенные изменения. В результате модель как бы "эволюционирует". При создании основного каркаса модели использовалось дерево, что давало разработчиками возможность легко вырезать и формировать новые детали модели. А в случае, если модификации оказывались неудачными, у конструкторов всегда оставались образцы первоначальной конструкции.
В сезон конструкторских разработок - последнюю четверть года - модель большую часть времени состояла из дерева и пластилина! Когда требовалась более прочная модель (дерево и пластилин коробятся, затрудняя точное копирование модели, а также вызывая нестыковку деталей), по опорным точкам модели делались замеры и строились сечения. Затем эти данные передавались конструкторам, а те, в свою очередь, строили собственно компьютерную модель детали.
