70698

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ ЖИДКОСТЬЮ И ГАЗОМ

Лекция

Экономическая теория и математическое моделирование

Теоретические модели моделирования обтекания тел потоком жидкости Реальные явления природы очень сложны и недоступны для строгого теоретического анализа. В теоретической аэродинамике принято целый ряд моделей обтекания твердых тел потоком жидкости.

Русский

2014-10-24

845.83 KB

9 чел.

1

ЛЕКЦИЯ 2.2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ ЖИДКОСТЬЮ И ГАЗОМ

План:

2.2.1 Теоретические модели моделирования обтекания тел потоком жидкости и газа

2.2.2 Физическая картина обтекания твердых тел потоком жидкости и газа

2.2.3 Понятие о аэродинамических трубах и гидролотках

2.2.1 Теоретические модели моделирования обтекания тел потоком жидкости

Реальные явления природы очень сложны и недоступны для строгого теоретическо-го анализа. Поэтому для построения теории того или иного явления приходится схемати-зировать действительность и брать в качестве объекта изучения не реальное явления, а его упрошенную физическую модель. В теоретической аэродинамике принято целый ряд мо-делей обтекания твердых тел потоком жидкости.

1 Первая модель (модель корпускулярного строения жидкости) была предложена И. Ньютоном. При данной модели жидкость рассматривается как среда, состоящая из отдельных не связанных между собой частиц – корпускул, которые при взаимодействии с телом полностью теряют свою кинетическую энергию, прилипают к нему и преобразутся в потенциальную энергию сил давления, остальные частицы жидкости проходят мимо обтекаемого тела и образуют застойную зону, в которой скорости частиц равны нулю.

Рис 2.2.1 Рис схема корпускулярной модели обтекания

Данная модель имеет большой недостаток, так как не рассматривает обтекание тел и допускает большую погрешность при расчете силы сопротивления в потоке жидкости большой плотности. Она может быть применена при рассмотрении явлений обтекания тел в разреженной среде, например, на высотах более 80 км.

2 Вторая модельмодель идеальной жидкости. При данной модели, жидкость об-текающая твердое тело, считается сплошной средой, лишенной свойств вязкости и сжима-емости. Математическое исследование этой модели привело к составлению 3-х дифферен-циальных уравнений движения жидкости, решения которых дает возможность определе-ния V и p в любой точке потока, обтекающего тела. Модель разработана Л. Эйлером и в последующем была усовершенствована русским ученым Н.Е. Жуковским.

3 Третья модельмодель сжимаемой жидкости, которая разработана русским ученным С. А. Чаплыгиным. На базе этой модели создана научная школа газовой динами-ки изучающая законы движения тел в газах с большими скоростями и при высоких темпе-ратурах, при которых необходимо учитывать сжимаемость.

4 Четвертая модельмодель вязкой жидкости. Данная модель предложена Л. Прандтлем, который разработал теорию пограничного слоя и раскрыл причину возник-новения в нем силы трения.

5 Пятая модельмодель плазменного состояния среды. Плазма представляет собой среду, состоящую из смеси электрически заряженных и нейтральных частиц. Среда подо-бная плазме имеет место при входе космических объектов в плотные слои атмосферы зем-ли.

2.2.2 Физическая картина обтекания твердых тел потоком жидкости и газа

Картину, показывающую распределения траекторий вокруг обтекаемого тела назы-вают спектром обтекания этого тела. Чтобы получить спектры опытным путём, необходи-мо сделать видимым движением частиц потока жидкости. Это можно достичь введением в поток жидкости подкрашенной жидкости или загустителей, а в поток воздуха струек ды-ма, тонких нитей или шелковинок.

Если траектории частиц являются плоскими кривыми, то такой поток называется плоскопараллельным. Если траектории частиц перемещаются по 3-м взаимно перпендику-лярным осям то такой поток называют пространственным.

Рис 2.2.2 Схема спектра течения потока вокруг твердого тела

  1.  Тонкий слой, прилегающий к обтекаемому телу называется пограничным сло-ем. В нем имеют место большие градиенты скорости  по толщине слоя и су-щественно проявляются силы вязкости и как следствие имеют место силы тре-ния.
  2.  Спутный след – это сходящий с хвостовой части обтекаемого тела поток жид-кости. Течение в этой зоне в основном вихревое, имеют место большие гради-енты скоростей, поэтому в этом слое проявляются свойства вязкости и возника-ют силы трения.
  3.  Течения вне пограничного слоя. Градиенты скорости в этой зоне незначитель-ные, вязкость слабая, силы трения небольшие. Для упрощения в этой зоне газ считают идеальным.

Вид спектра обтекания зависит от формы тела, скорости потока, а также от физичес-ких параметров состояния жидкости, определяющих величину и характер проявлений та-ких его свойств, как вязкость и сжимаемость. В некоторых случаях одно или оба эти свой-ства практически не проявляются и в целях упрощения расчётов аєродинамических сил их влиянием можно пренебречь.

В аэродинамике на высотах на которых осуществляются полеты ЛА (тропосфера и стратосферы) воздух считается однородной и сплошной средой и в зависимости от условий обтекания и параметров состояния среды может рассматриватся как:

  1.  Идеальная жидкость –это среда, не обладающая свойствами вязкости и сжимаемости;
  2.  Вязкая жидкость – это вязкая среда, лишенная сжимаемости;
  3.  Идеальный газ – это сжимаемая газовая среда лишенная вязкости, но строго подчиняющаяся уравнению состояния газа и имеющая неизменные термодинамические константы
  4.  Совершенный газ –это реальная газовая среда обладающая свойствами вязкости и сжимаемости

2.2.3 Понятие аэродинамических трубах и гидролотках

Аэродинамические эксперименты проводятся в аэродинамических трубах –исследо-вательских лабораторных экспериментальных установках, в которых можно создать искусственный регулируемый поток газа для продувки моделей ЛА или реальных объектов и проводить исследования физической картины обтекания и законов движения газа.

В зависимости от поставленной задачи аэродинамические исследования проводятся в аэродинамических трубах различной конструкции и назначения:

  1.  трубы малых скоростей ();
  2.  трубы сверхзвуковых скоростей (М);
  3.  трубы переменной плотности;
  4.  трубы натуральной величины ЛА;
  5.  трубы специального назначения (штопорные, свободного полета, плазмен-ные,дымовые).

Первая аэродинамическая труба в России была построена основоположником совре-менной ракетно-космической техники К.Э. Циолковским в 1887г. в г. Калуга.

В дальнейшем аэродинамические трубы широко использовались в научно – исследо-вательских целях Н.Э. Жуковским. Под его руководством в 1904г. была построена аэроди-намическая труба диаметром 1,2 м, в Московском высшем техническом училище им. Баумана была построена труба диаметром 1 м со скоростью потока до 20 м/с, затем в ЦАГИ в г. Жуковском в 1918г. Диаметр современных аэродинамических труб достигает порядка 20 м, где можно проводить исследования ЛА натурной величины.

По способу получения воздушного потока аэродинамические трубы подразделяются на:

  1.  вентиляторные ( компрессорные );
  2.  баллонные;
  3.  вакуумные;
  4.  эжекторные;

Воздушные тракты аэродинамических труб могут выполняться замкнутыми и незам-кнутыми.

Аэродинамическая труба с незамкнутым контуром (прямого действия) состоит из:

  1.  коллектора – 1;
  2.  спрямляющей решетки – 2;
  3.  рабочей части – 3;
  4.  диффузора – 4;
  5.  вентилятора – 5;

Рис 2.2.3 Аэродинамическая труба с незамкнутым воздушным контуром

Коллектор предназначен для того, чтобы на входе в рабочую часть трубы поток воз-духа стал плавным, без завихрений. Для этого поток воздуха коллектора подвергается большому сжатию: площадь поперечного сечения на входе в 5-ть и больше раз больше чем площадь перед спрямляющей решеткой.

Диффузор предназначен для плавного уменьшения скорости потока при подходе к вентилятору, чтобы снизить потери энергии на трения воздуха о стенки трубы и умень-шить расчетный перепад давления вентилятора.

Трубы прямого действия могут быть с закрытой или открытой рабочей частью и ра-ботать на всасывание или нагнетание. Такие трубы просты по конструкции, малогабарит-ны, но неэкономичны.

Аэродинамические трубы с замкнутым контуром кроме общепринятых частей трубы прямого действия имеют обратный канал для циркуляции воздушного потока и поворот-ные лопатки для уменьшения завихрения на поворотах. Трубы с замкнутым контуром зна-чительно экономичнее, но громоздкие и имеют большую турбулентность потока.

Для измерения аэродинамических сил и моментов на моделях ЛА, трубы снабжают-ся аэродинамическими весами, и манометрами для определения давления и скорости в различных точках потока, а также различными оптическими приборами для наблюдения и фотографирования спектров обтекания. По числу измеряемых аэродинамических сил и моментов аэродинамические весы бывают одно-двух-трех и шести компонентные. Широ-кое применение получили автоматические и тензометрические весы.

Для использования экспериментальных продувок на моделях и распространять их результаты на реальные объекты необходимо моделировать весь процесс. И. Ньютон раз-работал теорию подобия и создал научный труд «Закон аэродинамического подобия». Этот закон позволяет осуществлять переход от модели к натурному объекту и с дос-таточной точностью выполнить аэродинамические и прочностные расчеты ЛА.

Рис 2.2.4 Аэродинамическая труба с замкнутым контуром.

где

6 – канал обратного тока воздуха

7 – поворотные лопатки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34463. Творчество Ж.Л. Давида. Ж.Д. Энгр и формирование принципов неоклассицизма 18.99 KB
  В преддверии Великой французской революции в живописи Франции появляется Жак Луи Давид 1748 1825. Познакомившись с памятниками античности испытав влияние трудов Винкельмана и живописи немецкого классицистического художника Рафаэля Менгса Давид находит свой путь. Так выкристаллизовывался новый стиль и Давид в своей картине Клятва Горациев 1784 1785 выступил его глашатаем.
34464. Эстетическая программа романтизма. Романтизм во Франции. Творчество Т. Жерико и Э. Делакруа. Романтизм в Германии. Творчество Ф.О. Рунге и К.Д. Фридриха 19.64 KB
  Делакруа. Энгр непримиримый враг романтиков до конца жизни говорил что Делакруа пишет бешеной метлой а Делакруа обвинял Энгра и всех художников Школы в холодности рассудочности в отсутствии движения в том что они не пишут а раскрашивают свои картины. Об этом говорят и темы экзотического Востока и иллюстрации к Байрону и Шелли и Охота на львов и портрет 20летнего Делакруа. Истинным вождем романтизма стал Эжен Делакруа 1798 1863 сын бывшего члена революционного Конвента Его первые работы Ладья Данте и...
34465. Реализм в искусстве Франции второй половины ХIХ века. Пейзаж барбизонской школы. Крестьянский жанр Ф. Милле 17.83 KB
  Одно время работал в Барбизоне Жан Франсуа Милле 1814 1875. Родившийся в крестьянской среде Милле навсегда сохранил связь с землей. Крестьянский мир основной жанр Милле.
34466. Искусство импрессионизма. История возникновения группировки импрессионистов и эстетическая платформа. Живописная система импрессионистов. Основные представители течения 14.24 KB
  Искусство импрессионизма. Импрессионизм франц. предопределил направленность импрессионизма и который также и в 1870 80е гг. Название импрессионизм возникло после выставки 1874 на которой экспонировалась картина К.
34467. Искусство постимпрессионизма. Особенности изобразительного языка. Основные представители течения (Поль Сезанн, Винсент Ван Гог, Поль Гоген) 21.89 KB
  Основные представители течения Поль Сезанн Винсент Ван Гог Поль Гоген Художники которых в истории искусства именуют постимпрессионистами Сезанн Ван Гог и Гоген не были объединены ни общей программой ни общим методом. затем уехал в родной Прованс г. Постимпрессионистом называют и великого голландца Винсента Ван Гога 1853 1890 художника воплотившего душевную смятенность современного человека. Только после 30 лет Ван Гог целиком посвящает себя живописи.
34468. Основные художественные направления в искусстве первой половины ХХ века. Фовизм. Экспрессионизм. Кубизм. Футуризм. Абстракционизм. Сюрреализм 22.45 KB
  Основные художественные направления в искусстве первой половины ХХ века. ярко прослеживаются на искусстве Франции явившейся родиной фовизма кубизма и его разновидности пуризма она дала своих дадаистов сюрреалистов абстракционистов. Сюрреалистическое направление в искусстве родилось как философия потерянного поколения чья молодость совпала с Первой мировой войной. Теория сюрреализма строилась на философии интуитивизма Анри Бергсона интуиция единственное средство познания истины ибо разум здесь бессилен и акт творчества имеет...
34469. Быт и культура древнеславянских народов. Мифология древних славян. Культовые сооружения. Идолы 45.5 KB
  Некоторые Боги древних славян: Род богсоздатель видимого мира. Род родил Сварога великого бога который довершил творение мира. Сварог богсоздатель земли и небес. Велес один из величайших богов древнего мира сын Рода брат Сварога.
34470. Искусство Киевской Руси: принятие христианства, язык и письменность, фольклор, архитектура и изобразительное искусство, литература 22 KB
  Время развития Киевской Руси эпоху культурного дуализма период перемен когда старые культурные основы заменяются новыми в результате чего на первый план выходят внутренние противоречия. Причиной тому было введение на Руси христианства. Введение на Руси христианства привело не только к религиозному дуализму он существовал пока новая вера не была принята всей нацией но и к культурному дуализму в целом.
34471. Ростово-суздальская живопись. Периодизация. Влияние исторических событий на формирование живописного языка 42.5 KB
  Густые темносиние вишневые зеленые насыщенные краски сочетаются в иконах с белыми яркокрасными с золотом пробелов и фонов. В иконах этого времени чувствуются поиски русского национального типа лица Широкое в скулах и суживающиеся книзу округлое лицо Богоматери с ее небольшими глазами и тонким длинным но мягко закругленным внизу носом. Примеры икон домонгольского периода Богоматерь Великая Панагия найденная в Ярославле Ярославская Оранта Дмитрий Солунский из Дмитрова Спас Нерукотворный из Ростова Богоматерь...