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

8 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

82381. Экзистенциализм – это гуманизм 59 KB
  Экзистенциализм -– это гуманизм является манифестом экзистенциальной философии декларацией ее основных принципов представленных в достаточно популярной форме. Сартар отвечает основным оппонентам критикующим экзистенциализм за пессимизм неверие в человека.
82383. Простые и составные числа. Разложение числа на простые множители. Конспект урока в 6 классе 79.5 KB
  Закрепить признаки делимости. Познакомить с понятием простого и составного числа, с таблицей простых чисел, научить применять полученные знания при разложении чисел на простые множители; развивать логическое мышление, память, познавательный интерес, продолжать формирование математической речи, отработка умения анализировать и сравнивать...
82385. Путешествие по странам мира. Великобритания 91.5 KB
  Государственный герб Соединенного Королевства Великобритании и Северной Ирландии изображен в виде щита, поддерживаемого с обеих сторон львом и лошадью - символы власти и труда. Щит разделен на четыре части, в каждой из которых заключены гербы Англии
82387. Классификация цепей поставок 246 KB
  Настоящий период развития рыночной экономики ознаменован возрастанием интереса к логистике и управлению цепями поставок. Глобализация рынка товаров и услуг, а также революционные изменения в информационных технологиях требуют обеспечения четкости физических потоков поставок как необходимого...
82388. Актуальные проблемы педагогики Высшей Школы 44.86 KB
  Нельзя делать из обучаемого кладовую фактов; попытки втиснуть в студентов массу фактов чисел; формул особенно эмпирических; формулировок; событий и дат это не обучение. Чтобы лекции не потеряли своей значимости и привлекательности для студентов необходимо повышение эмоциональной отдачи лектора: своего рода Закон сохранения эмоций.
82389. ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ МОЗГА У ШКОЛЬНИКОВ, ПРОЖИВАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА 1.21 MB
  Одной из актуальных задач возрастной физиологии является выяснение основных принципов и закономерностей морфологического и функционального развития мозга и базовых нейрофизиологических механизмов обеспечивающих не только поддержание жизнедеятельности организма но и постепенное расширение...