Süpersonik uçağı tasarlarken rüzgar tüneli modelleri nasıl kullanılır?


11

İlgili iki şey vardır: dalga sürüklemesi ve sınır tabakası ayrımı. Dalga sürtünmesi Mach numarasına, ikincisi ise Reynolds sayısı Akış Gelen Mach numarasını, geometriden bağımsız olduğu gibi korumak kolaydır; ancak, Reynolds sayısı modelin geometrisine bağlıdır.

$$ \ text {Re} = \ kırık {\ rho u d} {\ mu} $$

Hava bir ortam olarak kullanılıyorsa, akışın sabit bir Mach sayısında tutulması gerektiğini varsayarsak, $ / rho $ ve $ u $, gaz dinamik ilişkileri ile sabitlenir. $ \ mu $ hemen hemen elimizde değil, bu yüzden sabit olmayan tek parametre $ d $.

$ D $, bir model için gerçek bir uçaktan çok daha küçük olduğundan, akış, gerçek bir uçaktan daha düşük bir $ \ text {Re} $ olacaktır. Bu, bir model için gerçek bir uçaktan farklı akış ayırma özellikleri verecektir.

Ses altı sınamada, önemli olan tek şey $ \ text {Re} $ 'dır ve verilen $ d $ için $ u $ ayarını değiştirerek gerçek boyuta uyacak şekilde ayarlanabilir. Fakat süpersonik akışta, bu akışa sahip değiliz, çünkü $ u $, gelen akışın Mach sayısına göre belirlenir.

Peki rüzgar tüneli modelleri uçak, uzay aracı ve füzelerin tasarımında nasıl kullanılıyor? Akış ayrılmasını daha iyi tahmin etmek için düzeltme teknikleri var mı? CFD verileriyle ilgilenmek için aynı teknikler kullanılabilir mi?


3
Bu konuyla ilgili kavramlar müthiş ve bunu caydırmak istemiyorum. Ancak, bu sorunun özü wikipedia makalenin ikinci cümlesinde cevaplanmıştır. süpersonik rüzgar tünelleri . Ölçeklendirmenin pratikleriyle ilgili daha fazla soru görmek isterdim (yakında kendimden birini biraz daha farklı bir konuda yayınlayabilirim).
Dan

Yanıtlar:


5

Yaklaşık 40 yıl önce Fluid Dynamics topluluğunda, grup öncelikle deneyciler ve teorisyenlere ayrıldı. Ancak, o zaman CFD oldukça yeniydi, pahalı süper bilgisayarlarda çalıştırılmalı ve güvenilmezdi. Bir teorisyen veya deneycinin CFD'nin sonuçlarını en iyi şekilde indirim yapması oldukça yaygındı, diğerleri CFD sonuçlarını yararsız olarak tamamen göz ardı edebilir. Aslında, eski doktora danışmanım Dr. David Whitfield, Arnold Engineering Development Complex (AEDC) 'de aerodinamik deneyler yanında CFD kullanmanın öncülerinden biriydi. Bu referans CFD hakkındaki düşünceleri o günlerde iyi açıklar:

AEDC'de, CFD rüzgar tüneli testini desteklemek için kullanıldı, ancak   Whitfield'a, CFD'ye ilk başta inanan pek fazla insan yok.   1970'ler.

“Aslında,” dedi. “AEDC’de CFD’yi   1970'lerin başında muhtemelen beni maundan veya maunun içinden attı.   kapılar. Ancak, CFD akışın kaynağını açıklamak için kullanıldığında   16T test bölümünde ve AEDC Üyesi   John Adams'ın VKF'deki CFD grubu orada bir tünelin nasıl olduğunu açıkladı   Aslında Mach 12'de çalışıyor ve Mach 16'da daha önce düşündüğüm gibi çalışmıyor,   CFD yeni bir hayat buldu. "

"Bir keresinde AEDC'nin test verisi olduğu ve hiçbir şey olmadığı söylendi   CFD için yer '' dedi.   işlerini daha iyi yapabilmek için tünelleri çalıştırmak. Sanmıyorum   AEDC sadece bir 'test verisi' yeri olmalıdır. Aksine bir yer olmalı   problemlerin çözümleri ve fiziksel olarak anlaşılması için   bunlar arasındaki karşılıklı işbirliği ile daha iyi başarılabilir   deneylere ve nümeriklere odaklananlara odaklanmak. "

O günlerde, genellikle tasarımcı yeni bir prototip tasarlar ve test etmek için rüzgar tüneline gönderirdi ve belki de bazı CFD'ler aynı anda gerçekleştirilirdi. Genellikle inşa edilmiş ve test edilmiş çok maliyetli olan birçok prototip olacaktır. Eskiden çalıştığım deneysel bir tesis, test başına günde 16.000 dolar alıyordu. Öte yandan, OpenFoam ve küme bilgisayarları gibi sağlam açık kaynaklı CFD kodlarının geliştirilmesiyle, CFD simülasyonları oldukça ucuzdur.

Böylece, zamanla CFD olgunlaşmaya başladı ve kümelenme bilgisayarlarının popülerleşmesiyle ucuz bir şekilde çalışması oldukça uygun hale geldi. AIAA Journal gibi dergilerde yayınlanan deneylerle ilgili gittikçe daha fazla doğrulama ile CFD modelleri giderek daha fazla güvenilmeye başlandı. Günümüzde, deneme çalıştırma maliyeti CFD simülasyonlarını çalıştırmaya kıyasla çok daha pahalıdır. Bu nedenle, ilk tasarım aşamalarında daha fazla CFD simülasyonu kullanılır, birçok tekrar tekrar ileri gelir ve bugünlerde bile CFD tabanlı tasarım optimizasyonu (CDO) tasarım sürecinde sıklıkla kullanılır.

Günümüzde, rüzgar tünellerinin bugünlerde temel olarak aşağıdaki nedenlerden dolayı kullanıldığını anladım: (1) nihai prototipleri test etmek ve (2) süpersonik akışlarda, özellikle daha doğru sayısal modeller geliştirmek için temel araştırma yapmak.

Akış benzerliği elde etmekle ilgili olarak, Reynolds Numarası ve Mach numarası gibi iki farklı boyutsuz sayınız olduğunda, deneysel, hangi sayının eşleşmesi için en önemli olduğunu seçmelidir. Ses altı akışları için Reynolds sayısı kullanılmalı, transonik ve süpersonik akışlar için Mach sayısı kullanılmalıdır.

Çoğu zaman rüzgar tünelinde bir model testi kullanarak gerçek prototipin Reynolds sayısı eşleştirilemez. Örneğin, Reynolds sayısı 2.000.000.000 olan bir 747'yi düşünün ( referans ). Bu tür Reynolds sayılarına uyan bir rüzgar tüneli üretmek neredeyse imkansız. İnsanlar sıcaklığı düşürerek ve düşük sıcaklıklarda düşük yoğunluklu gazları kullanarak Reynolds sayısını arttırmaya çalıştı. Örneğin, Avrupa transonik rüzgar tüneli (ETW), -196 $ ^ {\ circ} $ C kadar soğuk azot kullanan ancak metrede sadece maksimum 50 milyon Reynolds sayısına ulaşan, dünyanın en büyük kriyojenik rüzgar tünellerinden biridir. . Maksimum 9 m uzunluğundaki test bölümü ile mümkün olan maksimum Reynolds sayısı 450.000.000 olacaktır, yine de Boeing 747'nin yarısından daha azdır. Bu durumlarda, insanlar sonuçların daha büyük hale getirilebilmesi için ölçeklendirme yasaları geliştirmişlerdir. Reynolds sayısı. Ölçekleme, öncelikle cilt sürtünmesi gibi diğer şeyleri de etkileyen ve sonuçta kaldırma ve sürükleme yapan sınır tabakasının kalınlığı ile ilgilidir. Bu konuları tartışmak için 2003 yılında Princeton Üniversitesi'nde özel bir konferans düzenlendi. Konferansın sonuçları bu kitaptı: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3


1

Deneyimlerime göre deneyler sadece şunlar için kullanılır:

  • sayısal yöntemleri doğrula
  • CFD tarafından doğru şekilde yakalanmayan akış özelliklerini çözün (örneğin, kararsız akış, uzunluk ve zaman ölçeklerindeki farklılıklar, akışkan-yapı etkileşimi

@Wes’in dediği gibi, modern CFD’nin kalitesi ve doğruluğu, modern kümelerin hesaplama gücü ile birlikte o kadar yüksektir ki, basit deneylerin yapılması normalde buna değmez.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.