Aerodinamika

MAINSKI FAKULTET UNIVERZITETA U BEOGRADU AERODINAMIKA

Osnovne akademske studije 2013; V semestar; izborni predmet; dr Ivan Kosti, vanredni profesor

1

Metode merenja u aerotunelima Zavisno od svrhe ispitivanja i podataka koji se prikupljaju, merenja koja se obavljaju u aerotunelima mogu se svrstati u nekoliko kategorija: (1) Merenja sila i momenata koje vazduna struja odreene brzine generie na ispitivanom modelu (to moe biti: avion, helikopter, raketa, kosmiki brod, bicikl, motor, automobil, autobus, kamion, vagon, most, oblakoder, lansirna rampa, naftna platforma, visea ardinjera sa cveem ... - ta god vam padne na pamet, to je najverovatnije neko ve ispitivao). (2) Merenja pritisaka kako u strujnom polju oko modela (u vrtlonom tragu iza aviona, u helikoidalnom mlazu ispod i iza rotora helikoptera, elise aviona, itd.), tako i na samom modelu (odreivanje raspodele pritiska u presecima na krilu ili trupu, na motorskoj gondoli iza elise, unutar i oko uvodnika ili aerodinamikih oplata mlaznih motora; na zgradi, rashladnom tornju elektrane ...). (3) Merenja dinamike ponaanja modela po izlaganju vazdunoj struji, pri emu se prati njegov odziv u odreenom vremenskom periodu (tom prilikom se uglavnom ne mere nikakvi konkretni parametri vezani za sile, momente ili pritiske). Na primer, to mogu biti ispitivanja slobodnog leta modela putenog sa plafona radnog dela, modela okaenog o tanki elastini nosa, ponaanja paraglajdera tokom leta, koionog padobrana aviona, ispitivanja kovita slobodnoleteih modela u vertikalnom radnom delu, itd. (4) Merenja izdrljivosti objekata pod kraim dejstvom vazdune struje vee brzine ili dugotrajnim dejstvom struje manje brzine (npr. izdrljivost spoljanjih aluzina na prozorima, metalnih vrata garaa ili hangara, biljaka pri udarima uraganskog vetra i sl.), itd.

Slika 1. Primeri raznih vrsta merenja u aerotunelima



2

Merenje sila i momenata pomou aerovaga

1. Uvod Efekti dejstva vazdune struje na model u radnom delu

aerotunela su rezultujua aerodinamika sila i odgovarajui aerodinamiki moment. Rezultujua sila i moment razlau se na komponente u pravcu osa usvojenog koordinatnog sistema (ukupno ih ima est - slika 2.). Pored osnovnog zadatka merenja ovih komponenti sila i momenata, aerovage moraju da omogue i merenja drugih podjednako znaajnih parametara (npr. napadnih uglova, uglova skretanja itd.).

Ovi zadaci su veoma sloeni. Da bi se dobili pouzdani i operativno upotrebljivi rezultati, konstrukcije aerovaga moraju da ispune sledee zahteve:

razdvojivost komponenti - ako bi se npr. kod putnikog aviona samo 5% uzgona "ugradilo" u otpor, izmereni otpor mogao bi da bude ak dvostruko vei od stvarnog.

tanost i pouzdanost u zahtevanom opsegu merenja brzina, Mahovih brojeva, napadnih uglova, uglova skretanja, itd.

kompaktnost, stabilnost i vrstoa ugibi delova konstrukcije aerovage od svega nekoliko milimetara mogu, na primer, u nekim sluajevima da dovedu do nedozvoljeno velike promene napadnog ugla modela.

Iz ovih razloga cene sofisticiranijih aerovaga izraavaju se u stotinama hiljada dolara.

Slika 2. Komponente aerodinamike sile i momenta



3

2. Podela aerovaga

Aerovage se mogu klasifikovati na vie naina: prema broju komponenti koje mogu da mere, prema nainu merenja (principu po kome funkcioniu davai sile) i po tipu (tj. smetaju u okviru instalacije za ispitivanje). Po broju komponenti koje mogu da mere, aerovage mogu biti:

jednokomponentne ( XR ) dvokomponentne ( ZR i XR ) trokomponentne ( ZR , XR i YM ) .... estokomponentne

Prema nainu merenja aerovage se dele na:

mehanike elektrine optike

Po tipu aerovage mogu biti:

spoljanje (optereenja se fiziki prenose izvan radnog dela aerotunela, da be se tek tamo vrila merenja)

unutranje (smetene su u samom modelu, a van radnog dela se prenosi samo elektrini ili optiki signal).

(A) (B)

Slika 3. Kod prikazane spoljanje aerovage (A) platforma se nalazi u ravni poda radnog dela, a merni sistem ispod njega; unutranja aerovaga (B) nalazi se u modelu (ova se koristi

za vrlo sloena merenja aerodinamikih derivativa, sa vetakom pobudom modela).



4

3. Opti ematski prikaz merenja komponenti sila i momenata

Generalni princip merenja sila i momenata pomou aerovaga

predstaviemo na jednom vrlo uproenom prikazu. Pretpostavimo da je model u osi radnog dela aerotunela fiksiran pomou tankih vrstih tapova (slika 4), a da kao davae sila koristimo dinamometre koji rade na principu opruge (samo u ovom primeru inae, takvi davai sile se ne smeju koristiti u aerotunelskim merenjima, jer bi uzrokovali prevelika pomeranja modela tokom samog ispitivanja). Pozicije davaa sile, kao i izmerene vrednosti sile oznaiemo velikim slovima. Predznak sile na davau koji se rastereuje, ili je pritisnut, bie negativan.

Korienjem ovih konvencija, tri komponente aerodinamike sile i tri komponente momenta moemo odrediti na sledei nain:

ZR C D E=

XR A B= +

YR F= ( ) / 2XM C D b= ( ) / 2ZM A B b=

YM E c= pri emu u gornjim jednainama pojedini predznaci mogu varirati zavisno od pretpostavljenog smera postavnih uglova modela.

Ovaj princip moe se generalno primeniti na bilo koji tip aerovage, ali e konkretna konstruktivna ema uticati na eventualne izmene u gore prikazanim jednainama. Neki karakteristini primeri bie dati u nastavku.

Slika 4. ema merenja



5

4. Spoljanje aerovage Istorijski posmatrano, prve spoljanje aerovage bile su mehanike. Meutim, zbog brojnih prednosti elektrinih davaa sile u odnosu na

mehanike merne sisteme, pored mehanikih, danas je u upotrebi i veliki broj spoljanjih elektrinih aerovaga. Osim toga, meu starim tipovima aerotunela mogu su se nai oni u kojima su modeli vezivani pomou sistema ica ili tankih sajli (ali po emama dosta komplikovanijim od one na slici 4, poto je jasno da se sajle mogu opteretiti samo na istezanje). Takav sistem vezivanja modela ima svoje mane. Prvo, prisustvo ica ispred modela remeti strujno polje, naroito pri veim brzinama. Drugo, sve vei savremeni aerotuneli podrazumevaju i sve vee i tee modele, pa ovakav nain fiksiranja modela vie nije adekvatan. Zato se danas skoro iskljuivo koriste kruti nosai (jedan, dva ili tri), pri emu se primenjuju kinematske eme koje omoguavaju promenu uglova bez prekida rada tunela (slika 5).

Slika 5. Levo - jedna od moguih ema postavljanja modela, u ovom primeru korienjem dva nosaa (vrlo uproen prikaz).

Desno - model domaeg kolsko-borbenog aviona G-4 na dva nosaa u radnom delu aerotunela T-35 u VTI arkovo.



6

4.1 Aerovaga sa platformom (engl. platform balance)

Aerovage sa platformom kao oslonac mogu imati tri ili etiri "noge". Na slici 6 prikazana je uproena ema jedne ovakve aerovage sa tri noge. (Radi jednostavnosti, kinematski sistemi za promenu napadnog ugla i ugla klizanja modela su izostavljeni.) Sile i momenti se formalno odreuju kao reakcije oslonaca po sledeim izrazima:

ZR A B C=

XR D E= +

YR F= ( ) / 2XM A B l= ( ) / 2ZM E D l=

YM C m= U prolosti aerovage ovog tipa bile su u dosta irokoj upotrebi.

Rade po prostom ortogonalnom sistemu, njihova konstrukcija je izuzetno jednostavna, kao i montaa i usklaivanje njenih osa sa pravcem strujanja u radnom delu.

Meutim, one imaju i prilino mana: interakcije izmeu izmerenih komponenata sile mogu biti dosta velike, momenti se dobijaju na osnovu malih razlika u velikim vrednostima sila (problem same koncepcije), centar svoenja nije na samom modelu, pa se moment propinjaja mora naknadno prevesti, itd. Generalno, potrebno je vriti dosta velike naknadne korekcije izmerenih vrednosti, pa se ovakve aerovage danas uglavnom koriste u univerzitetskim aerotunelima za obavljanje vebi.

Slika 6. ematski prikaz aerovage sa platformom



7

Slika 7. Elektrina aerovaga sa platformom projektovana i proizvedena u VTI arkovo, namenjena prevashodno univerzitetima. Desno su

crvenom bojom prikazani davai sile koji se realno moraju uzeti u obzir pri sraunavanju pojedinih komponenti sile i momenta



8

4.2 Aerovaga tipa jaram (engl. yoke balance)

U cilju prevazilaenja problema koje imaju aerovage sa

platformom, razvijen je tip aerovage sa platformom modeliranom u obliku razvuenog latininog slova "U" (jaram). Boni delovi platforme su izdignuti do ravni modela, pa se centar svoenja nalazi na samom modelu, ime je poveana tanost u sraunavanju momenata. Moment propinjanja uvodi se u jedan od oslonaca koji se suprotstavlja otporu, a ne uzgonu. Formalni izrazi za odreivanje komponenata sile i momenta su:

ZR A B=

XR C D E= + +

YR F= ( ) / 2XM B A l= ( ) / 2ZM D C l=

YM E m= Platforma ovog tipa aerovage mora se prostirati od jednog do

drugog bonog zida aerotunela, to predstavlja njen nedostatak, jer u sluaju merenja veih sila moe doi do pojave ugiba konstrukcije aerovage. Ako elimo to da spreimo, platforma mora biti vra i masivnija, to samo po sebi negativno utie na merni sistem, pa njena konstrukcija mora predstavljati optimalni kompromis u tom smislu.

Detaljan ematski prikaz jedne od moguih konstruktivnih ema ovog tipa aerovage dat je na slici 9.

Slika 8. Uproen ematski prikaz aerovage sa jarmom



9

Slika 9. Detaljnija ema jedne od moguih konstrukcija aerovage sa jarmom. Merenja sila i momenata vre se koncepcijski neto drugaije nego u primeru na slici 8 - ovde svaku komponentu meri samo jedan dava. U - uzgon (ispod glavne platforme, nije vidljiv na ovoj slici) O - otpor K - klizanje

P - propinjanje S - skretanje V - valjanje



10

4.3 Aerovaga tipa piramide (engl. pyramidal balance)

Ovaj tip aerovage prevazilazi probleme vezane za tanost merenja sila i momenata koji postoje kod prethodna dva tipa. Gornja platforma vezana je za platformu ispod nje tapovima sa elastinim zglobovima na krajevima, ije se zamiljene produene ose stiu u jednoj taki na modelu (vrh imaginarne "piramide"), gde se nalazi centar svoenja. Merenje svih est komponenti vri se u est zasebnih mernih sistema, pa je na taj nain izbegnuto odreivanje sila i momenata pomou malih razlika sila (u detalje konstrukcije ovom prilikom neemo ulaziti).

Konstrukcija ovog tipa aerovaga je komplikovana (slika 11 - po izgledu ni po emu ne podsea na piramidu), a sloeno je i njihovo badarenje i odravanje. S druge strane, ovim tipom aerovaga mogu se obavljati vrlo ozbiljna profesionalna merenja, od kojih se oekuje visoka tanost i pouzdanost rezultata.

Slika 10. Uproen ematski prikaz aerovage tipa piramida

Slika 11. Konstrukcija "piramide" - Texas A&M University



11

4.4 Ispitivanja polumodela i aeroprofila

Maksimalne dimenzije modela aviona ili krila koje treba ispitati u radnom delu odreenog aerotunela mogu se ostvariti korienjem tzv. polumodela. Ogranienje ove koncepcije je to se takvim ispitivanjima ne mogu simulirati nesimetrini uslovi opstrujavanja - klizanje, istovremeno diferencijalni otkloni i levog i desnog elerona, otklon krmila pravca, itd. Da bi se obezbedila simulacija druge nepostojee strane modela, potrebno je da u ravni simetrije postoji povrina koja e reflektovati aerodinamike uticaje njegove postojee polovine, kao lik u ogledalu. Ta povrina moe biti ravna granina ploa, ali isto tako i pod, plafon ili zidovi radnog dela.

Na slici 12 (A) prikazan je polumodel krila sa graninom ploom. Granini sloj koji se formira du ploe u odreenoj meri remeti strujanje u samom korenu polukrila, ali je svakako manje debljine od graninog sloja koji je formiran po zidovima radnog dela do mesta gde se nalazi model, to je prednost ovog pristupa u odnosu na postavljanje modela na zid. S druge strane, sama ploa stvara otpor koji treba odrediti i oduzeti od ukupne izmerene vrednosti. Osim toga, zbog ograniene veliine (kako je prikazano na slici), ona ne moe dovoljno kvalitetno da reflektuje strujanje kao npr. zid mnogo veih gabarita. Na slici 12 (B) prikazan je model uzgonske povrine vezan za pod radnog dela pomou jednog obrtnog nosaa. Promena napadnog ugla u ovom sluaju vri se na nain koji bi kod "normalnih" ispitivanja odgovarao promeni ugla skretanja. Vano je uoiti da u ovom sluaju postoji procep izmeu modela i poda radnog dela.

Slika 12. (A) polumodel krila sa graninom ploom na dva nosaa; (B) polumodel na obrtnom nosau, sa procepom;

(C) polumodel krila na obrtnom nosau, bez procepa.



12

Neka ranija teorijska razmatranja tvrdila su da, u takvim sluajevima, procep od 1% ukupnog razmaha

krila ukljuujui i nepostojeu polovinu modela, smanjuje efektivnu vitkost krila do te mere da se indukovani otpor moe poveati skoro za 50%. Meutim, praksa je pokazala da efekti viskoznosti redukuju intenzitet prostrujavanja, pa se danas smatra da procepi manji od 0,5% razmaha ne utiu bitnije na rezultate merenja. Problem procepa moe se eliminisati fizikim spajanjem polukrila sa obrtnim stolom (slika 12 (C)), ali tada se u izmereni otpor ukljuuje i otpor stola. U sluajevima kada je prioritet merenje uzgonskih karakteristika, izmetanje kompletnog polumodela van graninog sloja radnog dela dae kvalitetnije rezultate, uprkos injenici da je ovim letelica efektivno malo "razvuena" po razmahu (slika 13 levo - postoji metalni umetak u ravni simetrije modela).

Ispitivanje aeroprofila, tj. simulacija beskonanog razmaha, vri se na pravougaonim modelima krila, pri emu je uslov spreavanje sekundarnog strujanja oko krajeva krila (ova merenja obavljaju se i korienjem metoda pritisaka). To se postie ili postavljanjem modela horizontalno izmeu vertikalnih graninih ploa koje se prostiru od poda do plafona, ili postavljanjem modela vertikalno, tako da mu je jedan kraj na podu, a drugi na plafonu (slika 14 - u ovom primeru model je fiksiran pomou jednog - donjeg nosaa). Prethodna razmatranja pojava vezanih za granini sloj i procep u korenu polumodela principski vae i za ispitivanja aeroprofila, pri emu se u ovom sluaju odnose na oba kraja modela.

Slika 14. Ispitivanje aeroprofila

Slika 13. Polumodel na obrtnom stolu (levo), proizveden u VTI arkovo, ispitivan u Oneri; kalibracioni polumodel aviona u aerotunelu T-38 VTI (desno).



13

Prve spoljanje aerovage za merenje sila i momenata na polumodelima bile su uglavnom klasine konstrukcije, dosta sline spoljanjim mehanikim aerovagama za ispitivanje kompletnih modela i sastojale su se od sistema tapova, prenosnih poluga i mehanikih davaa sila. Za razliku od toga, savremene polumodelske aerovage su elektrine, dok je njihova konstrukcija najee tzv. monoblok tipa, to znai da su napravljene iz jednog komada metala (ovaj konstruktivni prisup vrlo je est kada su u pitanju unutranje aerovage, o kojima e biti rei u narednom poglavlju).

ematski prikaz konstrukcije aerovage za polumodele velikog trisoninog aerotunela T-38 u VTI arkovo (slika 13 - desno), u vidu CAD modela, dat je na slici 15 (A).

Na slici 15 (B) vidi se polumodelska aerovaga namenjena ispitivanjima u malom trisoninom aerotunelu T-36 ovog instituta.

Na slici 15 (C) prikazana je merna elija monoblok aerovage za polumodele (elektrini davai sile jo nisu postavljeni), koja se koristi u aerotunelu malih brzina u Kolonju (Cologne), Francuska. Prenik aerovage je 250 mm i njome se moe meriti normalna sila do 5800 N. Ovakve aerovage obino su veoma osetljive na promene temperature, pa zato zahtevaju vrlo preciznu kontrolu temperature unutar prostora gde su smetene. Slika 15. Aerovage za polumodele

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName (http://www.color.org) /PDFXTrapped /Unknown

/Description >>> setdistillerparams> setpagedevice

Aerodinamika

Documents

Transcript of Aerodinamika