Способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела

 

Изобретение относится к технологии проведения аэродинамических испытаний и касается разработки способа определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела. Способ заключается в наблюдении свободного падения тела под действием силы тяжести с помощью регистрирующих устройств. При этом тело ориентируют в пространстве. Способ характерен тем, что устанавливают моменты прохождения тела мимо регистрирующих устройств. После этого определяют момент начала движения тела с постоянной скоростью. Эта скорость позволяет судить о коэффициенте аэродинамического сопротивления движущегося тела. Технический результат реализации изобретения заключается в снижении трудоемкости осуществления описываемого способа определения коэффициента аэродинамического сопротивления, а также в повышении точности и достоверности этого определения наряду с расширением технологических возможностей в связи с наличием возможности определения коэффициента аэродинамического сопротивления тела, движущегося в различных сплошных средах.

Изобретение относится к области экспериментальных исследований аэродинамического сопротивления движущегося тела.

Известен способ определения коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела путем наблюдения движения объединенных механической связью в одно целое исследуемого и эталонного тел в свободно-молекулярном потоке газовой среды. Запуск объединенных исследуемого и эталонного тел в свободномолекулярный поток газовой среды производят, например, посредством пневмопушки. Силу лобового сопротивления исследуемому телу, позволяющую судить о коэффициенте лобового сопротивления движущегося тела, определяют во время движения тела с помощью измерительного устройства, изготовленного в виде датчика, связанного с эталонным и исследуемым телами (см. патент РФ N 2006808, МПК⁵ G 01 M 9/00).

Недостатками описанного способа определения коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела являются повышенная трудоемкость измерений из-за использования сложного устройства для запуска и специального измерительного устройства, а также узкие технологические возможности вследствие определения коэффициента лобового сопротивления только в газовых средах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ измерения силы сопротивления движению тела путем наблюдения свободного падения ориентированного в пространстве тела под действием силы тяжести. Исследуемое и эталонное тела сбрасывают с высоты 115 м вместе с конструкцией, снабженной пружинным "динамометром" и регистрирующим устройством. Динамометрами, закрепленными на раме конструкции, измеряют силу сопротивления в процессе падения тел, а регистрирующим устройством на бумаге, навернутой на вращающиеся при падении барабаны, также закрепленные на раме, фиксируют показания динамометров. Ориентация движущегося тела в пространстве производится с помощью направляющей, имеющей утолщение в нижней части для предотвращения столкновения конструкции с землей (см. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. Общий курс. - М.: Наука, 1964. - С. 156-157).

Недостатками описанного способа измерения силы сопротивления движению тела являются повышенная трудоемкость измерений, т.к. для получения конечных результатов требуются большая высота, низкие точность и достоверность определения силы сопротивления среды, т.к. регистрируется воздушное сопротивление не только исследуемого тела, но и воздушное сопротивление всех частей конструкции, движущихся вместе с исследуемым телом, а также узкие технологические возможности вследствие обеспечения измерения только воздушного сопротивления.

Техническим результатом является снижение трудоемкости, повышение точности и достоверности определения силы сопротивления, а также расширение технологических возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела путем наблюдения посредством регистрирующих устройств свободного падения ориентированного в пространстве тела под действием силы тяжести устанавливают моменты прохождения тела мимо регистрирующих устройств, после чего определяют момент начала движения тела с постоянной скоростью, позволяющей судить о коэффициенте аэродинамического сопротивления движущегося тела.

Снижение трудоемкости заключается в том, что способ можно применять в лабораторных условиях, т.к. для его осуществления не требуется опускать тело с большой высоты.

Повышение точности и достоверности определения силы сопротивления обеспечивается вследствие того, что для определения силы сопротивления среды движению тела и по этой силе - коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела - устанавливают моменты прохождения тела мимо регистрирующих устройств, после чего находят момент начала движения тела с постоянной скоростью, причем используют регистрирующие устройства, например, светового или электромагнитного типа, установленные на фиксированном расстоянии друг от друга на протяжении всего пути падения тела. Таким образом устраняется необходимость в использовании динамометров, измеряющих силу сопротивления движущихся тел.

Расширение технологических возможностей достигается вследствие обеспечения определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела, помещенного в различные сплошные среды.

Способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела осуществляется следующим образом. Предварительно на всем пути следования тела устанавливают регистрирующие устройства, например, светового или электромагнитного типа, на фиксированном расстоянии друг от друга. Затем производят наблюдение свободного падения под действием силы тяжести ориентированного в пространстве с помощью направляющей исследуемого тела, опускающегося от уровня расположения верхнего регистрирующего устройства. При этом устанавливают моменты прохождения исследуемого тела мимо регистрирующих устройств. Сначала движение тела является равноускоренным, но в момент времени, когда сила сопротивления среды уравновесит силу тяжести, движение тела становится равномерным. В этот момент определяют с помощью регистрирующего устройства начало движения тела с постоянной скоростью. Производят измерение времени прохождения расстояния между соседними регистрирующими устройствами, например, секундомером, и при известном расстоянии между этими регистрирующими устройствами определяют установившуюся скорость равномерного движения исследуемого тела по формуле v = s/t, где s - расстояние между регистрирующими устройствами, м; t - время прохождения исследуемого тела между регистрирующими устройствами, с.

Затем вводят полученное значение скорости равномерного движения исследуемого тела в формулу для расчета силы аэродинамического сопротивления где C_x - коэффициент аэродинамического сопротивления; ρ - плотность среды, кг/м²; v - установившаяся скорость равномерного движения исследуемого тела, м/с; F - площадь миделева сечения, м².

и, приравняв силу аэродинамического сопротивления к силе тяжести тела вследствие установившегося движения исследуемого тела с постоянной скоростью, т.е.

где m - масса исследуемого тела, кг;
q - ускорение свободного падения, q = 9,81 м/с²,
определяют коэффициент аэродинамического сопротивления C_x

Таким образом, величина постоянной скорости движения свободно падающего тела, определяемая при фиксации момента начала движения тела с постоянной скоростью, позволяет судить о коэффициенте аэродинамического сопротивления движущегося тела.

Использование предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом обеспечивает снижение трудоемкости, повышение точности и достоверности определения силы сопротивления и широкие технологические возможности вследствие определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела в различных сплошных средах.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела путем наблюдения посредством регистрирующих устройств свободного падения ориентированного в пространстве тела под действием силы тяжести, отличающийся тем, что устанавливают моменты прохождения тела мимо регистрирующих устройств, после чего определяют момент начала движения тела с постоянной скоростью, позволяющей судить о коэффициенте аэродинамического сопротивления движущегося тела.