Дозвуковая аэродинамическая труба с низким уровнем пульсаций потока инфразвукового диапазона

Изобретение относится к аэродинамическим трубам и может быть использовано для проведения различных испытаний моделей летательных аппаратов, наземного транспорта, зданий, сооружений, мостов. Аэродинамическая труба содержит форкамеру, коллектор, демпфирующие пластины на выходе коллектора, открытую рабочую часть, диффузор со сквозными демпфирующими отверстиями с расположением рядов отверстий на расстоянии от входного сечения диффузора, кольцевой раструб над диффузором, поворотные секции с поворотными лопатками, один возвратный канал, лопастный вентилятор, размещенный за диффузором. При этом диффузор имеет дополнительные сквозные демпфирующие отверстия, расположенные по отношению к уже имеющимся отверстиям на некотором расстоянии, а также отверстия, расположенные с зазором между лопастным вентилятором и диффузором и по отношению к имеющимся на расстоянии. Технический результат заключается в снижении пульсаций потока в инфразвуковом диапазоне, устранении вибраций трубы и здания, устранении вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к аэродинамическим трубам и может быть использовано для проведения различных испытаний моделей летательных аппаратов, наземного транспорта, зданий, сооружений, мостов. Изобретение может быть использовано для модернизации существующих аэродинамических труб.

Информация о контурах и параметрах дозвуковых аэродинамических труб широко представлена в литературе [1, 2].

Дозвуковые аэродинамические трубы можно подразделить на три основных класса: проточного типа, замкнутого типа и с камерой Эйфеля.

В России традиционно получили распространение аэродинамические трубы, см. [1, 2], замкнутого типа с открытой рабочей частью, содержащие форкамеру, коллектор, открытую рабочую часть, диффузор, кольцевой раструб над диффузором, поворотные секции с поворотными лопатками, один возвратный канал, лопастный вентилятор, размещенный непосредственно за диффузором.

Известна также, например, аэродинамическая труба замкнутого типа, см. [4], содержащая коллектор, рабочую часть, диффузор, обратный канал, вентилятор и поворотные секции, из которых, по крайней мере, первая и вторая секции имеют неодинаковые углы поворота потока, причем секция с меньшим углом поворота потока расположена в сечении, где скорость потока больше, а секция с большим углом поворота потока расположена в сечении, где скорость потока меньше.

Существенный недостаток дозвуковых аэродинамических труб замкнутого типа с открытой рабочей частью, с диффузором, выполненным с плавным раструбом на его входе или дополненным кольцевым раструбом, заключается:

- в склонности таких труб, при больших линейных размерах аэродинамических труб, к пульсациям потока инфразвукового диапазона;

- в появлении значительных вибраций аэродинамических труб и зданий, что может привести к разрушению последних;

- во влиянии инфразвуковой вибрации значительной амплитуды на обслуживающий персонал, что может иметь следствием заболевания обслуживающего персонала.

Устранению существенного недостатка аэродинамических труб замкнутого типа с открытой рабочей частью посвящены многие экспериментальные работы, проведенные в ЦАГИ, в их числе и работа [5].

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по техническому результату и техническому решению задачи и принятой в качестве прототипа является аэродинамическая труба замкнутого типа Т-103 ЦАГИ, [5]. Аэродинамическая труба Т-103 содержит форкамеру (1), коллектор (2), демпфирующие пластины (3) на выходе коллектора (2), открытую рабочую часть (4), диффузор (5), сквозные демпфирующие отверстия (6) суммарной площадью от 0,4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора (2) с расположением рядов отверстий на расстоянии от 0,6-0,9 диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (5) от его входного сечения, кольцевой раструб (7) над диффузором (5), поворотные секции (8) с поворотными лопатками (9), один возвратный канал (10), лопастный вентилятор (11), размещенный непосредственно за диффузором (5).

Перечисленные признаки прототипа (труба Т-103) являются общими с заявленным устройством аэродинамической трубы.

Недостатками известного устройства (аэродинамической трубы Т-103) являются:

- интенсивные инфразвуковые пульсации потока при скоростях свыше 40 м/с;

- значительные вибрации аэродинамической трубы и зданий;

- отрицательное влияние инфразвуковой вибрации значительной амплитуды на обслуживающий персонал.

Заявленное изобретение свободно от указанных недостатков.

Технический результат предлагаемого устройства состоит в снижении интенсивных инфразвуковых пульсаций потока при скоростях свыше 40 м/с, в устранении вибраций аэродинамических труб и зданий, в снижении отрицательного влияния инфразвуковой вибрации на обслуживающий персонал.

Указанный технический результат достигается тем, что в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью в соответствии с заявленным изобретением:

1. Диффузор (5) длиной L имеет дополнительные сквозные демпфирующие отверстия (12) суммарной площадью до 0,1 площади S выходного сечения коллектора (2) и продольным размером l, расположенные по отношению к имеющимся на расстоянии от до , а также отверстия (13) суммарной площадью до 0,15 площади S выходного сечения коллектора (2) и продольным размером l, расположенные с зазором Δ между лопастным вентилятором (11) и диффузором (5) и по отношению к имеющимся на расстоянии [L-(l/2+Δ)] от входного сечения диффузора.

2. Демпфирующие отверстия (6), (12) и (13) в диффузоре (5) выполнены зашитыми тонкой резиной с наружной поверхности диффузора (5);

3. Кольцевой раструб (7) над диффузором (5) выполнен с механизмом (14) продольного перемещения раструба (7) параллельно оси аэродинамической трубы.

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема устройства (контур) аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью.

Аэродинамическая труба замкнутого типа, как видно из представленной на Фиг. 1 схемы, содержит форкамеру (1), коллектор (2), демпфирующие пластины (3) на выходе коллектора (2), открытую рабочую часть (4), диффузор (5), сквозные демпфирующие отверстия (6) суммарной площадью от 0,4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора (2) с расположением рядов отверстий на расстоянии от 0,6-0,9 диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (5) от его входного сечения, кольцевой раструб (7), поворотные секции (8) с поворотными лопатками (9), возвратный канал (10), лопастный вентилятор (11), размещенный непосредственно за диффузором (5). На Фиг. 1 показаны дополнительные сквозные демпфирующие отверстия (12) суммарной площадью до 0,1 площади S выходного сечения коллектора (2) и продольным размером l, расположенные по отношению к имеющимся на расстоянии от до , а также отверстия (13) суммарной площадью до 0,15 площади S выходного сечения коллектора (2) и продольным размером l, расположенные с зазором Δ между лопастным вентилятором (11) и диффузором (5) и по отношению к имеющимся на расстоянии [L-(l/2+Δ)] от входного сечения коллектора. Демпфирующие отверстия (6), (12) и (13) в диффузоре (5) выполнены зашитыми тонкой резиной с наружной поверхности диффузора (5). Кольцевой раструб (7) над диффузором (5) выполнен с механизмом (14) продольного перемещения раструба (7) параллельно оси аэродинамической трубы.

Работа предлагаемой аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью осуществляется следующим образом. При включенном приводном электродвигателе десятилопастного вентилятора поток воздуха засасывается в диффузор аэродинамической трубы. Развиваемого вентилятором напора достаточно для преодоления сопротивления всего контура аэродинамической трубы. Поток воздуха в своем движении проходит диффузор, канал за вентилятором, четыре поворотные секции, возвратный канал и оказывается повернутым на 360°. Затем поток воздуха поступает в форкамеру и истекает через коллектор в открытую рабочую часть, и далее - засасывается в диффузор. Изменение скорости потока в открытой рабочей части достигается регулированием числа оборотов электродвигателя.

При работе предлагаемой аэродинамической трубы замкнутого типа с открытой рабочей частью могут иметь место интенсивные пульсации потока инфразвукового диапазона. Эти пульсации устраняются перемещаемым кольцевым раструбом, демпфирующими пластинами на выходе коллектора и демпфирующими отверстиями в диффузоре, выполненными в соответствии с заявленным изобретением.

Пример конкретной реализации дозвуковой аэродинамической трубы с низким уровнем пульсаций потока инфразвукового диапазона выполнен на базе дозвуковой промышленной аэродинамической трубы АТ-11 Санкт-Петербургского государственного университета. Контур аэродинамической трубы АТ-11 можно представить по Фиг. 2, где показаны практически основные геометрические размеры трубы.

Технические параметры трубы АТ-11:

Диаметр коллектора	2250 мм
Ширина (толщина) стенки коллектора на выходе	180 мм
Длина рабочей части	~4000 мм
Диаметр диффузора	2450 мм
Диаметр кольцевого раструба	3500 мм

Кольцевой раструб установлен на тележке, которая может перемещаться относительно входного сечения диффузора в продольном направлении навстречу коллектору от 0,1 до 0,29 диаметра D коллектора.

В аэродинамической трубе АТ-11, в соответствии с предполагаемым изобретением, практически отсутствовали необходимые демпфирующие устройства.

Постановка эксперимента. Модель аэродинамической трубы АТ-11 можно представить так, как это показано на Фиг. 3. Здесь модель аэродинамической трубы вытянута по продольной оси. Приведенная длина для нее дана с учетом длины открытой рабочей части.

В модели трубы АТ-11 можно выделить три составных резонатора:

- труба AT-11 как полуволновой резонатор;

- форкамера как резонатор Гельмгольца со вдувом потока со стороны дна;

- диффузор со стороны входа в трубу до лопастного вентилятора как четвертьволновой резонатор.

Частоты для полуволнового резонатора определяются из следующего соотношения:

Где: m=1, 2, 3…; a - скорость звука; L - длина резонатора (L ~58250 мм).

Частота для резонатора Гельмгольца:

Где: S - площадь отверстия; L - длина отверстия; V_O - объем резонатора.

В рассматриваемой геометрии проблематично считать форкамеру аэродинамической трубы резонатором Гельмгольца.

Частоты для четвертьволнового резонатора:

,

Где: m=0, 1, 2, 3, …; L - длина цилиндрического резонатора.

Представляется, что ответственным за существование столь мощных пульсаций давления в аэродинамической трубе при ее работе является автоколебательный процесс, развивающийся в диффузоре, или в канале от входа в диффузор до лопастей вентилятора. Вращающиеся лопасти вентилятора можно рассматривать как перфорированное дно четвертьволнового резонатора. Существование этого процесса в некотором диапазоне скоростей потока с определенной частотой может привести, при совпадении с собственной частотой форкамеры, к резонансу в форкамере. Для существования автоколебательного процесса в диффузоре необходимо создать неоднородность в натекающем потоке. Здесь неоднородность в натекающем потоке создается вращающимися лопастями вентилятора.

Определяемые параметры колебательного процесса в аэродинамической трубе: амплитуда и частота пульсаций давления. Эти параметры желательно измерять в диффузоре и в форкамере аэродинамической трубы. В этом случае можно определить, по крайней мере, при каких скоростях потока (числах Маха М потока) в открытой рабочей части "звучит" тот или иной резонатор.

Определяющие параметры: параметры подобия процесса число Маха М, число Струхаля St, число Рейнольдса Re и геометрические параметры аэродинамической трубы на входе в диффузор. Таким образом, в экспериментальном исследовании пульсаций потока в аэродинамической трубе можно варьировать скоростью потока и неочевидными дополнительными конструктивными устройствами в диффузоре, влияющими на определяемые параметры.

Отсюда формулируется и цель экспериментальных исследований:

- определить основной резонатор в аэродинамической трубе;

- определиться с конструктивными устройствами, снижающими или устраняющими пульсации давления инфразвукового диапазона в аэродинамической трубе.

На Фиг. 4 показана схема расположения используемых для регистрации пульсаций давления в аэродинамической трубе АТ-11 дифференциальных малогабаритных индуктивных датчиков давления ДМИ 0,1. Датчики установлены в следующих точках: Д1 - на стенке форкамеры; Д2 - на стенке диффузора; Д3 - на оси потока (на оси потока размещена трубка Пито, и уже с трубки Пито силиконовыми шлангами полное давление передается на датчик Д3); Д4 - в ближнем поле потока. Два первых датчика регистрируют пульсирующее давление в потоке вблизи стенок канала аэродинамической трубы.

Блок-схема системы измерения пульсаций давления показана на Фиг. 5. Датчики давления подключены к индуктивным высокочастотным преобразователям ИВП-2. Выходы измерительных каналов ИВП-2 соединены

- с измерительно-вычислительным комплексом PULSE посредством системы сбора информации LAN-XI (аппаратура Брюлль и Къер) и

- с цифровым осциллографом (4-х лучевой осциллограф LECROY WaveSurfer 24Xs-A).

Цифровой осциллограф позволяет производить регистрацию временных реализаций сигналов датчиков по открытому или закрытому входам Y-усилителей, а также работать в режиме регистрации X-Y сигналов. В режиме регистрации X-Y сигналов можно получить отклики сигналов на пульсации давления в точках установки датчиков в функции скоростного напора, регистрируемого датчиком Д3.

В трубке Пито и в соединительном шланге от трубки до датчика Д3 наблюдаются пульсации давления, вызванные вибрацией трубки Пито в потоке и пульсациями самого потока. Для удовлетворительного демпфирования пульсаций следует достаточно жестко закрепить трубку Пито к конструкции аэродинамической трубы и выполнить длинным соединительный шланг от трубки Пито до датчика Д3.

Дополнительные сложности при регистрации пульсаций давления датчиками ДМИ 0,1 проявляются в том, что мембрана чувствительного дифференциального датчика ДМИ 0,1 в экспериментальном исследовании пульсаций потока в аэродинамической трубе может быть подвержена с двух сторон соразмерным давлением. Для повышения точности измерения рабочего давления и устранения фазочастотных искажений сигнала датчика с нерабочей стороны к штуцеру-приемнику датчика следует присоединить силиконовый шланг длиной до 100 мм, заглушить и экранировать его.

Сложности возникают и с динамической тарировкой индуктивных датчиков ДМИ 0,1. Здесь можно воспользоваться результатами статической тарировки датчиков на пневмогидравлическом прессе, см. [6], и провести динамическую тарировку датчиков с помощью пистонфона модели 4228 фирмы Брюль и Къер. Пистонфон модели 4228 является точным эталоном опорного источника звука для калибровки звукоизмерительной аппаратуры в лабораторных и полевых условиях (уровень звукового давления опорного сигнала - 124 дБ, частота опорного сигнала - 250 Гц).

Определенная по СКЗ и введенная в программы измерительно-вычислительного комплекса Брюль и Къер чувствительность, как параметр датчика, приводит при обработке опорного сигнала к уровню давления в 124 дБ. Сравнение значений чувствительности датчиков, определенных по СКЗ и по результатам статической тарировки датчиков, показывает, что чувствительность при статической тарировке в раза выше чувствительности по СКЗ. Таким образом, при отсутствии эталонных генератора давления и преобразователя давления появляется реальная возможность измерить амплитуды пульсаций давления в канале аэродинамической трубы.

При измерении пульсаций давления в аэродинамической трубе АТ-11 необходима проверка правильности установки датчиков. Проверка заключается в том, что не оказались ли точки размещения датчиков в диффузоре и в форкамере в узле или в пучности акустической волны в закрытом канале аэродинамической трубы.

Проверка правильности точек размещения датчиков в диффузоре и в форкамере иллюстрируется следующим чертежом, см. Фиг. 6.

На Фиг. 6 ось X - скоростной напор в потоке на выходе коллектора. Ось Y - динамические пульсации статического давления в точках установки датчиков. Как видно из представленных осциллограмм, в диффузоре (датчик Д2) и в форкамере (датчик Д1), начиная с малых скоростей потока на выходе коллектора, в закрытом канале аэродинамической трубы развивается колебательный процесс. О каких либо характерных точках или зонах (режимах) в колебательном процессе по этим результатам говорить не приходится. Процесс живет во всем диапазоне скоростей потока.

В ближнем поле струйного потока (датчик Д3) вне открытой рабочей части аэродинамической трубы отсутствуют интенсивные пульсации давления.

В диапазоне скоростей свыше 42 м/с (скоростной напор до 940 Па) при проведении экспериментальных исследований обнаружен небезопасный эксплуатационный режим, проявляющийся в значительной вибрации здания и конструкции аэродинамической трубы.

1. Демпфирование пульсаций кольцевым раструбом. На аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ (прототип) кольцевой раструб закреплен неподвижно по отношению к диффузору. Расстояние от коллектора до кольцевого раструба составляет 4000 мм при длине рабочей части 4740 мм. Следовательно, вылет раструба l по отношению к диффузору равен 740 мм или, при одном из размеров эллипсовидного коллектора 2350 мм, - 0.315. В работе [5] дана только качественная оценка влияния раструба на пульсации потока в аэродинамической трубе: раструб сужает области существования пульсационных режимов в аэродинамической трубе по скорости потока.

На аэродинамической трубе АТ-11 кольцевой раструб установлен на тележке, и его можно перемещать навстречу коллектору на расстояние - от 0,1 до 0,3. Влияние положения раструба на пульсации потока в трубе АТ-11 показано на приведенных осциллограммах пульсаций давления в форкамере и диффузоре в функции скоростного напора потока на выходе коллектора, см. Фиг. 7.

Влияние положения кольцевого раструба - налицо. Если существует возможность продвинуть в существующих аэродинамических трубах кольцевой раструб навстречу коллектору, то это необходимо осуществлять.

2. Сквозные демпфирующие отверстия в диффузоре суммарной площадью от 0,4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора с расположением рядов отверстий на расстоянии от (0,6-0,9) диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (5) от его входного сечения.

В аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ, см. работу [5], выполнено два ряда демпфирующих отверстий с площадью 0,44 S на расстоянии (0,57-0,78) D от входного сечения диффузора и один ряд таких же отверстий, зашитых брезентом, площадью 0,22 S на расстоянии (0,87-0,93) D. D - диаметр выходного сечения коллектора; S - площадь выходного сечения коллектора. Два ряда перечисленных отверстий выполнены в пределах 1/3 длины диффузора.

В диффузоре аэродинамической трубы АТ-11 выполнен в поперечном сечении диффузора один ряд из десяти демпфирующих прямоугольных отверстий 700×300 мм на расстоянии в пределах 1/3 длины диффузора L, с зашивкой прямоугольных отверстий тонкой вакуумной резиной.

На Фиг. 8 приведены фотографии с видом на демпфирующие отверстия в диффузоре со стороны рабочей части и с наружной стороны аэродинамической трубы. Видны десять отверстий в стенках диффузора, с зашивкой прямоугольных отверстий тонкой вакуумной резиной снаружи диффузора и изнутри - с зашивкой металлической сеткой.

Оценка влияния отверстий в диффузоре на пульсации давления проводилась по результатам спектрального анализа сигналов датчиков Д1 и Д2, установленных в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы. Измерения проводились пошагово, с изменение скорости вращения вала вентилятора.

На Фиг. 9 приведены результаты измерений амплитуд и частот пульсаций давления в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы АТ-11 (Фиг. 9: а - пульсации давления в форкамере; б - пульсации давления в диффузоре; с - частоты пульсаций давления).

Результаты измерений пульсаций давления, при данном ряде демпфирующих отверстий, показаны на Фиг. 9 до границы вращения вала вентилятора n=420 об/мин. Выше этой границы становилась небезопасной эксплуатация аэродинамической трубы АТ-11 вследствие развивающихся интенсивных вибраций трубы и здания.

Верхние кривые, обозначенные символом "б/о", - пульсации давления в отсутствие отверстий в диффузоре и при крайнем положении кольцевого раструба с вылетом в 230 мм по отношению к срезу диффузора. В этом варианте отмечаются пульсации потока во всем диапазоне изменения скорости вращения вала вентилятора от 60 до 420 об/мин, или по числу Маха М потока от 0,012 до 0,112.

Частоты пульсаций давления в форкамере и в диффузоре совпадают и растут с увеличением скорости вращения вала вентилятора. На Фиг. 9 построена линия для частоты вращения вала вентилятора. Вентилятор - десятилопастный. Частота вращения лопастей расположена значительно выше наблюдаемых частот пульсаций давления в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы.

Исполнение данного ряда демпфирующих отверстий как в варианте открытых отверстий (см. кривую с символом "5 отв".), так и в вариантах зашитых резиной отверстий (кривые линии с символом "5 отв.р" и "10 отв.р") приводит к снижению амплитуд пульсаций давления в форкамере и в диффузоре и имеет следствием безопасную эксплуатацию аэродинамической трубы до скорости вращения вала вентилятора n=420 об/мин (до числа Маха потока М=0,112).

Отметим, что в экспериментах с отверстиями кольцевой раструб уже максимально выдвинут навстречу коллектору аэродинамической трубы.

Вылет его по отношению к входу диффузора составляет 600 мм. Отверстия в диффузоре имеют положительным моментом и то, что в диапазоне скорости потока от М=0,1 до М=0,112 (n от 330 об/мин до 420 об/мин) пульсационный процесс исчезает. Дискретная частота процесса разваливается по полосе частот.

Исполнение данного ряда демпфирующих отверстий в диффузоре не позволило при работе трубы выйти за границу скорости вращения вала вентилятора в 420 об/мин, (М=0,112).

3. Ряд демпфирующих отверстий суммарной площадью до 0,15 S площади выходного сечения коллектора и продольным размером l, расположенные с зазором Δ между лопастным вентилятором и диффузором и по отношению к имеющимся на расстоянии [L-(l/2+Δ)] от входного сечения диффузора.

Предположительно, колебательный процесс в аэродинамической трубе определяется процессом в диффузоре. Тогда можно воздействовать на амплитуду пульсаций давления размещением дополнительных отверстий в стенках диффузора вблизи лопастей вентилятора, т.е. выполнить перфорированными стенки четвертьволнового резонатора вблизи его дна с некоторым зазором Δ.

Реализация такого решения в аэродинамической трубе АТ-11 способствовала снижению амплитуд пульсаций давления в диапазоне по скорости вращения вала вентилятора за границей в 420 об/мин (М>0,112).

Исполнение отверстий иллюстрируется приведенной фотографией на Фиг. 10. Здесь, видны выполненные ранее в стенках диффузора прямоугольные отверстия 1-го ряда, зашитые изнутри диффузора металлическими сетками и, с внешней стороны, вакуумной резиной. Далее, за обтекателем вентилятора перед его лопастями, видны демпфирующие круглые отверстия 2-го ряда. Для круглых отверстий размер l - диаметр отверстий.

Круглые отверстия диаметром 200 мм выполнялись пошагово: 2 отв.; 5 отв.; 8 отв.; 12 отв.; 18 отв. Круглые отверстия шли, при проведении экспериментов, в комбинации с прямоугольными отверстиями.

На Фиг. 9 приведены лишь результаты с некоторыми комбинациями отверстий. На приведенных кривых с обозначенными символами "5+2", "5+5" и т.п. первое число означает количество прямоугольных отверстий, второе число - количество круглых отверстий. В обозначениях "+18" опущено первое число 10.

Эксперимент с выполнением пошагово отверстий 2-го ряда приводил к пошаговому успеху в продвижении в зону экстремально высоких пульсаций давления в диффузоре и в форкамере аэродинамической трубы. Как видно из приведенных экспериментальных результатов на Фиг. 9, уже комбинация из 5 прямоугольных и 5 круглых отверстий привела к существенному снижению амплитуд пульсаций давления в форкамере аэродинамической трубы. Здесь же, на Фиг. 9, показан лучший результат (черная линия с символом [5]) по снижению пульсаций давления в трубе Т-103 ЦАГИ. Заметим, что в работе [5] пульсации давлений измерялись в середине слоя смешения свободной струи.

Последующие варианты с комбинациями прямоугольных и круглых отверстий имели более лучшие результаты по снижению пульсаций давлений в форкамере аэродинамической трубы.

Вместе с тем, амплитуды пульсаций давления в диффузоре трубы сохранялись достаточно высокими. Только вариант с 10 прямоугольными и 18 круглыми отверстиями позволил снизить амплитуды пульсаций давления в диффузоре до ~60 Па, при малых значениях амплитуд пульсаций давления (~20 Па или 120 дБ) в форкамере аэродинамической трубы. Суммарно проходная площадь круглых отверстий составила величину ~14% от площади S коллектора.

Таким образом, можно прийти к следующим выводам:

- исполнение дополнительных демпфирующих отверстий суммарной площадью до 0,15 S площади выходного сечения коллектора и продольным размером l, расположенных с зазором Δ между лопастным вентилятором и диффузором и по отношению к имеющимся на расстоянии [L-(l/2+Δ)] от входного сечения диффузора, способствует снижению инфразвуковых пульсаций потока в некотором диапазоне скоростей потока свыше 40 м/с;

- зашивка сквозных отверстий в стенках диффузора тонкой резиной не нарушает функции отверстий как демпфирующих и устраняет массообмен между потоком воздуха внутри тракта аэродинамической трубы и наружным воздухом окружающей атмосферы.

На Фиг. 9 с) приведен график зависимости частоты пульсаций давления в диффузоре и в форкамере в диапазоне по скорости вращения свыше 420 об/мин. При различных комбинациях отверстий график практически прямолинейный. Частота пульсаций растет пропорционально скорости потока.

Можно приблизительно оценить частоты пульсаций в диффузоре как в четвертьволновом резонаторе для скорости звука 330 м/с и для приведенной длины диффузора, с учетом длины рабочей части:

.

L=l_пр~8,4+4=12,4 м; k~0,7-0,8;

; .

На Фиг. 11 показан в безразмерных координатах (число Маха М потока - безразмерная частота ) график изменения частоты пульсаций в аэродинамической трубе АТ-11. Приведенный результат свидетельствует о существовании колебательного процесса в полости аэродинамической трубы на дискретных частотах вблизи первой, при малых скоростях потока, и третьей, при больших скоростях потока, акустических частот диффузора.

Здесь можно обратиться к результатам экспериментального исследования продольных мод в четвертьволновом резонаторе работы [7], в которой для этих мод (нечетных продольных мод) построены модели течения. Предположение о том, что в диффузоре аэродинамической трубы при ее работе реализуются нечетные продольные моды колебаний, позволяет правильно подойти и к демпфированию пульсаций потока в дозвуковой аэродинамической трубе с открытой рабочей частью.

Высшие продольные (третья, пятая и т.д.) моды в четвертьволновом резонаторе, см. работу [7], критичны к изменению определяющих геометрических и режимных параметров взаимодействия газовых струй с трубными полостями. Изменения определяющих параметров можно получить, например, конструктивными элементами в выходном сечении коллектора, такими как демпфирующие пластины.

4. Демпфирующие пластины на выходе коллектора. Техническое решение по установке демпфирующих пластин иллюстрируется приведенной фотографией на Фиг. 12. На Фиг. 12 видны тонкие клинья (20 шт.), установленные равномерно по периметру коллектора. Клинья выполнены из фанеры толщиной 14 мм с основанием 100 мм и высотой клина 150 мм.

Экспериментальные результаты по влиянию демпфирующих пластин на амплитуды пульсаций давления в диффузоре и в форкамере аэродинамической трубы показаны на Фиг. 9 (кривая с символом "+18+клин.", прямоугольных отверстий в диффузоре - 10 штук). Демпфирующие пластины во всем исследованном диапазоне по скорости вращения вала вентилятора способствовали:

- снижению амплитуд пульсаций давления в форкамере до вполне приемлемых величин (~16 Па);

- "развалу" дискретной частоты пульсаций в форкамере на составляющие;

- снижению амплитуд пульсаций давления в диффузоре до величин, допускающих безопасную эксплуатацию аэродинамической трубы АТ-11.

Вместе с тем, амплитуды пульсаций давления в диффузоре аэродинамической трубы составляют все еще значительную величину.

Здесь можно обратиться к моделям течения (волновым диаграммам) продольных мод при взаимодействии газовых струй с четвертьволновым резонатором, см. работу [7]. Характерные расстояния - от входного сечения, от входного сечения диффузора и глубина диффузора L - могут быть расстояниями, характерными расстояниям узловых точек волновой диаграммы третьей продольной моды, если проходит аналогия процессов в диффузоре и четвертьволновом резонаторе.

Следовательно, можно выполнить ряд протяженных параллельно оси аэродинамической трубы демпфирующих отверстий в сечении на длине от входного сечения диффузора, с зашивкой отверстий снаружи тонкой резиной.

5. Демпфирующие отверстия продольным размером l и суммарной площадью до 0,1 площади S выходного сечения коллектора, расположенные по отношению к имеющимся на расстоянии от до от входного сечения диффузора.

Техническое решение по исполнению данного ряда демпфирующих отверстий не представляет затруднений. Результаты экспериментального исследования иллюстрируются приведенными на Фиг. 13 спектрограммами амплитуд пульсаций давления в форкамере и в диффузоре аэродинамической трубы АТ-11. На спектрограммах: ось X - ось частот, ось Y - среднеквадратические значения амплитуд пульсаций давления, ось Z - пошаговые в функции оборотов вала вентилятора АТ-11 спектральные оценки. Достаточно выполнить отверстия с суммарной площадью до 0,1 площади S выходного сечения сопла, чтобы уменьшить амплитуды пульсаций давления до приемлемых величин.

Таким образом, исполнение конструктивных элементов в аэродинамической трубе АТ-11 в соответствии с предполагаемым изобретением способствует существенному снижению пульсаций потока в инфразвуковом диапазоне, устранению вибраций трубы и здания, устранению вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала.

Источники информации

1. Wind tunnels of eastern hemisphere / a report prepared by the federal research division, library of congress, for the aeronautics research mission directorate, national aeronautics and space administration. 2008. - 245 p.

2. Wind tunnels of western hemisphere / a report prepared by the federal research division, library of congress, for the aeronautics research mission directorate, national aeronautics and space administration. 2008. - 646 p.

3. Лабораторный практикум по аэрогазодинамике: Учеб. пособие / Белова А.В., Буравцев А.И., Ковалев М.А., Матвеев С.К. Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. 288 с.

4. Патент (RU) №2377525 C2 (МПК: G01M 9/12).

5. С.П. Стрелков, Г.А. Бендриков, Н.А. Смирнов. «Пульсации в аэродинамических трубах и способы их демпфирования». - Труды ЦАГИ, 1946, в. 593, 56 с.

6. Патент (RU) №2504747 (МПК: G01L 27/00) «Устройство для тарировки измерительных приборов дифференциального давления» (правообладатель - СПбГУ; авторы - Г.А. Леонов, А.И. Цветков, Б.А. Щепанюк); Зарегистрирован в Реестре изобретений РФ 20.01.2014 г.

7. А.К. Полубояринов, А.И. Цветков. Экспериментальное исследование продольных мод в течении Гартмана. Кн.: Прикладная аэрогазодинамика и тепловые процессы. Изд-во ИТПМ СО АН СССР, 1980, с. 99-112

1. Дозвуковая аэродинамическая труба с низким уровнем пульсаций потока инфразвукового диапазона замкнутого типа, содержащая форкамеру (1), коллектор (2), демпфирующие пластины (3) на выходе коллектора (2), открытую рабочую часть (4), диффузор (5) длиной L со сквозными демпфирующими отверстиями (6) суммарной площадью от 0,4 до 0,5 площади S выходного сечения коллектора (2) с расположением рядов отверстий (6) на расстоянии от 0,6-0,9 диаметра D коллектора (2) до L/3 длины диффузора (5) от его входного сечения, кольцевой раструб (7) над диффузором (5), поворотные секции (8) с поворотными лопатками (9), один возвратный канал (10), лопастный вентилятор (11), размещенный за диффузором (5), отличающаяся тем, что диффузор (5) длиной L имеет дополнительные сквозные демпфирующие отверстия (12) продольным размером l и суммарной площадью до 0,1 площади S выходного сечения коллектора (2), расположенные по отношению к имеющимся на расстоянии от до , а также отверстия (13) суммарной площадью до 0,15 площади S выходного сечения коллектора (2) и продольным размером l, расположенные с зазором Δ между лопастным вентилятором (11) и диффузором (5) и по отношению к имеющимся на расстоянии [L-(l/2+Δ)].

2. Дозвуковая аэродинамическая труба замкнутого типа по п. 1, отличающаяся тем, что демпфирующие отверстия (6), (12) и (13) в диффузоре (5) выполнены зашитыми тонкой резиной с наружной поверхностью диффузора (5).

3. Дозвуковая аэродинамическая труба замкнутого типа по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что кольцевой раструб (7) над диффузором (5) выполнен с механизмом (14) продольного перемещения раструба (7) параллельно оси аэродинамической трубы.