§ 12. Техника аэродинамического эксперимента при высоких скоростях.

В дополнение к изложенному в § 22 предыдущей главы о постановке гидродинамических и аэродинамических

Рис. 257. Аэродинамическая труба высоких скоростей. Крестиком отмечено место, где устанавливаются исследуемые модели. помещение для измерительных приборов

экспериментов укажем здесь на некоторые особенности, которые следует иметь в виду при экспериментировании со скоростями, сравнимыми со скоростью звука. Для создания достаточно широкого и длительного воздушного потока, скорость которого близка или выше скорости звука, очевидно, требуется весьма мощная установка. Долгое время избегали устройства таких установок и применяли большие камеры, которые в течение нескольких минут наполнялись при помощи насосов умеренной мощности сжатым воздухом или, наоборот, освобождались от воздуха до вакуума. Выпуская затем воздух из напорной камеры (через специальную трубу) или, наоборот, впуская воздух в вакуумную камеру (также через специальную трубу) удавалось получать воздушные потоки со сравнительно небольшим поперечным сечением и длительностью от 5 до 10 секунд. В установке, сделанной в 1929 г. в Аахенском аэродинамическом институте, объем камеры составляет и получается поток с поперечным сечением В большинстве подобного рода установок применяются вакуумные камеры, обладающие по сравнению с напорными камерами тем преимуществом, что они в течение некоторого промежутка времени дают совершенно равномерный поток. Напорные камеры позволяют использовать для создания потока большую разность давлений, чем вакуумные, но зато они обладают следующим существенным недостатком: вследствие адиабатического расширения воздуха, находящегося в камере, его плотность и температура во время истечения непрерывно изменяются и при этом скорость истечения и скорость звука изменяются пропорционально корню квадратному из температуры. Правда, это не отражается на исследовании сверхзвуковых потоков, так как картины, получаемые на снимках по способу Теплера, зависят не от абсолютных значений указанных скоростей, а только от их отношения. Следовательно, результаты наблюдения не зависят от степени

расширения воздуха в камере, однако наблюдения должны производиться очень быстро, так как вследствие адиабатического расширения в камере образуется туман и происходит ее обледенение. Существует также иной способ создания потоков с большой скоростью при помощи сжатого воздуха. Этот способ применяется в тех лабораториях, которые имеют обычные аэродинамические трубы для дозвуковых скоростей, работающие на воздухе, сжатом под высоким давлением. Очевидно, что после окончания продувки сжатый воздух из такой трубы должен быть выпущен, иначе в трубу нельзя будет войти для снятия исследованной модели и установки новой. Вместо того чтобы выпускать сжатый воздух в атмосферу, он подается через трубу (рис. 257) в камеру К, из которой выпускается вверх через узкие отверстия. При этом, так же как и в стрйном насосе происходит засасывание атмосферного воздуха из помещения через трубу Таким путем в трубе сочетается поток воздуха с большой скоростью, однако не большей, чем скорость звука. Скорость этого потока можно регулировать путем изменения скорости истечения сжатого воздуха из камеры К.

При работе на вакуумных камерах можно получать как дозвуковые, так и сверхзвуковые потоки. Однако трубы, в которых создается поток, устремляющийся в вакуумную камеру, в обоих случаях должны иметь совершенно различную форму. В трубе для дозвуковых потоков рабочее пространство расположено непосредственно вслед за всасывающей воронкой (рис. 258). Из рабочего пространства поток попадает в суживающуюся трубу с регулируемым просветом. В самом узком сечении этой трубы скорость потока делается равной скорости звука и тем самым устанавливается вполне определенное количество протекающего воздуха. В трубе же для сверхзвуковых потоков рабочему пространству должно предшествовать сопло Лаваля (рис. 259). Поперечное сечение рабочего пространства получается больше, чем в трубе для дозвуковых потоков. Самое узкое поперечное сечение сопла Лаваля должно быть

Рис. 258. Аэродинамическая труба дозвуковых скоростей

Рис. 259. Аэродинамическая труба сверхзвуковых скоростей

тем меньше, чем большее число Маха должно быть достигнуто в трубе. Во избежание появления в потоке воздуха поперечных колебаний, расширяющаяся часть сопла Лаваля должна быть продолжена так, чтобы из нее выходила строго параллельная струя (см. § 9, рис. 241). Для каждого числа Маха должно иметься отдельное сопло Лаваля, рассчитанное именно на это число. Крестиком на рис. 258 и 259 отмечены те места, в которых помещаются исследуемые модели.

Так как длительность потока, создаваемого при помощи вакуумной камеры, чрезвычайно небольшая, то для его наилучшего использования между рабочим пространством и вакуумной камерой устанавливается автоматический быстродействующий кран с широким просветом. Управление этим краном производится электрическим путем из того места, где находится наблюдатель. На открывание и закрывание крана требуется небольшая доля секунды. Значительную трудность при работе с вакуумными камерами на сверхзвуковых скоростях вносит влажность воздуха. Вследствие адиабатического расширения температура воздушного потока уменьшается на при столь сильном падении температуры почти весь водяной пар, содержащийся в воздухе, должен был бы выпасть в виде жидких капель. Однако время прохождения частиц воздуха через трубу столь мало (порядка сек.), что его не хватает для возникновения капелек тумана обычным путем. Вместо этого происходит, как показывают исследования Осватича, самопроизвольная конденсация вида, теоретически исследованного Беккером и Дерингом. Эта конденсация наступает после того, как достигается

высокая степень насыщения, причем для ее возникновения не требуется, чтобы в воздухе были посторонние частицы. Так как это явление возникает совершенно внезапно и при этом освобождается сразу значительное количество скрытой теплоты, то внутри расширяющейся массы газа происходит повышение давления. Это повышение давления часто наблюдается в виде скачка уплотнения (обычно косого), который значительно изменяет поле скоростей. Положение того сечения трубы, в котором возникает повышение давления, зависит от степени влажности воздуха, поэтому заранее учесть влияние описанного явления очень трудно. Гораздо проще совсем предупредить его, что возможно либо путем нагревания засасываемого воздуха, либо путем его искусственного осушения. Применение последнего способа дает хорошие результаты.

Крайне малая длительность потоков, достигаемых при помощи напорных или вакуумных камер, является основным недостатком аэродинамических труб, работающих по такому принципу. Необходимость увеличить время возможного наблюдения процессов, происходящих при обтекании моделей, привела к созданию аэродинамических труб непрерывного действия. Для этой цели понадобилось применение весьма мощных воздуходувных машин обычно турбокомпрессоров. Первая аэродинамическая труба такого рода была построена Аккеретом в Цюрихе. Она приводится в действие мотором в 1000 л. с. и при больших скоростях работает на разреженном воздухе, так как в противном случае была бы нужна еще большая мощность. Вторая установка такого же рода, но с мощностью около 4000 л. с., построена в Гвидонии близ Рима. Так как в турбокомпрессоре происходит нагревание воздуха, то для сохранения температуры воздушного потока на постоянном уровне труба снабжается специальной охладительной системой. Рабочий участок такой трубы устраивается совершенно так же, как и в трубах с вакуумными камерами. Схема Цюрихской аэродинамической трубы больших скоростей изображена на рис. 260.

Скорость течения на рабочем участке трубы определяется по формуле (10) (стр. 356). Для этого должен быть измерен перепад давления, причем кроме давления соответствующего состоянию покоя, должна быть измерена также плотность соответствующая состоянию

Рис. 260. Цюрихская аэродинамическая труба сверхзвуковых скоростей. V — турбокомпрессор; К — охладительная система; сопло Лаваля, диффузор

покоя (например, путем измерения температуры). Однако, если перед рабочим участком возникает конденсация водяного пара, то указанный способ дает не совсем точные результаты. В этом случае для определения состояния потока в какой-нибудь точке необходимо знать три величины, например, давление плотность и скорость Давление может быть измерено непосредственно через отверстие в стенке трубы или при помощи зонда. Измерение плотности можно выполнить путем наблюдения интерференции света. Вместо плотности можно измерить температуру, которая связана с давлением и плотностью уравнением состояния. Однако измерение температуры в движущемся газе довольно затруднительно (см. ниже). Наконец, третья величина, скорость может быть определена либо путем измерения полного давления либо путем вычисления числа Маха. Полное давление измеряется трубкой Пито, а число Маха вычисляется по углу Маха, отсчитанному на снимке, полученном с потока по способу Теплера. Так как

и

где есть функция числа Маха [см. уравнение (45)], то мы имеем:

Следовательно, величина является функцией числа Маха. Эта функция может быть изображена в виде кривой или представлена в виде

таблицы. Имея такую кривую или таблицу, можно определить по измеренным значениям число Маха. Зная же число Маха и плотность можно из соотношений (46) и (47) найти

Если площадь поперечного сечения потока известна, то измерение плотности можно выполнить, пользуясь уравнением неразрывности

причем, конечно, произведение для входного поперечного сечения должно быть известно. Решая систему уравнений (47) и (48), мы найдем

Казалось бы, что для заданной температуры и измеренного давления можно определить плотность из уравнения состояния. Однако термометр, помещенный в газовый поток, отнюдь не показывает истинную температуру газа. В самом дело, согласно сказанному в § 10, в критической точке всегда возникает повышение температуры. Повышение температуры возникает также и на боковых поверхностях термометра — вследствие трения движущегося газа. Величина этого повышения не постоянная, она зависит от вязкости и теплопроводности; для воздуха она лишь немного меньше повышения температуры в критической точке. Более или менее надежное измерение температуры можно выполнить при помощи термоэлемента, помещенного внутрь полутела, выполненного в виде трубки Пито. Но для того чтобы получить истинную температуру газа, надо из отсчитанной температуры вычесть величину

При применении так называемого пластинчатого термометра его показания должны быть уменьшены, согласно теории Польгаузена, учитывающей только трение ламинарного пограничного слоя, на для воздуха и на для водяного пара.

Тепловые явления, происходящие в ламинарных и турбулентных пограничных слоях около ненагреваемых тел, обтекаемых потоком газа с большой скоростью, экспериментально исследованы Эккертом и Вейзе. Расчет таких температурных полей для ламинарных пограничных слоев выполнен Эккертом и Древитцем.