Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла




Скачать 213.29 Kb.
НазваниеЛабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла
Дата конвертации25.12.2012
Размер213.29 Kb.
ТипЛабораторная работа
МГТУ им. Н. Э. Баумана


Лабораторная работа № 2

по курсу

Аэродинамика ЛА


Весовые измерения аэродинамических сил и моментов в сверхзвуковом потоке


Группа: СМ3-71

Студент: Трофименков К. К.

Преподаватель: Луценко А. Ю.


2007Теоретическая часть


Наряду с определением аэродинамических коэффициентов по результатам дренажных испытаний моделей летательных аппаратов (ДА) в экспериментальной практике широко применяются также весовые методы, основанные на использовании специальных устройств, с помощью которых измеряют действующие аэродинамические силы и моменты. По найденным значениям этих сил и моментов рассчитывают соответствующие аэродинамические коэффициенты. Особенностью весовых измерений является нахождение суммарных аэродинамических характеристик ЛА, учитывающих одновременное воздействие сил трения и давления.

Устройства, предназначенные для непосредственного измерения сил трения и моментов, действующих на ЛА или его модель, которые установлены в аэродинамической трубе, называются аэродинамическими весами. По числу измеряемых составляющих аэродинамической силы или момента в какой-либо системе координат весы подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные и т.д.

В пространственной декартовой системе координат, в частности в связанной, главный вектор аэродинамической силы, действующей на ЛА, можно разложить на три составляющие: осевую (продольную), нормальную и поперечную силы, а главный момент - на моменты крена, рыскания и тангажа. Все эти составляющие могут быть одновременно измерены шестикомпонентными весами. Для измерения меньшего числа составляющих применяют весы с соответствующим числом измерительных каналов. Особо следует подчеркнуть, что важнейшим условием правильного конструирования многокомпонентных весов является независимость измерений по различным каналам, т.е. необходимо, чтобы каждый весовой элемент измерял только соответствующую силу или момент и не реагировал на действие других составляющих.

В зависимости от условий эксперимента могут применяться внешние весы с измерительными элементами вне модели ЛА и внутренние весы с расположением этих элементов внутри исследуемой модели ЛА или же внутри какого-либо устройства, поддерживающего эту модель в рабочей части аэродинамической трубы [I].рис

Внутренние аэродинамические весы.

Рассмотрим конструкцию простейших внутренних аэродинамических весов для измерения осевой силы (рис. 1). Их электрический весовой элемент 2, располагающийся внутри модели 1 (рис. 1а), соединен с этой моделью и одновременно с державкой 3. Под действием осевой силы X изгибаются тонкие вертикальные стойки 4 (рис. 1б) с наклеенными на них тензодатчиками 5 - 8. При таком закреплении упругого элемента другие составляющие аэродинамической силы и моменты вызывают пренебрежимо малые деформации, которые практически не воспринимаются датчиками.

Тензодатчики сопротивления, используемые в весах, могут иметь различную конструктивную форму. Наиболее распространенными являются проволочные фольговые тензодатчики. На рис. 1в представлен тензодатчик, состоящий из тонкой проволоки диаметром 0,025....0,03 мм, уложенной в виде решетки (зигзагов) между двумя слоями бумаги или пленки. Проволоку выполняют из материала, обладающего высоким электрическим сопротивлением.

Если такой тензодатчик приклеить к поверхности упругого элемента, то при деформации последнего будет изменяться и длина тензодатчика. Следует отметить, что тензодатчики наклеивают таким образом, чтобы направление наибольших деформаций упругого элемента совпадало с базой датчика [2].

Основные преимуществе тензодатчиков, обеспечивающие их широкое применение при измерениях аэродинамических сил, следующие: малые размеры и масса; возможность измерения малых относительных деформаций упругих элементов (менее 103); небольшая инерционность, что позволяет определять не только статические, но и динамические нагрузки; возможность дистанционных и автоматизированных измерений.

В общем случае напряженное состояние на поверхности упругого элемента, к которой приклеен датчик, может изменяться по длине упругого элемента. Следовательно, изменение сопротивления датчика пропорционально некоторому среднему напряжению на участке длиной, равной длине базы датчика. В аэродинамических весах используются датчики, выпускаемые серийно промышленностью, с базой от 5 до 20 мм и сопротивлением 100...200 0м. Наиболее употребительным материалом для проволочных датчиков является константан. При проведении измерений электрические тензодатчики включают в специальную электронную схему. Простейший измерительный мост состоит из четырех омических сопротивлений: R5, R6 , R7, R8 (рис. 1г). К одной из диагоналей моста (точки А и В ) подводят напряжение Е от источника питания переменного или постоянного тока, а с другой диагонали (точки С и D) снимают выходной сигнал, регистрируемый прибором. В аэродинамических весах часто тензодатчики подключают ко всем четырем плечам моста, что позволяет повысить чувствительность и обеспечить компенсацию влияния различных источников погрешностей, особенно температурных факторов.Если отношения сопротивлений смежных плеч моста равны между собой, то разность потенциалов на измерительной диагонали моста равна нулю. В этом случае мост является уравновешенным. При изменении сопротивления одного или нескольких плеч между точками С и D появляется разность потенциалов Ux, называемая напряжением разбаланса моста. По показанию электронной аппаратуры (усилитель и осциллограф) определяют действующую аэродинамическую силу (где К - тарировочный коэффициент установки).

На рис. 2 представлена схема двухкомпонентных внутренних аэродинамических весов для измерения нормальной силы Y и момента тангажа Мz. Упругий элемент весов 2 (рис. 2а) представляет собой сложный стержень. Так же как для однокомпонентных весов, он соединен одним концом с моделью 1, а другим - с державкой 3. Средний (центральный) элемент 12 (рис. 26) стержня с наклеенными датчиками 8 - 11 выполнен утолщенным и воспринимает основную часть нормальной силы. Наружные элементы 13 с датчиками 4 - 7 посередине изготовляют более тонкими, они деформируются под действием силы Y и момента тангажа Мz. Причем эти элементы, претерпевая растяжение (сжатие) , воспринимают небольшую часть силы Y , а изгибаясь - почти целиком момент тангажа. Центральный стержень 12 при нагружении моментом Мz играет роль упругого шарнира, вокруг которого поворачиваются толстые соединительные звенья 14.

Порядок соединения тензодатчиков в мосты выбран таким образом, чтобы обеспечить на выходе схемы напряжения, пропорциональные только одной составляющей. Рассмотрим схему моста для измерения силы Y. Соединения датчиков 8 -11, наклеенных на средний элемент 12,показаны на рис. 2в. Датчики 8 и 9 включены в разные плечи моста. Если на упругий элемент действует нормальная сила, то эти датчики регистрируют деформации разных знаков и на выходе появляется сигнал . Так как при действии момента центральный элемент играет роль упругого шарнира, датчики 8 и 9 регистрируют деформации одного знака (это относится и к датчикам 10, II), следовательно, не нарушается начальная балансировка моста.2.jpg

Рассмотрим схему моста для измерения момента тангажа М (см. рис. 2в). По этой схеме датчики 4 и 5, наклеенные на верхний нагруженный элемент 13, включены в разные плечи моста. Если на упругий элемент действует только нормальная сила, то эти датчики регистрируют деформации одного знака, так как наружная часть упругого элемента 13 подвергается только растяжению (сжатию).

Следовательно, в разных плечах моста значения сопротивления изменяются на одинаковую величину. Такое изменение сопротивлений не нарушит балансировку моста и не вызовет сигнала на выходе. Сказанное относится и к датчикам 6, 7, наклеенным на нижний элемент 13.

Воздействие момента на элемент 13 вызывает его изгиб, и датчики 4, 5 зарегистрируют деформации разных знаков. В этом случае на выходе моста появится сигнал, пропорциональный моменту, т.е. . Этот момент Мz определяют относительно электрической оси. Если линия действия аэродинамической силы пересекает электрическую ось, то это не вызывает сигнала на выходе моста, регистрирующего момент.

Рассмотрим устройство и принцип действия трехкомпонентных аэродинамических весов для измерения осевой X и нормальной Y сил, а также момента тангажа Mz (рис. 3; на рис. За 1 - модель; 2 -упругий элемент; 3 - державка).

Упругий элемент 4 (рис. 3б) для измерения осевой силы выполнен в виде прямоугольника. На левый тонкий стержень этого элемента, изгибающийся только под воздействием осевой силы, наклеены тензодатчики 14-17. Упругий элемент 5 предназначен для измерения нормальной силы Y и момента Mz. На него попарно наклеены датчики 6 - 13.

Электрические схемы соединения датчиков изобретены на рис. Зв. Каждый мост подключается к отдельному каналу тензостанции.рис

Экспериментальное определение нестационарных аэродинамических характеристик связано с трудностями, вызванными требованиями высокой точности измерений мгновенных нагрузок, действующих на колеблющуюся модель, а также с невозможностью создать при испытаниях моделей в аэродинамической трубе условия, полностью соответствующие натурным. Так, при колебаниях моделей ЛА могут возникать местные отрывы пограничного слоя даже при малых углах атаки. Их характеристики зависят от чисел Рейнольдса, Струхаля. Амплитуды колебаний и т.д., поэтому при отрывных явлениях результаты испытаний моделей переносить на реальный ЛА следует весьма осторожно.

Согласно гипотезе гармоничности, аэродинамические коэффициенты представляют суммой составляющих, пропорциональных кинематическим параметрам. Например, продольный момент можно записать в виде


,

где - момент при обтекании под углом ; - производные момента по параметрам .

Такое представление характеристик базируется на предположении о возможности использования принципа наложения отдельных частных видов движения, для которых структура обтекании ЛА будет оставаться неизменной: отрывной или безотрывной. В этом случае оказывается возможным в явном виде выделить основные параметры, влияющие на аэродинамические характеристики тела. Когда производные аэродинамических сил или моментов не зависят от числа Струхаля (; где - угловая скорость вращения; х- линейный размер; V - скорость течения), можно ожидать, что эти величины будут носить сравнительно универсальный характер и их можно использовать в расчетах для любых законов изменения кинематических параметров во времени [3].

Аэродинамические производные нормальной силы и продольного момента определяет, например, при вынужденных колебаниях с малой амплитудой. В основу экспериментальных исследований положен принцип гармонического анализа. Колебания модели осуществляются по следующему закону:


,

- угол установки модели; - амплитуда колебаний; - круговая частота колебаний.

Сигнал, проходящий с моментного датчика тензовесов, может быть записан в виде:



где - сигнал, пропорциональный моменту тангажа при установке модели под углом ; - сигнал, пропорциональный производной момента тангажа по углу атаки; - сигнал, пропорциональный моменту демпфирования; - сигнал, пропорциональный инерционной нагрузке от модели; - сигнал, пропорциональный моментам, имеющим гармонику выше первой.

Схема аэродинамической установки для подобных экспериментальных исследований представлена на рис. 4. Модель 1 устанавливают в аэродинамической трубе с помощью П-образной рамы 3 на хвостовой державке 2. Гармонические колебания модели задают с помощью синусного механизма 4 и электродвигателя 5 с маховиком 6. Приводной вал синусного механизма снабжен тензометрическими датчиками 8 угла колебаний и устройством дистанционной фазировки 9 для устранения начального сдвига фазы между перемещением модели и показаниями датчика 8.4.jpg

Измерительная аппаратура состоит из следующих блоков: тензометрической аппаратуры 10; суммирующего блока II; блока интегрирования и инвертирования 12; блока умножения 18; интегрирующего фильтра с запоминанием 14; регистрирующего блока 16. Установочный угол атаки задают с помощью сектора 7.

При колебаниях модели сигнал с тензоаппаратуры 10, поступающий на суммирующий блок 11, имеет вид



В суммирующем блоке производится компенсация сигнала инерционной составляющей сигналом датчика , после этого на вход 12 сигнал поступает в виде



Блок 12 работает в двух режимах:

  1. в режиме интегрирования;

  2. в режиме инвертирования.

При измерении указанный блок 12 включается в режим инвертирования и сигнал умножается в блоке произведения 18 на гармонический сигнал датчика. После интегрирующего фильтра 14 с запоминанием результата измерения значения считывается с регистрирующего прибора 15.

При измерении коэффициента демпфирующего момента блок 12 переводится в режим интегрирования , при котором происходит сдвиг сигнала демпфирующей составляющей на и деление на . В результате умножения этого сигнала в блоке 13 на величину и последующей фильтрации на выходе 15 получают сигнал, пропорциональный .


Для повышения точности определения этого коэффициента в последнем случае производится дополнительная компенсация аэродинамического момента в суммирующем блоке II сигналом датчика .

Отметим некоторые факторы, влияющие на точность измерений. Погрешности, присущие измерительным устройствам с тензодатчиками, связаны с гистерезисными эффектами, температурным влиянием, электрическими свойствами тензодатчиков и электрических цепей, асимметрией упругих элементов и самими тензодатчиками (неодинаковостью установки, различием их электрического сопротивления и коэффициентов тензочувствительности).

Влияние асимметрии уменьшают таким электрическим соединением, чтобы электрические и механические источники погрешностей взаимно компенсировались.

Гистерезисные эффекты вызваны механическими свойствами упругих элементов, проволоки и основы тензодатчиков, а также клеевого состава, используемого для крепления датчиков к упругим элементам. При одном и том же материале упругого элемента гистерезис уменьшается с устранением максимальной деформации материала.

Для материала проволоки тензодатчиков характерна нестабильность значений абсолютного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления. Для устранения этого недостатка проволоку подвергают старению многократным нагревом и охлаждением.

Наиболее существенны погрешности, вызываемые ползучестью основы тензодатчика и скольжением (клеевого соединения), которое имеет место между проволокой и основой. Лучшими свойствами обладают тензодатчики на пленочной основе.

Влияние температуры устраняют компенсационными датчиками, устанавливаемыми на недеформируемом элементе, находящемся в тех же температурных условиях, что и активные тензодатчики на деформируемом элементе. Компенсационные датчики включают в плечи, смелые с активными плечами моста. Для повышения чувствительности моста все датчики могут использоваться как активные. Уменьшению влияния температуры способствует и симметричное выполнение упругих элементов: если измерительный мост должен реагировать на деформацию изгиба, то датчики одного полумоста закрепляют на сторонах, равноудаленных от нейтральной оси упругого элемента. В этом случае компенсационный тензодатчик является одновременно активным датчиком.

Аппаратура тензоизмерений отличается по виду питания мостов (переменный или постоянный ток). При аэродинамических измерениях обязательно применяют усилители выходного сигнала, поэтому тип усилителя зависит от вида питания моста. В измерительной схеме должны учитываться особенности работы датчиков и обеспечиваться возможность компенсации вносимых ими погрешностей. Кроме основной автоматической балансировки моста должна предусматриваться ручная начальная регулировка (установка нуля). Ее назначением является компенсация асимметрии моста, которая вызывается разбросом сопротивлений датчиков, массой модели, влиянием сопротивления соединительных проводов, начальным распределением температур в элементах и т.д.

При питании моста переменным током помимо балансировки по активной составляющей предусматриваемся балансировка по составляющей, осуществляемая с помощью конденсаторов емкости.

Внутримодельные тензометрические весы позволяют измерять аэродинамические силы и моменты с точностью до 1%. При этом отсутствие сложных поддерживающих устройств, таких как у механических или электромеханических весов, позволяет значительно уменьшить влияние державок на обтекание исследуемой модели и тем самым повысить точность измерений.

Нормальная сила и момент тангажа, действующие на модель ЛA (рис. 5), измеренные с помощью аэродинамических весов, могут быть представлены в виде:



Этим значениям Y и соответствуют аэродинамические коэффициенты:



где - коэффициент момента , который рассчитан по данным весовых измерений относительно так называемой моментной точки В (см. рис. 5).

На практике бывает необходимо определить момент Мz (и соответствующий коэффициент тz ) относительно какой-либо точки, не совпадающей с точкой B , для которой момент был определен во время эксперимента. В соответствии с рис. 5 точка В расположена от носка модели на расстоянии b, которое определяется для каждой конструкции тензовесов экспериментально по результатам измерений этими весами; безымянный.jpg

,

где а - расстояние между точкой приложения нормальной силы Y и точкой В.

С другой стороны, можно записать:



Приравнивая эти выражения для моментов, получим:



Относительно другой точки, совпадающей, в частности, с носком модели О, момент

или

Следовательно, коэффициент момента:


Тарировкка тензовесов


Тарировка – процесс нагружения тензовесов заранее известными силами и моментами, и получение выходного электрического сигнала, по которому можно получить зависимость регистрационного параметра от ихмеряемой величины. Производится с помощью тарировочного стенда.


tarirovka01.jpg tarirovka02.jpg


Моментная точка тензовесов – точка при приложении нагрузки в которой измеряемый момент будет равен 0.


Нагр

1 прямой

1обратный

1 ср

2 прямой

2обратный

2 ср

0

-5.57

-5.6

-5.585

-5

-5

-5

10

-8

-8

-8

-3.4

-3.4

-3.4

30

-13.1

-13.1

-13.1

-0.2

-0.15

-0.175

50

-18.1

-18.1

-18.1

3.2

3.2

3.2



Экспериментальная часть


Постановка задачи:

  1. По данным тензометрического эксперимента рассчитать величины продольной и нормальной аэродинамических сил, величину аэродинамического момента.

  2. Рассчитать следующие аэродинамические характеристики:

    1. - коэффициент продольной силы;

    2. - коэффициент нормальной силы;

    3. - коэффициент силы лобового сопротивления;

    4. - коэффициент подъёмной силы;

    5. - коэффициент момента тангажа;

    6. К - аэродинамическое качество;

    7. , - положение центра давления;

  3. Построить графики зависимостей рассчитанных аэродинамических характеристик от угла атаки .


Исходные данные:


Параметры воздушного потока в рабочей части аэродинамической трубы:

- число Маха,

- давление торможения,

- температура торможения,

- диаметр миделя,

- характерная длина,

- положение моментной точки


Тарировочные коэффициенты и расчётные зависимости:








Аэродинамические силы и момент:



Площадь миделя

Скоростной напор , где - показатель адиабаты.


Пересчёт аэродинамических коэффициентов из связанной системы координат в поточную:


- коэффициент силы лобового сопротивления,

- коэффициент подъёмной силы.

- коэффициент момента тангажа относительно .

Аэродинамическое качество

Положение центра давления

Давление в рабочей части аэродинамической трубы:

Площадь миделя:


Результаты расчёта:




0.059



0.23



0.021



0.083

M

3.4



6.63E+03

S

0.0012566

.

0.17

L

0.3






0

3

6

8

6

3

0

hx, мм

8.0

12.0

17.0

22.0

20.0

14.0

11.0

hy, мм

3.5

11.0

19.0

25.0

21.0

13.0

7.0

hmz, мм

4.0

11.0

21.0

28.0

24.0

15.0

7.0

X, Н

4.63

6.94

9.84

12.73

11.57

8.10

6.36

Y, Н

11.15

33.76

59.95

79.18

66.90

41.53

21.49

Mz, Н*м

0.82376

2.26534

4.32473

5.76631

4.94255

3.08909

1.44158

Cx

0.06868

0.10302

0.14595

0.18887

0.17170

0.12019

0.09444

Cy

0.16544

0.50099

0.88950

1.17485

0.99267

0.61623

0.31881

Cxa

0.06868

0.12910

0.23813

0.35054

0.27452

0.15228

0.09444

Cya

0.16544

0.49491

0.86937

1.13713

0.96928

0.60910

0.31881

mz1

0.04074

0.11204

0.21390

0.28520

0.24446

0.15279

0.07130

mz0

-0.05301

-0.17185

-0.29015

-0.38055

-0.31806

-0.19641

-0.10936

Mz0

-1.07177

-3.47459

-5.86644

-7.69410

-6.43061

-3.97120

-2.21111

K

2.40890

3.83357

3.65091

3.24392

3.53079

3.99993

3.37596

Xц.д.

0.32040

0.34302

0.32620

0.32391

0.32040

0.31873

0.34302

Xц.д.

0.09612

0.10291

0.09786

0.09717

0.09612

0.09562

0.10291


Пример расчета параметров для α=3



Графики зависимостей аэродинамических характеристик от угла атаки

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа по курсу «Физические основы микроэлектроники» Нижний Новгород, 2005
Операционный усилитель: Лабораторная работа по курсу «Микроэлектроника» / Сост. Н. В. Федосеева, С. М. Планкина. – Н. Новгород, ннгу,...

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа по курсу Радиотехника
Корреляционные и спектральные свойства радиосигналов. Лабораторная работа по курсу: Радиотехника. / Сост. Ю. П. Озерский. – М.: Мфти....

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа по курсу Радиотехника
Линейные следящие фильтры. Лабораторная работа по курсу Радиотехника. / Сост. Ю. П. Озерский. – М.: Мфти, 2003. – 24 с

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа №1 по курсу «Экономико-математические методы и прикладные модели»
Краткий конспект лекций и лабораторная работа №1 по курсу «Экономико-математические методы и прикладные модели»

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа №2 "Измерение относительной влажности воздуха с помощью термометра" Лабораторная работа №3 "Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ее различных участках"!
Лабораторная работа №7" Определение выталкивающей силы, действующее на погруженное в жидкость тело"

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла icon2. Аэродинамические силы
Аэродинамика – это наука о законах движения воздуха и силовом взаимодействии между воздушным потоком и находящимся в нем телами....

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconМетодическое пособие по курсу "Моделирование" для студентов, обучающихся по направлению "Информатика и вычислительная техника" Москва Издательство мэи 2006
Методическое пособие предназначено для выполнения лабораторных работ по курсу "Моделирование". Первая лабораторная работа посвящена...

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа №10. Изучение принципа действия и функциональной схемы самолетного ответчика Лабораторная работа №11. Изучение принципа действия и проверка функционирования приемника врл «Корень-ас»
Лабораторная работа № Изучение принципов построения системы автоматической подстройки частоты (апч) радиолокационной станции

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа №1 Исследование источников вторичного питания(ивп)
Лабораторная работа выполняется в два этапа: на компьютере и универсальном лабораторном стенде

Лабораторная работа №2 по курсу Аэродинамика ла iconЛабораторная работа. Получение и свойства оксидов, гидроксидов и солей
Лабораторная работа. Ряд напряжений металлов. Гальванические элементы. Электролиз юююююю


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница