Tipos de efectos del túnel de viento
Existen muchos tipos de túneles de viento, con diferentes métodos de clasificación. Según la velocidad del flujo de aire en la sección experimental, se puede dividir en túneles de viento de baja velocidad, de alta velocidad e hipersónicos.
Túnel de viento de baja velocidad
Un túnel de viento en el que la velocidad del flujo de aire en la sección experimental es inferior a 130 metros/segundo (número de Mach ≤ 0,4). El primer túnel de viento del mundo fue construido en Inglaterra por F.H. Wenham entre 1869 y 1871. Se trata de una caja de madera con aberturas en ambos extremos, con una sección de 45,7 cm × 45,7 cm y una longitud de 3,05 metros. Antes de realizar con éxito el primer vuelo propulsado del mundo, los hermanos estadounidenses O. Wright y W. Wright construyeron en 1900 un túnel de viento con una sección transversal de 40,6 cm × 40,6 cm, una longitud de 1,8 metros y una velocidad de flujo de aire de 40 a 56,3 kilómetros por hora. Desde entonces, muchos países han construido muchos túneles de viento de baja velocidad y de mayor tamaño. Básicamente existen dos formas, una es el túnel de viento de flujo directo diseñado por el francés A.-G. Eiffel; el otro es el túnel de viento de flujo de retorno diseñado por el alemán L. Prandtl. La Figura 1 muestra estos dos túneles de viento. Diagrama esquemático de la estructura del agujero. El túnel de viento de baja velocidad más grande del mundo es ahora el túnel de viento de baja velocidad a escala real de 12,2 metros × 24,4 metros en el Centro de Investigación Ames de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Una vez completado el túnel de viento, se añadió una nueva sección experimental de 24,4 metros × 36,6 metros y la potencia del motor del ventilador se aumentó de los 25 megavatios originales a 100 megavatios.
La sección experimental del túnel de viento de baja velocidad tiene dos formas: abierta (ver Figura 1 Sección experimental) y cerrada. Las formas de la sección transversal incluyen rectangular, circular, octogonal y elíptica, etc. La longitud depende de. Depende del tipo de túnel de viento y del objeto experimental. Desde los años 60 se han desarrollado túneles de viento con tramos experimentales dobles e incluso de tres tramos experimentales. La Figura 2 es un diagrama esquemático del túnel de viento de circuito abierto con secciones experimentales duales en serie cerrada de 8 metros (ancho) × 6 metros (alto) y 16 metros (ancho) × 12 metros (alto) del Centro de Investigación y Desarrollo Aerodinámico de China. .
Introducción al túnel de viento
Un túnel de viento es un tubo que se utiliza para generar flujo de aire artificial (viento artificial). En este tipo de conducto, se puede crear una sección del flujo de aire para que fluya uniformemente, y la prueba del túnel de viento para automóviles se lleva a cabo en esta sección del túnel de viento. Los ventiladores utilizados para generar un fuerte flujo de aire en los túneles de viento de automóviles son muy grandes. Por ejemplo, el diámetro del ventilador en el túnel de viento de automóviles de Mercedes-Benz alcanza los 8,5 m y la potencia eléctrica que impulsa el ventilador alcanza los 4000 kW. El túnel de viento se utiliza para las secciones de prueba de vehículos reales. La velocidad del flujo de aire alcanza los 270 km/h. Construir un túnel de viento para automóviles de esta escala a menudo cuesta cientos de millones de dólares, o incluso más de mil millones, y el costo de cada prueba en el túnel de viento para automóviles también es considerable.
En túneles de viento de baja velocidad, el ratio energético Er se utiliza habitualmente para medir la economía de funcionamiento del túnel de viento. En la fórmula, v0 y A0 son la velocidad del flujo de aire y el área de la sección transversal de la sección experimental respectivamente; ρ es la densidad del aire y N son la eficiencia del sistema del dispositivo de accionamiento y la potencia de entrada del motor, respectivamente. Para el túnel de viento en la sección experimental cerrada, Er es de 3 a 6. El número de Reynolds Re es el principal parámetro de simulación para experimentos en túneles de viento de baja velocidad. Sin embargo, debido a diferentes objetos y proyectos experimentales, a veces es necesario simular otros parámetros en algunas situaciones en las que la gravedad juega un papel (como el giro de la cola o el lanzamiento). y experimentos de modelos dinámicos, etc.) Es necesario simular el número de Froude Fr. En el experimento del helicóptero, es necesario simular el número de Mach de vuelo y el número de Mach de la punta del rotor.
Existen muchos tipos de túneles de viento de baja velocidad. Además de los túneles de viento generales, existen túneles de viento de hielo que se especializan en el anticongelamiento y deshielo de aviones, y túneles de viento verticales que estudian la espiral de los aviones. métodos de formación y recuperación de túneles de viento a escala real para el rendimiento aerodinámico real de aeronaves en condiciones de vuelo, túneles de viento V/STOL para estudiar las características aerodinámicas de aviones de despegue y aterrizaje cortos verticales (V/STOL) y helicópteros, y viento presurizado con alto número de Reynolds. túneles, etc Para estudiar el ruido externo del motor y realizar experimentos con modelos dinámicos, se han modificado algunos túneles de viento para adaptarse a los requisitos de los experimentos acústicos y dinámicos. Para llevar a cabo investigaciones aerodinámicas industriales, además de modificar los túneles de viento de la aviación y añadir equipos auxiliares, varios países también han construido una serie de túneles de viento especiales, como largas secciones experimentales que simulan el perfil de velocidad del flujo atmosférico, la estructura turbulenta y estratificación de temperatura: el túnel de viento de capa límite atmosférica con una velocidad mínima del viento de aproximadamente 0,2 metros/segundo, el túnel de viento para automóviles que estudia el rendimiento de automóviles de tamaño completo y simula las condiciones climáticas, el túnel de viento de arena que estudia el impacto del movimiento de la arena. , etc.
Túnel de viento de alta velocidad
Un túnel de viento con un número de Mach de flujo de aire de 0,4 a 4,5 en la sección experimental. Según el rango de números de Mach, los túneles de viento de alta velocidad se pueden dividir en túneles de viento subsónicos, túneles de viento transónicos y túneles de viento supersónicos.
Túnel de viento subsónico
El número de Mach del túnel de viento es de 0,4 a 0,7.
La forma estructural y el principio de funcionamiento son similares a los del túnel de viento de baja velocidad, excepto que la potencia requerida para su funcionamiento es mayor que la del túnel de viento de baja velocidad.
Túnel de viento transónico
El número de Mach del túnel de viento es de 0,5 a 1,3. Cuando el flujo de aire en el túnel de viento alcanza la velocidad del sonido en la sección transversal más pequeña de la sección experimental, la velocidad del flujo de aire en la sección experimental ya no aumentará incluso si aumenta la potencia motriz o la presión. Este fenómeno se llama. congestión. Por lo tanto, los primeros experimentos transónicos solo podían instalar el modelo en la superficie curva convexa de la superficie superior del ala del avión o en la pared inferior del túnel de viento, y realizar experimentos utilizando la zona transónica generada por la curvatura de la superficie superior. El modelo no sólo no puede ser demasiado grande, sino que el flujo de aire también es desigual. Estudios posteriores encontraron que la sección experimental utilizó paredes permeables con aberturas o rendijas a lo largo de la dirección del flujo de aire, de modo que parte del flujo de aire en la sección experimental podría salir a través de los agujeros o rendijas, lo que podría eliminar la congestión del túnel de viento y generar flujo hiposónico. Este tipo de sección experimental con paredes respirables también puede reducir la interferencia de la pared del túnel y debilitar o eliminar el sistema de ondas de reflexión de la pared del túnel a bajas velocidades supersónicas. La onda de choque generada por el modelo se refleja como onda de choque en la pared sólida y como onda de expansión en el límite libre. Si la pared permeable tiene un límite libre adecuado, el sistema de ondas reflejadas de la pared de la cueva puede debilitarse considerablemente. eliminado. Para atenuar eficazmente las ondas reflejadas en diversas condiciones experimentales, se utilizan relaciones de apertura y cierre variables (la relación entre aberturas o rendijas y el área de la pared de la sección experimental) y paredes respirables que pueden cambiar la distribución de las relaciones de apertura y cierre a lo largo de la dirección del flujo de aire. El primer túnel de viento transónico fue construido por el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) en 1947. Se trata de un túnel de viento de pared ranurada con un ratio de apertura y cierre del 12,5% y un diámetro de sección de ensayo de 308,4 mm. Desde entonces, los túneles de viento transónicos se han desarrollado rápidamente. En la década de 1950, se había construido un gran número de túneles de viento experimentales modelo con secciones experimentales de más de 1 metro.
Túnel de viento supersónico
Un túnel de viento con un número de Mach de flujo de aire de 1,5 a 4,5. En el túnel de viento, el flujo de aire pasa a través de un tubo Laval y alcanza una velocidad supersónica antes de entrar en la sección experimental. Siempre que la relación de presión antes y después de la boquilla sea lo suficientemente grande, la velocidad del flujo de aire en la sección experimental solo depende de la relación entre el área de la sección transversal de la sección experimental y el área de la sección transversal de la garganta de la boquilla. Generalmente se utiliza una boquilla bidimensional que consta de dos paredes laterales planas y dos perfiles. Hay muchos tipos estructurales de boquillas, tales como: una boquilla fija con dos paredes laterales y dos perfiles ensamblados en un conjunto rígido semipermanente y conectado directamente al cuerpo del orificio; una boquilla fija hecha de bloques de perfiles y lados de caja de boquillas reemplazables; la pared forma la boquilla y conecta la caja de boquillas al cuerpo del orificio; una boquilla de pared flexible consta de dos placas flexibles que forman el perfil de la boquilla, y el perfil de la placa flexible se puede ajustar (Figura 3). El difusor supersónico aguas abajo de la sección experimental consta de una sección de constricción, una segunda garganta y una sección de difusión (Figura 4). A través de cambios en el área de la garganta, el flujo supersónico pasa a través del sistema de ondas de choque más débil y se convierte en flujo subsónico, reduciéndose así. la pérdida total de presión del flujo. El primer túnel de viento supersónico lo construyó Prandtl en Göttingen, Alemania, en 1905. El número de caballos experimentales pudo llegar a 1,5. En 1920, A. Brzemann mejoró el diseño de la tobera y obtuvo un campo de flujo supersónico uniforme. En 1945 Alemania ya disponía de un túnel de viento supersónico con una sección experimental de aproximadamente 1 metro de diámetro. En la década de 1950, aparecieron en el mundo varios túneles de viento supersónicos para experimentos con modelos de aviones, el más grande de los cuales fue el túnel de viento supersónico de 4,88 metros × 4,88 metros en los Estados Unidos.
Muchos túneles de viento que se construyen ahora a menudo superan el rango de velocidad único mencionado anteriormente de velocidades subsónicas, transónicas y supersónicas, y pueden llevar a cabo experimentos subsónicos, transónicos y supersónicos en un túnel de viento. Este tipo de túnel de viento se denomina túnel de viento trisónico. El túnel de viento transónico y supersónico de 1,2 x 1,2 metros (Figura 5) del Centro de Investigación y Desarrollo Aerodinámico de China es un túnel de viento trisónico.
Desde la década de 1960, el aumento del número de túneles de viento de Reynolds ha recibido amplia atención. El número de Reynolds de los experimentos con modelos en túneles de viento transónicos suele ser inferior a 1×109. El desarrollo de aviones grandes requiere la construcción de túneles de viento transónicos con números de Reynolds más altos (por ejemplo, superiores a 4×109). Con una mayor presión de estancamiento, han surgido túneles de viento, nuevos túneles de viento, como los túneles de viento de baja temperatura, que utilizan inyección de nitrógeno líquido para reducir la temperatura de los gases experimentales y aumentar el número de Reynolds. Los túneles de viento criogénicos se han desarrollado rápidamente debido a su capacidad para variar de forma independiente el número de Mach, el número de Reynolds y la presión dinámica.
Túnel de viento hipersónico
Un túnel de viento supersónico con un número de Mach superior a 5. Se utiliza principalmente para experimentos con modelos de misiles, satélites artificiales y transbordadores espaciales. Los proyectos experimentales generalmente incluyen mediciones de fuerza aerodinámica, presión, transferencia de calor y visualización del campo de flujo, así como estabilidad dinámica, ablación con modelos de bajo punto de fusión, eyección de masa y mediciones de erosión de partículas. Los túneles de viento hipersónicos incluyen principalmente túneles de viento hipersónicos convencionales, túneles de viento de baja densidad, túneles de viento de ondas de choque y túneles de viento de embestida térmica.
Túnel de viento hipersónico convencional
Está desarrollado sobre la base del túnel de viento supersónico.
La Figura 6 es un diagrama esquemático de un túnel de viento hipersónico. La Figura 7 es una fotografía de un túnel de viento hipersónico temporal con un diámetro de sección experimental de 0,5 metros.
El principio de funcionamiento de un túnel de viento hipersónico convencional es similar al de un túnel de viento supersónico, la principal diferencia es que el primero requiere calentamiento del gas. Porque a una temperatura de sección estable dada, la temperatura estática del flujo de aire en la sección experimental disminuye a medida que aumenta el número de Mach, de modo que el flujo de aire en la sección experimental se licuará. De hecho, debido al rápido proceso de expansión del flujo de aire, existen diversos grados de sobresaturación en determinadas condiciones experimentales. Por lo tanto, la temperatura real de la sección estable puede ser menor que la temperatura obtenida según la curva de saturación de aire. Según las diferentes temperaturas de la sección estable, se utilizan diferentes métodos de calentamiento para el gas experimental. En circunstancias normales, la temperatura de calentamiento de los calentadores de combustión de gas puede alcanzar los 750 K; los calentadores de resistencia de níquel-cromo pueden alcanzar los 1000 K; los calentadores de resistencia de hierro-cromo-aluminio pueden alcanzar los 1450 K; los calentadores de lecho de guijarros de alúmina pueden alcanzar los 1670 K; el calentador de lecho puede alcanzar los 2500 K; el calentador de resistencia de tungsteno utiliza nitrógeno de alta pureza, ya que el gas experimental puede alcanzar los 2200 K; el calentador de resistencia de grafito puede alcanzar los 2800 K; Los primeros túneles de viento hipersónicos convencionales utilizaban a menudo boquillas bidimensionales. En condiciones de alto número de Mach, el tamaño de la garganta es pequeño, la deformación térmica causada por un alto flujo de calor superficial hace que el tamaño de la garganta sea inestable y la distribución de la capa límite también es muy desigual, lo que afectará la uniformidad del flujo de aire. Por lo tanto, la mayoría de los túneles de viento hipersónicos posteriores estaban equipados con toberas cónicas o axialmente simétricas. La boquilla cónica es fácil de procesar, pero produce un campo de flujo cónico, por lo que fue reemplazada gradualmente por la boquilla perfilada. Cuando el número de Mach es mayor que 7, la garganta de la boquilla que opera a alta temperatura y alta presión generalmente se enfría con agua.
El rendimiento aerodinámico típico de los túneles de viento hipersónicos convencionales se caracteriza por el número de Mach experimental y el número de Reynolds unitario. El número de Mach experimental de un túnel de viento típico que utiliza aire como gas experimental es de 5 a 14, y el número de Reynolds por metro es del orden de 3×106. Para aumentar aún más el número de Mach experimental y el número de Reynolds, se utiliza helio con una temperatura de condensación extremadamente baja (4 K) como gas experimental. El número de Mach puede alcanzar 25 a temperatura ambiente y el número de Mach puede alcanzar 42 cuando se calienta a 1000. K.
El primer túnel de viento hipersónico convencional del mundo fue construido por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. Este es un túnel de viento temporal. El límite superior del número de Mach es 10 y el tamaño de la sección experimental es 1 metro × 1 metro. Alemania fue derrotada y el túnel de viento no se completó por completo. Después de la guerra, Estados Unidos construyó varios túneles de viento hipersónicos convencionales con un tamaño de más de 0,45 metros, algunos de los cuales eran continuos y la mayoría temporales.
Túnel de viento de baja densidad
Un túnel de viento hipersónico que forma un flujo de gas fino (de baja densidad). Proporciona un entorno aerodinámico para vuelos a gran altitud para el desarrollo de naves espaciales y también es una herramienta experimental para estudiar la dinámica de gases finos. El túnel de viento de baja densidad realiza principalmente experimentos en regímenes de flujo de deslizamiento y regímenes de flujo de transición, simulando principalmente la relación del número de Knudzen, el número de Mach, la temperatura superficial promedio y la temperatura de estancamiento (la temperatura cuando la velocidad del gas se vuelve cero) (aproximadamente (0,06 ~ 1) y otros parámetros, así como los efectos reales del gas a alta temperatura y baja presión. El principio y la estructura del túnel de viento de baja densidad son similares a los de los túneles de viento hipersónicos convencionales. En comparación con los túneles de viento hipersónicos convencionales, tiene las siguientes características: la presión de la sección estable y el tamaño del modelo experimental son órdenes de magnitud más pequeños que los túneles de viento hipersónicos convencionales; tiene un enorme sistema de bombeo de vacío y un excelente rendimiento de sellado del túnel de viento; o la tecnología experimental de chorro libre de orificios pequeños se usa comúnmente para resolver el problema del engrosamiento de la capa límite de la boquilla causado por un número de Reynolds bajo y un número de Mach alto, de modo que se puedan obtener resultados experimentales con un número de Knuzen mayor. se utiliza el tamaño; los requisitos de calefacción para evitar la licuefacción del gas de trabajo al mismo número de Mach son menores que los de los túneles de viento hipersónicos generales. Sin embargo, en los experimentos en túneles de viento de baja densidad, debido a la baja densidad del flujo de aire y al pequeño tamaño del modelo experimental, la fuerza aerodinámica, el calor, la presión, etc. del modelo son muy débiles y la tecnología de medición es difícil. Para las mediciones pertinentes se han utilizado tecnologías de medición sin contacto, como balanzas de suspensión electromagnéticas y dispositivos de haz de electrones. La figura 8 es un diagrama esquemático de un túnel de viento de baja densidad.
El túnel de viento de choque es un túnel de viento que utiliza ondas de choque para comprimir gases experimentales y luego utiliza métodos de expansión constante para generar un flujo de aire experimental hipersónico. Consta de un tubo de choque y los componentes principales del túnel de viento, como la boquilla, conectada detrás de él. Se utiliza un diafragma (segundo diafragma) para separar el tubo de choque y la boquilla, y se genera vacío detrás de la boquilla. La Figura 9 es un diagrama esquemático del principio de un túnel de viento de choque por reflexión. El proceso de funcionamiento del túnel de viento de ondas de choque es: cuando se pone en marcha el túnel de viento, el diafragma principal se rompe primero, provocando la expansión del gas impulsor, generando una onda de expansión que se propaga aguas arriba y genera una onda de choque en el gas experimental.
Cuando la onda de choque se mueve aguas abajo y llega a la entrada de la boquilla, el segundo diafragma se abre, por lo que el gas experimental comprimido por la onda de choque para alcanzar alta temperatura y alta presión ingresa a la boquilla, se expande y acelera, y fluye hacia la sección experimental para uso experimental. El experimento finaliza cuando las condiciones experimentales se destruyen debido a la reflexión del sistema de ondas o al agotamiento del flujo de gas experimental. El tiempo experimental del túnel de viento de ondas de choque es corto, generalmente medido en milisegundos. El nombre de túnel de choque fue propuesto por Herzberg en 1951. Su desarrollo está estrechamente relacionado con el desarrollo de misiles y naves espaciales de mediano y largo alcance. Desde principios de la década de 1950 hasta mediados de la de 1960, debido a la urgente necesidad de estudiar los efectos reales del gas a alta temperatura que se producen durante el vuelo hipersónico, los túneles de viento de ondas de choque se utilizaron principalmente para simular condiciones de alta temperatura. Después de mediados de la década de 1960, debido a la necesidad de que las ojivas estratégicas maniobraran a bajas altitudes, recurrió a la simulación de números de Reynolds altos, y realizó por primera vez el funcionamiento de esta simulación en 1971. Los primeros túneles de viento de ondas de choque utilizaban el tipo directo (la onda de choque incidente no se refleja en la entrada de la boquilla sino que pasa directamente a través de la boquilla). Por lo tanto, el tiempo experimental es muy corto (incluso menos de 1 milisegundo) y difícil de analizar. Por lo tanto, se desarrolló el tipo de reflexión en túnel de viento. Este tipo de túnel de viento tiene diferentes métodos de funcionamiento, si las condiciones de funcionamiento se seleccionan adecuadamente, normalmente se puede obtener un tiempo experimental de 5 a 25 milisegundos. Los experimentos en túneles de choque se han establecido como una tecnología experimental hipersónica estándar y se han convertido en la principal fuente de datos aerodinámicos hipersónicos. Los proyectos experimentales suelen ser transferencia de calor, presión, medición aerodinámica y visualización del campo de flujo, además de proyectos especiales como la medición de la densidad electrónica. Los parámetros operativos más altos del túnel de viento de ondas de choque existentes son: la presión de conducción es de aproximadamente 3400 atmósferas (1 atmósfera equivale a 101325 Pa; puede simular una velocidad de vuelo de 6,7 kilómetros por segundo; el número de Mach del flujo de aire alcanza 24); El número de Reynolds llega a 108 (cuando Mach cuando el número es 8).
Túnel de viento de descarga térmica
Un túnel de viento que utiliza una descarga de pulso de arco para calentar y comprimir el gas experimental a un volumen constante para generar un flujo de aire hipersónico. La estructura básica se muestra en la Figura 10. Antes de la operación, el dispositivo de almacenamiento de energía almacena energía eléctrica, la cámara de arco se llena con gas a una cierta presión y todas las partes aguas abajo del diafragma se succionan a un estado de vacío (generalmente no menos de 105 Pa). Durante la operación, la energía eléctrica almacenada se libera a través de la descarga del arco en la cámara de arco dentro de una milésima de milisegundo a decenas de milisegundos para calentar y comprimir el gas cuando la presión en la cámara de arco aumenta a un cierto valor predeterminado, el diafragma se eleva; roto; el gas se expande y acelera a través de la boquilla, formando un flujo de aire hipersónico en la sección experimental y luego se descarga en la caja de vacío a través del difusor; A diferencia de los túneles de viento hipersónicos convencionales y los túneles de viento de ondas de choque, el flujo de aire experimental en el túnel de viento caliente es un flujo casi estable (ver flujo inestable), y el tiempo experimental es de aproximadamente 20 a 200 milisegundos durante el experimento; La presión y la temperatura del gas de la cámara de arco dependen de las condiciones experimentales y el tiempo son aproximadamente entre un 10 y un 50% más bajos que los de los túneles de viento hipersónicos y los túneles de viento de choque. Por lo tanto, es necesario medir los parámetros del flujo de aire de la sección experimental y las características aerodinámicas del modelo de forma instantánea y sincrónica durante el experimento, y utilizar un conjunto de tecnologías de procesamiento de datos especializadas. El desarrollo de túneles de viento de onda caliente comenzó a principios de la década de 1950, un poco más tarde que los túneles de viento de onda de choque. Originalmente iba a utilizar descarga de chispas para obtener una sección de accionamiento del tubo de choque de alto rendimiento, pero luego evolucionó hasta convertirse en un túnel de viento de explosión térmica. El término "hot punch" fue acuñado por R.W. Perry en 1958.
Una de las claves técnicas de los túneles de explosión caliente es reducir a un nivel aceptable la quema de materiales y la contaminación por gases. Las medidas adoptadas incluyen: utilizar nitrógeno en lugar de aire como gas experimental; reducir el área de aislamiento de la cámara de arco expuesta al gas caliente; diseñar racionalmente la estructura del electrodo y del deflector de garganta donde se quema el material precipitado para generar partículas y seleccionar adecuadamente; el fusible para el cable de encendido del arco; restringir el funcionamiento del túnel de viento cuando la temperatura del gas en la cámara del arco es inferior a 4000 K, etc. Hay dos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía en los túneles de viento térmico: condensadores e inductores. El primero se utiliza a menudo para almacenar energía por debajo de 10 megajulios, mientras que el segundo se utiliza principalmente para almacenar energía entre 5 y 100 megajulios. Otra forma es suministrar energía directamente desde la red eléctrica, y su energía generalmente es del orden de 10 megajulios. Las diferentes formas de utilizar la electricidad requieren sistemas de carga y descarga correspondientes. El rango de simulación de túneles de explosión térmica generalmente puede alcanzar: número de Mach de 8 a 22, número de Reynolds por metro de 1×105 a 2×108. El tiempo experimental de cientos de milisegundos no solo le permite completar experimentos estáticos en el túnel de viento en todos los ángulos de ataque del modelo de una sola vez, sino que también permite realizar experimentos dinámicos en el túnel de viento, midiendo la estabilidad dinámica y utilizando aire como medio experimental. gas (la temperatura es generalmente (por debajo de 3000 K) para realizar experimentos con motores estatorreactores hipersónicos.
Además de los túneles de viento anteriores, los túneles de viento hipersónicos también incluyen túneles de viento de nitrógeno, túneles de viento de helio, túneles de viento de pistola (túneles de viento de pistón ligero), túneles de viento de gran velocidad (túneles de viento de pistón pesado), túneles de viento de gas Túnel de viento de pistón, túnel de viento de expansión y túnel de viento de tubo hipersónico Ludwig, etc.
Un dispositivo de tubería que genera flujo de aire artificial y puede observar la interacción entre el flujo de aire o el flujo de aire y los objetos. Los túneles de viento son la herramienta más utilizada en la investigación y pruebas aerodinámicas. Su surgimiento y desarrollo están estrechamente relacionados con el desarrollo de la ciencia aeroespacial. Los túneles de viento se utilizan ampliamente para estudiar las leyes básicas de la aerodinámica para verificar y desarrollar teorías relevantes, y sirven directamente para el desarrollo de varios aviones. Los experimentos en túneles de viento se utilizan para determinar el diseño aerodinámico de la aeronave y evaluar su rendimiento aerodinámico. El diseño de los aviones modernos depende en gran medida de los túneles de viento. Por ejemplo, el desarrollo del bombardero estadounidense B-52 en la década de 1950 requirió aproximadamente 10.000 horas de experimentos en túnel de viento, mientras que el desarrollo del primer transbordador espacial en la década de 1980 requirió aproximadamente 100.000 horas de experimentos en túnel de viento.
El diseño de nuevos aviones deberá pasar por experimentos en túnel de viento. El flujo de aire en el túnel de viento debe tener diferentes velocidades, diferentes densidades e incluso diferentes temperaturas para simular las condiciones reales de vuelo de varios aviones. La velocidad del flujo de aire en el túnel de viento generalmente se mide mediante el número de Mach (número M) del flujo de aire experimental. Los túneles de viento se clasifican generalmente según el rango de velocidad del flujo: los túneles de viento con M<0,3 se denominan túneles de viento de baja velocidad, cuando la densidad del aire en el flujo de aire casi no cambia en el rango de 0,3 Túnel de viento de baja velocidad El túnel de viento de baja velocidad de sección experimental cerrada tipo CC (Figura 1) es un túnel de viento de baja velocidad típico. En este tipo de túnel de viento, el ventilador sopla hacia el extremo derecho, de modo que el aire ingresa a la sección estable del túnel de viento desde el exterior por el extremo izquierdo. El panal y la red de amortiguación en la sección estable hacen que el flujo de aire se peine y nivele, y luego la sección de contracción acelera el flujo de aire para formar un flujo de aire estable con una dirección de flujo constante y una velocidad uniforme en la sección experimental. En la sección experimental, se puede realizar el experimento de soplado de aire del modelo de avión para obtener los datos experimentales aerodinámicos que actúan sobre el modelo. La velocidad del flujo de aire en este túnel de viento está controlada por la velocidad del ventilador. El Centro de Investigación y Desarrollo Aerodinámico de China ha construido un túnel de viento de baja velocidad a gran escala con doble sección de prueba en serie cerrada de circuito abierto. El tamaño de la primera sección de prueba es de 12 × 16 × 25 m3, con una velocidad máxima del viento de 25 m. /s. El tamaño de la segunda sección de prueba es de 8×6×25 metros3 y la velocidad máxima del viento es de 100 metros/segundo. El túnel de viento de flujo de retorno en realidad conecta el túnel de viento de CC de extremo a extremo para formar un circuito cerrado. El flujo de aire circula de regreso en el túnel de viento, ahorrando energía y sin ser perturbado por el mundo exterior. Los túneles de viento también pueden usar otros gases o fluidos especiales para reemplazar el aire. Los que usan aire comprimido en lugar de aire a presión normal se llaman túneles de viento de densidad variable, y los que usan agua para reemplazar el aire se llaman túneles de agua (ver canales y túneles de agua). . Túneles de viento subsónicos, transónicos y supersónicos El túnel de viento trisónico temporal descendente (Figura 2) es un representante de este tipo de túnel de viento. El extremo superior izquierdo de este tipo de túnel de viento es un tanque de almacenamiento de aire comprimido, donde la presión generalmente supera las 8 atmósferas. Cuando se abre la válvula rápida que separa el tanque de almacenamiento de aire del túnel de viento, el aire comprimido fluye hacia la sección estable a través de la válvula rápida y la válvula reguladora de presión. La válvula reguladora de presión puede abrirse automática y gradualmente a medida que cae la presión en el tanque de almacenamiento de aire, de modo que la sección estable mantenga una presión constante (para experimentos supersónicos, este tipo de túnel de viento generalmente puede mantener una presión constante durante aproximadamente decenas de segundos). . El flujo de aire a presión constante en la sección estable se acelera a través de la boquilla Laval para alcanzar una velocidad supersónica y ingresa a la sección experimental con un cierto número de Mach (M>1) con el fin de realizar experimentos con modelos de aviones supersónicos. Después de que el flujo de aire pasa a través de la sección experimental, la sección de expansión supersónica y la sección de expansión subsónica reducen la velocidad y aumentan la presión, y luego se descarga a la atmósfera exterior. Para reducir el ruido del escape, se instala una torre silenciadora en el puerto de escape. Al realizar experimentos transónicos, debido a las ondas de choque locales generadas en el modelo, la pared de la sección experimental del túnel de viento debe convertirse en una pared porosa o ranurada para garantizar la uniformidad del flujo de aire en la sección experimental y eliminar las ondas de choque reflejadas. en la pared. La sección experimental del túnel de viento trisónico construido en China con una boquilla de pared flexible tiene un tamaño de 1,2×1,2 m2. A velocidades transónicas, se utiliza un método de trabajo de inyección descendente en el que parte de los gases de escape circulan por el conducto de retorno. , y a velocidades supersónicas es un trabajo deprimente. Si un túnel de viento hipersónico quiere obtener un mayor número M de flujo de aire en el túnel de viento (por ejemplo, M ≥ 5), en términos generales, el efecto de soplado del aire a alta presión aguas arriba por sí solo no puede producir Una diferencia de presión suficiente, en este momento, se conecta un contenedor de vacío de gran volumen a la salida aguas abajo del túnel de viento, y se puede formar una gran diferencia de presión presionando hacia arriba y succionando hacia abajo, generando así un flujo de aire hipersónico de M≥. 5. Sin embargo, el flujo de aire se expandirá rápidamente a medida que acelera a velocidades hipersónicas a través de la boquilla y la temperatura caerá bruscamente, lo que provocará que el gas se licue. Para evitar la licuefacción o simular las temperaturas requeridas, se debe instalar un dispositivo de calefacción en la sección estable del túnel de viento hipersónico. Existen muchos tipos de túneles de viento hipersónicos basados en diferentes principios y usos de calentamiento. El túnel de viento hipersónico convencional transitorio (Figura 3) es más típico y muy similar a un túnel de viento supersónico convencional. Otros tipos de túneles de viento incluyen túneles de viento de ondas de choque, túneles de viento de explosión, túneles de viento de ariete caliente, túneles de viento de ariete largos, túneles de viento de pistón de gas, túneles de viento de arco, etc. (consulte equipos experimentales de velocidad ultraalta). La sección experimental del túnel de viento hipersónico convencional impulsado por eyectores de alta presión en el Centro de Investigación y Desarrollo Aerodinámico de China tiene un diámetro de 0,5 metros. El centro también ha construido un túnel de viento de ondas de choque con un tramo experimental de 2 metros de diámetro. Túnel de viento especializado Para satisfacer las necesidades de varios experimentos especiales, también se pueden utilizar varios túneles de viento especiales. El túnel de viento de hielo se utiliza para estudiar la estructura local del. Superficie del avión cuando el avión vuela a través de nubes y niebla. Fenómeno de hielo. El túnel de viento con giro de cola se utiliza para estudiar las características de vuelo con giro de cola de los aviones. La sección experimental de este tipo de túnel de viento se coloca verticalmente y el flujo de aire sopla para formar una distribución de velocidad en forma de platillo. La velocidad del viento puede cambiar rápidamente, lo que puede soportar el modelo de giro de la cola y evitar que caiga. Los túneles de viento son equipos indispensables en el desarrollo de aeronaves. La escala y la perfección de los túneles de viento a menudo reflejan el nivel de desarrollo de la ciencia y la tecnología aeroespaciales. El número total de túneles de viento en el mundo ha alcanzado más de mil. El túnel de viento de baja velocidad más grande es el National Full Scale Facility (NFSF) en el Centro Ames de la NASA. El tamaño de la sección experimental es de 24,4 × 36,6 metros, lo cual es suficiente. para probar un avión real completo; el túnel de viento transónico a gran escala con el número de Reynolds más alto es el National Transonic Facility (NTF) en el Langley Center en los Estados Unidos. Es un túnel de viento de baja temperatura con un tamaño de sección experimental. de 2,5×2,5 m2 y utiliza fluido de inyección. Se utiliza tecnología de nitrógeno para reducir la temperatura del gas experimental, de modo que el número de Reynolds del experimento en el túnel de viento alcance o se acerque al valor real de vuelo de la aeronave. El túnel de viento de pistón de gas moderno más grande con alto número de Mach y alto número de Reynolds también está equipado con instrumentos de visualización de medición avanzados y sistemas de procesamiento y adquisición de datos. La tendencia de desarrollo de los túneles de viento es aumentar aún más las capacidades de simulación de los túneles de viento y mejorar la calidad del campo de flujo, eliminar la interferencia de las paredes del túnel a velocidades transónicas y desarrollar túneles de viento autocorregibles. El uso generalizado de computadoras en túneles de viento y el desarrollo de la aerodinámica computacional mejorarán en gran medida las capacidades experimentales de los túneles de viento. (Ver imagen en color) Túnel de viento para automóviles Los ventiladores utilizados para generar un fuerte flujo de aire en los túneles de viento para automóviles son muy grandes. Por ejemplo, el diámetro del ventilador en el automóvil de Mercedes-Benz. El túnel de viento alcanza los 8,5 m, la potencia eléctrica para accionar el ventilador es de hasta 4000 kW y la velocidad del flujo de aire en el túnel de viento utilizado para la sección de prueba del vehículo real alcanza los 270 km/h. Construir un túnel de viento para automóviles de esta escala a menudo cuesta cientos de millones de dólares, o incluso más de mil millones, y el costo de cada prueba en el túnel de viento para automóviles también es considerable. Los túneles de viento para automóviles incluyen túneles de viento modelo, túneles de viento para vehículos reales y túneles de viento climáticos. Los túneles de viento modelo son mucho más pequeños que los túneles de viento para vehículos reales, y sus costos de inversión y uso también son relativamente menores. Sólo se pueden probar modelos a escala reducida en túneles de viento modelo y su precisión de prueba es relativamente baja. El túnel de viento para vehículos real es muy grande y los costos de construcción y uso son extremadamente altos. En la actualidad, no existen muchos túneles de viento para vehículos en el mundo y se concentran principalmente en grandes empresas automotrices de Japón, Estados Unidos, Alemania, Francia, Italia y otros países. El túnel de viento climático es principalmente un túnel de viento que simula el entorno climático y se utiliza para medir el rendimiento general del automóvil (como el rendimiento de la cavidad, etc.). Cuando las empresas automovilísticas extranjeras desarrollan automóviles, la mayoría de sus carrocerías se fabrican primero en un molde de barro 1:1 y luego se prueban en un túnel de viento. De acuerdo con las condiciones de prueba, se modifican los detalles de cada parte de la carrocería. el coeficiente de resistencia al viento cumple con los requisitos de diseño, luego utiliza un instrumento de medición de coordenadas tridimensionales para medir la forma de la carrocería del vehículo, dibujar dibujos de la carrocería y realizar trabajos técnicos como el diseño y producción de moldes de estampado de carrocerías. Paisaje del túnel de viento En marzo de Yangchun, los periodistas entraron al túnel de viento vertical más grande de Asia, diseñado y construido independientemente por mi país para apreciar el paisaje único en el túnel de viento. Estar en el "cielo" artificial Todavía hay un poco de nieve en la cima de las montañas Qinling, pero al pie de la montaña, florecen flores de durazno. El automóvil atravesó una sinuosa carretera de montaña y de repente la escena se abrió: un edificio de cinco pisos se elevaba del suelo entre verdes montañas y bosques. "Estamos aquí. Este es el túnel de viento vertical más grande de Asia". Después de escuchar la presentación del personal que lo acompañaba, el reportero se sintió un poco decepcionado, porque la escena frente a él era completamente diferente a la de él. lo que había imaginado. El túnel de viento vertical recién construido no es muy alto ni parece muy majestuoso, y ni siquiera es tan bueno como los rascacielos comunes de la ciudad. Desde el exterior, la única diferencia con las casas comunes es que el edificio tiene una gruesa tubería de hierro en su parte posterior. El técnico dijo a los periodistas: "No subestimen a este tipo de hierro. Es el canal principal para generar flujo de aire". De hecho, el túnel de viento tiene un "corazón" mágico bajo su apariencia ordinaria. Al entrar en él, el periodista descubrió que este "cielo" artificial estaba hecho íntegramente de logros de alta tecnología. La construcción de túneles de viento es un tema de integración de sistemas multidisciplinario e interprofesional, que abarca más de 20 campos profesionales que incluyen aerodinámica, ciencia de materiales, acústica, etc. Todo el túnel de viento vertical tardó sólo dos años y medio desde la primera piedra hasta la primera prueba de ventilación, creando un milagro en la historia de la construcción de túneles de viento en China. En el recibidor, la escalera de caracol está rodeada por dos enormes caños. No es tanto un dispositivo experimental como una obra de arte arquitectónica de vanguardia. Durante el recorrido, el periodista descubrió que el túnel de viento tenía muchos "aspectos destacados": realizaba la recogida simultánea de imágenes de prueba mediante dos cámaras y la interpretación y procesamiento automático por ordenador; era el primero en aplicar las técnicas del mundo; La más avanzada tecnología de regulación de velocidad de frecuencia variable de media tensión a túneles de viento. Se controla el sistema de transmisión principal del túnel y se aumenta la precisión de la velocidad del motor en un 50%... El responsable dijo que. El túnel de viento vertical es la nueva estrella más llamativa de la enorme familia de túneles de viento de mi país, y actualmente sólo hay un puñado de ellos en los países desarrollados. Siente el encanto del "viento" El viento va y viene sin dejar rastro, la máxima libertad. Pero en manos de los investigadores científicos de la base, el viento invisible y omnipresente se puede clasificar en flujos de aire regulares de diversas intensidades y "formas". Por casualidad, el periodista descubrió que la prueba de mejora del giro de cola libre de un modelo de avión se estaba llevando a cabo en un túnel de viento vertical. ¿Qué es el giro de la cola? Se refiere al fenómeno de una aeronave que gira y desciende bruscamente en un estado de pérdida sostenida. Antes de que la gente lo entendiera completamente, el giro de la cola solo tenía una consecuencia: un accidente aéreo y la muerte humana. Los datos muestran que entre 1966 y 1973, Estados Unidos perdió cientos de aviones F-4 debido a accidentes en barrena. En el centro de control, el asistente activó ligeramente el botón y el enorme motor comenzó a girar. El reportero involuntariamente se tapó los oídos con las manos para resistir el "rugido de trueno" que se avecinaba. Inesperadamente, el fuerte ruido que se imaginaba no llegó, sólo el suave zumbido del aire que fluía a través de él. 30 metros/segundo, 50 metros/segundo... la velocidad del viento ha llegado al extremo. El periodista se encontraba junto a la sección de prueba bien aislada, pero no apreciaba la concepción artística de "fuertes vientos que se levantan". ¿Sabes cuál es la velocidad del viento de 50 metros/segundo? ¡Mejor que un huracán! El asistente dijo a los periodistas que si pones a las personas en la sección de prueba, puedes experimentar la sensación de ser arrastrado por el viento y volar con el viento. El primer túnel de viento vertical de mi país ha desarrollado sólidas capacidades de prueba. La persona a cargo dijo a los periodistas: Además de completar la mayoría de los proyectos de prueba convencionales en túneles de viento horizontales existentes, este tipo de túnel de viento también puede completar la evaluación del rendimiento del giro de la cola de los aviones y las pruebas de estabilidad aerodinámica durante el proceso de recuperación de satélites retornables y naves espaciales tripuladas. . Enlace informativo El primer túnel de viento reconocido en el mundo fue construido por los británicos en 1871. Los hermanos Wright de Estados Unidos construyeron en 1901 un túnel de viento con una velocidad de viento de 12 metros/segundo, inventando así el primer avión del mundo. Los túneles de viento aparecieron en gran número a mediados del siglo XX. Hasta ahora, nuestro país ya cuenta con túneles de viento de baja, alta y ultra alta velocidad, de ondas de choque, de arco y otros. Grupo del Gran Túnel de Viento del Oeste de Sichuan de China Las capacidades de prueba del Grupo del Gran Túnel de Viento del Oeste de Sichuan de China han entrado en las filas avanzadas del mundo. El modelo de levitación magnética con derechos de propiedad intelectual independientes de mi país. Se lanzó hoy en la Base de Investigación Aerodinámica de China. Viento de baja velocidad El agujero se identificó mediante pruebas. Hasta ahora, el grupo de túneles de viento más grande de Asia, ubicado en la zona montañosa del oeste de Sichuan, ha completado más de 500.000 pruebas en túneles de viento y ha ganado 1.403 premios por logros en progreso científico y tecnológico en todos los niveles. Empresa de aire acondicionado con medios completos y la solidez integral más sólida. Una institución dinámica de pruebas, investigación y desarrollo cuyas capacidades de pruebas integrales se encuentran entre las avanzadas del mundo. Desde la reforma y apertura, la base se ha basado en el progreso científico y tecnológico para mejorar continuamente sus capacidades integrales de investigación y pruebas científicas. Ha construido sucesivamente 52 equipos de túnel de viento e instalaciones especiales representadas por baja velocidad. túneles de viento y túneles de viento transónicos, formando el túnel de viento más grande de Asia. El grupo de túneles de viento tiene 8 equipos de túneles de viento de "clase mundial" y ha construido un sistema informático con una velocidad informática máxima de 10 billones de operaciones por segundo, formando un túnel de viento transónico. Instalaciones de apoyo grandes, medianas y pequeñas para pruebas en túnel de viento, cálculo numérico y pruebas de vuelo de modelos. El grupo de equipos está equipado con una amplia gama de medios y puede realizar conexiones de baja, alta y ultra alta velocidad. investigación desde baja velocidad hasta 24 veces la velocidad del sonido, desde bajo el agua, en tierra hasta una altitud de 94 kilómetros, cubriendo aerodinámica, calor aerodinámico, física aerodinámica, óptica aerodinámica y otros campos. Las capacidades de investigación y pruebas científicas de la base han aumentado significativamente, haciendo contribuciones significativas al desarrollo de armas y equipos y a la construcción de la economía nacional. Desde los aviones de combate "J-10" y "Fierce Dragon" y la serie de naves espaciales "Shenzhou", hasta los trenes de alta velocidad maglev y "Harmony" desde la Torre Perla Oriental, de más de 300 metros de altura; El puente que cruza el mar de la bahía de Hangzhou, que se extiende por más de 30 kilómetros de mar, realizó pruebas en el túnel de viento aquí. Hasta la fecha, la base ha ganado un total de 44 premios por logros científicos y tecnológicos a nivel nacional.