Способ определения аэрогидродинамических сил

(53)м. клз с присоединением заявки Й 9 601 М 9/00 Государственный комитет СССР ло дмам изобретений я открытий(23) Приоритет -Опубликовано 07.1181, Бюллетень Й 9 41 53) УДК 533, б. .072(088.8) Дата опубликования описания 0711.81;1Московский ордена Трудового Красного Ъйамеииинженерно-строительный институт им.В.В.Куйбышева( 54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХСИЛ . Изобретение относится к аэрогидродинамическим испытаниям и может быть использовано,для определения сил взаимодействия жидкости газа с поверхностями при малых возмущениях или ма 5 лых числах Рейнольдса в процессе обтекания летательных аппаратов, кораблей, гидротехнических сооружений, а также в биомеханике - при течении крови в сосудах, в металлургии - при течении жидкого металла по изложни" цам, в вулканологии - при течении магмы из кратера вулкана.Известен способ определения аэродинамических сил, основанный на 5 испытаниях тел нли их моделей в потоке аэродинамической установки,при котором силы взаимодействия получают путем обработки данных голографической интерферометрин структуры 20 обтекания тела 1.Известен также способ определения аэрогидродинамнческнх сил, включающий помещение модели в рабочую среду и задание относительного их дви-25 движения, моделирующего обтекания тела потоком натурной среды, освещение поляризованным светом и регистрацию интерференционной картины взаимодействия рабочей среды с поверх 2ностью модели. Относительное движение модели и рабочей среды осуществляется за счет обеспечения истечения газа из сопла аэродинамической установки, модель изготавливают иэ фотоупругого материала, что позволяет определять по теневым интер" ференционным картинам внутренние напряжения в модели.Однако известные способы весьма дорогостоящие, так как требуют для создания потока рабочей среды (газа нлн жкдкости) специальных сложных аэрогидродинамнческих установок. Кроме того, в случае необходимости обеспечения исследований моделей малого масштаба и при малых возмущениях натурной среды или малых числах Рей" нольдса большой вязкости среды и малых ее скоростях течения) использование аэрогидродинамических установок малоэффективно иэ-за невозможности обеспечить достаточную надежность и хорошую точность результатов исследованийЦелью изобретения. является обеспечение исследований на маломасштабных моделях и при малых возмущениях натурной среды или при малых числах Рейнольдса879354 ки 1 и 2 из жести, выполненные в виде куба с ребром Е=240 мм, покрытыеизнутри силиконовым каучуком, кудазаливают жидкую эпоксидную смолу сотвердителем.Исследования проводят методом "замораживания" деформаций, для чеготемператуРу в термостате поднимаютдо 120 С и выдерживают в течение 2 чодля равномерного прогрева фотоупругойсреды. К основной модели 3 через тягу б прикладывают нагрузку Я =100 кги с помощью индикатора 8 определяютсоответствующее смещение модели 30,=0,038 см в Фотоупругой среде смодулем сдвига 6 =70 кг/см 2 при 1% о=120 С. После охлаждения до комнатной температуры и "заморажйвания"деформаций производят разрезку блоков 1 и 2 с моделями 3 и 4, просвечивание срезов поляризованным светом 20 и вычитание контрольной картины блока2 из основной для устранения .искажений, вносимых усадкой и температурными деформациями.Фактическая сила сопротивления % р 5 равна силе Ц за вычетом равнодействующей давления Я/.на основании кубаФотоупругой среды со стороной ЬТаким образом,фиЧнЕн,фн=м а О Емммо .где 5 Н,М- характерные размеры натурного объекта и модели,соответственноГ, св:960 Н. "-г - 0,038 се 2 св4610 НссмТочное решение этой задачи (см., ннапример Л,И.Седов. Механика сплошнойсреды, т.2, М., "Наука", 1970, с.235)дает величину силы сопротивленияфн=бф 0 нЧнн 4,8 Ло и,которая отличается от экспериментального значеня лишь на 4. Безразмерныенормальные избыточные и касательныенапряжения расчитываются по формулам2 Я (б -Р) 2% 6 с6.= ,ОО -со 50, .6% 3 у -5 Л 6По интерференционной картине взаимодействия Фотоупругой пластинки с60моделью определяют напряжения на поверхности модели(3 Л .Напряжения на натуре объектаопределяются из соотношения(н н н д)б 5 1 И ЛМ С,Оц Е Укаэанная цель достигается тем, что в способе определения аэрогидродинамических сил, включающем помещение модели в рабочую среду и задание относительного их движения, моделирующего обтекание .тела потоком натурной среды, освещение поляризованным светом и регистрацию интерференционной картины взаимодействия рабочей среды с поверхностью модели, модель помещают в фотоупругую рабочую среду и прикладывают смещающую относительно среды силу, не превышающую по величине предела упругой ее связи с поверхностью модели.,При этом в качестве фотоупругой рабочей среды используют полимерный материал в высокоэластичном состоянии.Кроме того, в качестве полимерного материала для рабочей среды применяют отвержденную эпоксидную смолу при температуре 100-150 С.На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - кривые, иллюстрирующие возможности способа по определению нормальных и касательных напряжений на поверхности шара диска)при. его движении в вязкой .жидкости.В блоки 1 и 2 фотоупругой среды, выполненные в виде кубических емкостей, заполненных отвержденной эпоксидной смолой, помещены соответственно исследуемая 3 и эталонная контрольная) 4 модели. Блоки размещены в термостате 5. Исследуемая модель 3 с помощью тяги б соединена с рычаж- З 5 ным нагрузочным устройством 7,.снабженным индикатором перемещений 8.Эталонная модель 4 снабжена свободной тя гой 9, аналогичной тяге б.Направление величины смещения Ои модели 3 относительно фотоупругой среды с модулем сдвига Им задается совпадающим с направлением скорости Н натурного объекта в вязкой среде с известным коэффициентом вязкости,ОН .П р и м е р, Определяют силу сопротивления и напряжения на поверхности при движении с постоянной скоростью ЧН =3 см/с шара. радиусом К =10 см в глицерине с вязкостью,4 Н=Н=8,5 г/с 2.см. Две модели 3 и 4 шара РаДиУсом КМ =2 см изготовлЯют из эбонита с коэффициентом линейного расширения С=7 10 1/град, близкого к коэффициенту линейного расширения фотоупругой среды,.модуль сдвига которой 3=15000 кг/см2В модели 3 и 4 вворачивают стальные тяги б и 9 диаметром 2 мм. Модели 3 и 4 для лучшего сцепления с фотоупругой средой обезжиривают, а тяги б и 9 покрывают силиконовым каучуком,. чтобы обеспечить свободные смещения относительно фотоупругой среды. Модели 3 и 4 помещают в блоПодставляя числовые величины,получают 3 Чм =98 кгСила сопротивления движения шара в глицерине определяется из полученного методом теории разномерностей соотношения879354 Соотношения (1) и (2) основаны на тождественности уравнений движения газов и жидкостей при постоянной скорости движения и относительно малых числах Рейнольдса, с одной стороны, и уравнений равновесия упругих твердых сред - с другой при этом принимается во внимание то, что размерности . комбинацийОнЧн и 6 м Ом входяих в уравнения состояния одинаковы).На поверхности тела и жидкости или газа вследствие прилипания отсутству-ют относительное проскальзывание и отрыв, что моделируется упругой связью модели с фотоупругой средой.При нестационарном взаимодействии твердых тел с жидкостью основное влияние на резонансные частоты ЫН оказывает сжимаемость, При этом должно выполнятся основное условие пообия:20 Формула изобретения 2. Авторское свидетельство СССР, Р 174403, кл. б 01 М 9/00, 1967 (прототип ). 1 нСн Рм См9 Сн РСгде Р - плотность и С - скорость звука в твердом теле и в модели; 25 ров плотность и С - скорость звуока в жидкости и в фотоупругой среде.Движение идеальной жидкости и фотоупругой среды оказывается потен" циальным и описывается одинаковыми дифференциальными уравнениями, отку. - да при наличии упругого сцепления модели с фотоупругой средой следует соотношение для определения резонансных частот для натурного объекта35 по резонансным частотам моделиРмСм м м ФнН рн Сн ОЕФн,Щм где %Н, Ф, в .соответственно возмущающие силы, действующие на натурный объект и модель. При определении напряжений на поверхности твердого тела основное значение имеет осевая (нормальная) составляющая тензора напряжений О 1,Рм, которая может быть 45 определена на плоских моделях методом голографической интерферометрии при просвечивании моделей в поляризованном свете и пересчитана на натуру: 50 УйСн ан Он5)Рн о о РмРм См%лОмПри неустановившемся движении в идеальном газе или жидкости с малыми возмущениями акустические волны распространяются по тем же законам, что и упругие продольные волны в фотоупругой среде, что позволяет изучать явления отражения, преломления А 0 и дифракции акустических волн на фото- упругих моделях.Представленные на фиг.2 данные по определенир нормальных 6,;:рм и касательных 0 напряжений (отмече ны точками и сравнение их с расчет. ными величинами (сплошные кривые) свидетельствуют о надежности и хорошей точности разработанного способа исследований.Данный способ определения аэрогидродинамических сил по сравнению с другими известными обеспечивает по" лучение следующего положительного эф" фекта:а) возможность проведения испытаний на маломасштабных моделях;б) уменьшение затрат на проведение испытаний путем отказа от дорогостоящих аэрогидродинамических установок,в)одновременное определение сил сопротивления и распределения напряжений на обтекаемой поверхности,1. Способ определения аэрогидродинамических сил, включающий помещение модели в рабочую среду и задание относительного их движения, моделирующего обтекание тела потоком натурной среды, освещение поляризованным с светом и регистрацию интерференционной картины взаимодействия рабочей среды с поверхностью модели, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения исследований на маломасштабных моделях и при малых возмущениях натурной среды или маЛых числах Рейнольдса, модель помещают в фотоупругую рабочую среду и прикладывают смещающую относительио среды силу, не превышающую по величине предела упругой ее связи с поверхностью модели. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве фото- упругой рабочей среды используют полимерный материал. в высокоэластичном состоянии.3. Способ по пп.1.и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что в качестве полимерного материала для рабочей среды применяют отвержденную эпоксидную смолу при температуре 100" 150 С. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. 51 еп Т."Г., Вадь 6 а 1 е И.С.,5 ргпд Ч.Сп, чоапсйай 1 че арр)саг."опт оГ йоодгарЬс псегегоаегусо ип 6-йиппе 1 йенепд, М 01 Тй"96,1974.879354ВНИИПИ Заказ 9704/8 Тираж 910 Подписное илиал ППП Патент,