Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [ 11 ] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Одна нз основных задач аэродинамики - определение сил и моментов, действующих на тело в потоке. В силу сложности теоретического исследования особое значение приобретает эксперимент. Для этого тело закрепляют в рабочей части аэродинамической трубы или водяного канала с помощью динамометров или к аэродинамическим весам, способным измерять составляющие общей (полной) результирующей силы и момента, действующие на тело. Этот прием исследования но-сит название весового способа.

В аэродинамике чаще всего принята правая прямоугольная система координат, связанная со скоростью (поточная система координат), когда координатные оси направлены: ось X - по потоку (скорости), ось у- перпендикулярно оси х и вверх, если смотреть сбоку иа поток, ось Z - перпендикулярно осям х ц. у (рис. 3.3).

В общем случае результирующая сила воздействия потока на тело имеет составляющие, направленные по всем осям. Составляющую этой силы по оси X называют лобовым сопротивлением и обозначают X, составляющую по оси г/ -подъемной силой, обозначаемой F, составляющую по оси Z называют боковой силой Z.

Лобовое сопротивление тела является суммой лобового сопротивления давления, зависящего от формы тела, и лобового сопротивления трения, взятых по всей поверхности тела.

Вообще, результирующая сила не проходит через начало координат; тогда возникают моменты относительно осей х, у я z, стремящиеся повернуть тело. Их определяют также с помощью аэродинамических весов.

В общем случае величины составляющих сил и моментов их зависят от тела (форма, величина, ориентация в потоке и т. д.), среды (плотность, давление, состояние среды и т. д.) и движения (величина скорости). В упрощенном виде величины сил и моментов воздействия среды на тело представляются только в виде зависимости от плотности среды, размеров тела и скорости дви-н<ения. Во многих случаях шероховатость поверхности тела существенно влияет на характер обтекания тела потоком и на величину этих сил.

Рис. 3.3. Тело, система координат и аэродинамические коэффициенты в потоке жидкости

Положение тела определяется углом, под которым на него набегает поток. Угол, образованный проекцией вектора скорости потока на плоскость симметрии объекта с осью объекта х, называют по традиции углом атаки а. Значения угла а считают положительными, когда он образован поворотом объекта против часовой стрелки. При косой обдувке, г. е. когда объект повернут относительно первоначального положения в плоскости ху, угол между вектором скорости потока и плоскостью симметрии ху называют углом скольжения р. Он положителен, когда объект повернут против часовой стрелки для наблюдателя, стоящего у конца оси у. Если объект не имеет плоскости симметрии, тогда одно из характерны.ч сечений прини.мается за исходное. При других правилах отсчета они должны быть оговорены.

В ряде случаев применяют систему прямоугольных координат, связанную с исследуемым телом. Их осям х, у и z придают индекс в виде штриха или обозначают соответственно п, t и z. При симметричной картине обтекания связь между аэродинамическими силами в скоростных (поточных) осях координат с силами (коэффициентами) в осях, связанных с исследуемым телом, устанавливается следующими соотношениями:

X = X cos а + У sin а;

Y = - Xsina + У cosa;

Более полное представление о силах воздействия потока жидкости на тело дает распределение сил по поверхности модели. В частности, для определения нормальных сил в характерных местах модели делают небольшие отверстия, давления в которых измеряют при помощи батарейного жидкостного манометра, соединенного трубками с каждым отверстием. Для плохо обтекаемых тел часто ограничиваются измерением нормальных к поверхности сил, а касательными, вызванными вязкостью среды, пренебрегают, считая их малыми.

Стационарные аэродинамические силы, действующие на тело в потоке, зависят также от свойств и состояния среды, формы, размеров и качества поверхности (шероховатости) тела и в общем случае-от скорости потока. Со сжимаемостью не считаются, поскольку она сказывается при скоростях, значительно больших наблюдаемых в свободной атмосфере

При этих допущениях сопротивление тела потоку воздуха можно записать в виде

/? = p/2F0(p,/,F,p), (3.4)

где / - характерный размер тела;

При расчете конструкций в условиях воздействия взрывной волны со сжимаемостью необходимо считаться.

V- скорость потока;

Ф-некоторая функция величин, заключенных в скобки. Если принять скоростной напор

а за характерный размер тела - определенную площадь S, то выражение (3.4) принимает вид

R = qSO{9j,V,ii). (3.5)

Рассматривая явления, происходящие в стандартной атмосфере, т. е. полагая р=0,125 ке-сек/м, можно переписать, обозначая выражение в скобках формулы (3.5) через коэффициент

R = c-S, (3.6)

где V - в м/сек; S - в jw.

Коэффициент Cr, называемый коэффициентом полного сопротивления, зависит так же, как аэродинамическая сила, от свойств тела, среды и движения. Для геометрически подобных тел при одинаковой ориентации в потоке коэффициент Cr зависит в общем случае и от величины числа Re.

Для длинных тел с неизменным поперечным сечением по длине, расположенных поперек потока, коэффициент Cr относят к единице длины тела. Тогда выражение (3.6) принимает вид

R = cqdL, (3.6)

где d -характерный размер тела, например диаметр трубы или ширина пластинки; L- длина тела. Коэффициент Cr, являющийся аэродинамической характеристикой тела, находят опытным путем с помощью аэродинамических весов или зная распределение давления по поверхности тела.

Взвешиванием определяют отдельно лобовое сопротивление Q и подъемную силу Р. Тогда полное сопротивление симметричного тела

R = VQ + Р, (3.7)

а коэффициент полного сопротивления

<R=Vcl + cl, (3.8)

где коэффициент лобового сопротивления

(3.9)