Як використовуються моделі вітряних тунелів при проектуванні надзвукових літаків?

Задіяно дві речі: перетягування хвилі та розділення прикордонного шару. Перетягування хвилі залежить від числа Маха, тоді як остання залежить від числа Рейнольдса потоку. Підтримувати вхідне число Маха легко, оскільки воно не залежить від геометрії; однак число Рейнольдса залежить від геометрії моделі.

Якщо повітря використовується як середовище, то припускаючи, що потік повинен підтримуватися при постійному чисельності Маха, і будуть фіксовані газовими динамічними співвідношеннями. в значній не під силу, тому єдиним нефіксованим параметром є .$\rho$$u$$\mu$$d$

Оскільки для моделі набагато менший, ніж для реального літального апарату, потік матиме менший ніж справжній літак. Це дасть різні характеристики поділу потоку для моделі, ніж для справжнього літального апарату.$d$$\text{Re}$

У підзвуковому тестуванні важливим є лише , який можна точно налаштувати відповідно до фактичного розміру, налаштувавши для даного . Але в надзвуковому потоці у нас немає такої розкоші, як визначається числом Маха вхідного потоку.$\text{Re}$$u$$d$$u$

Отже, як моделі вітроенергетичних тунелів використовуються для проектування літаків, космічних кораблів і ракет? Чи існують методи корекції, щоб краще передбачити поділ потоку? Чи можна використовувати ті самі методи, що стосуються даних CFD?

У спільноті Fluid Dynamics близько 40 років тому група була в основному поділена на експерименталістів та теоретиків. Однак на той час CFD був зовсім новим, його потрібно було запускати на дорогих суперкомп'ютерах і не довіряти. Було досить часто, що теоретик або експерименталіст в кращому випадку дисконтує результати CFD, тоді як інші можуть повністю знехтувати результатами CFD як марні. Насправді, мій колишній доктор наук доктор Девід Уітфілд, був одним із перших піонерів використання CFD поряд з експериментами з аеродинаміки в Арнольдському інженерно-конструкторському комплексі (AEDC). Це посилання добре пояснює мислення щодо CFD в ті часи:

На AEDC CFD використовували для доповнення тестування вітроенергетичних тунелів, але, за словами доктора Вітфілда, не дуже багато людей вірили в CFD на початку 1970-х.

"Насправді, - сказав він, - мої зусилля щодо просування CFD в рамках AEDC на початку 1970-х років, ймовірно, змусили мене вигнати або через більшість дверей з червоного дерева. Однак, коли CFD використовувався для пояснення джерела проблеми кутовості потоку в випробувальний розділ 16T, і коли колега АФК доктора Джона Адамса з CFD у VKF пояснив, як тунель насправді працював на Mach 12, а не Mach 16, як вважалося раніше, CFD знайшов нове життя ".

"Мені одного разу сказали, що" AEDC - це місце для тестових даних, і для CFD немає місця ", - пояснив він. "Наша мета полягала в тому, щоб допомогти тим, хто працює в тунелях, щоб вони могли краще виконувати свою роботу. Я не думаю, що AEDC не повинен бути просто" тестовими даними ". Скоріше це має бути місцем для вирішення та фізичного розуміння проблем , і це може бути досягнуто краще шляхом взаємної співпраці між тими, хто зосереджується на експериментах, і тими, хто зосереджується на чисельності ".

У ті часи дизайнер, як правило, розробляв новий прототип і відправляв його у вітроенергетичний тунель для тестування, і, можливо, одночасно буде виконано якийсь CFD. Як правило, було побудовано та протестовано багато дослідних зразків, що було дуже дорого. Один такий експериментальний заклад, де я працював, стягував $ 16000 за день тестування. З іншого боку, з розвитком надійних кодів CFD з відкритим кодом, таких як OpenFoam та кластерні комп'ютери, моделювання CFD є досить дешевим.

Отже, з часом CFD почав дозрівати, і з популяризацією кластерних комп'ютерів стало цілком реально дешево працювати. З все більшою валідністю експериментів, що публікуються в таких журналах, як AIAA Journal, моделям CFD все більше довіряють. На сьогодні вартість запущених експериментів набагато дорожча, ніж виконання моделей CFD. Тому на початкових етапах проектування використовується більше моделювання CFD, з багатьма ітераціями вперед і назад, і навіть в наші дні оптимізація дизайну на основі CFD (CDO) часто використовується в процесі проектування.

Сьогодні, наскільки я розумію, вітроенергетичні тунелі використовуються в наші дні насамперед з наступних причин: (1) випробування остаточних прототипів та (2) проведення фундаментальних досліджень надзвукових потоків, особливо з метою розробки більш точних числових моделей.

Що стосується досягнення подібності потоку, коли у вас є два різних невимірних чисел, таких як число Рейнольдса та число Маха, експерименталіст повинен вибрати, яке число є найбільш важливим для відповідності. Для дозвукових потоків слід використовувати число Рейнольдса, тоді як для трансконічних та надзвукових потоків слід використовувати число Маха.

Часто один раз не в змозі зіставити номер Рейнольдса з реальним прототипом, використовуючи тест моделі у вітровому тунелі. Розглянемо для прикладу 747, який має число Рейнольдса 2 000 000 000 ( посилання ). Практично неможливо виготовити вітроенергетичний тунель, який може відповідати цим типам чисел Рейнольдса. Люди намагалися збільшити кількість Рейнольдса за рахунок зниження температури та використання газів низької щільності при низьких температурах. Наприклад, європейський трансконічний вітряний тунель (ETW) - це один з найбільших у світі криогенних вітроенергетичних тунелів, який використовує азот як холодний, як -196$^{\circ}$C, але лише досягає максимальної кількості Рейнольдса 50 мільйонів на метр. При максимальній довжині тестової секції в 9 метрів максимально можлива кількість Рейнольдса становила б 450 000 000, все ще менше половини, ніж у Boeing 747. У цих випадках люди розробили закони про масштабування, щоб вирішити, як масштабувати результати на більші Номер Рейнольдса. Масштабування в першу чергу пов'язане з товщиною прикордонного шару, що також впливає на інші речі, такі як тертя шкіри, і в кінцевому підсумку піднімає і перетягує. У 2003 році в Університеті Прінстона була проведена спеціальна конференція для обговорення цих питань. Результатами цієї конференції стала ця книга: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

З мого досвіду експерименти використовуються лише для:

• перевірити числові методи
• вирішити особливості потоку, які неправильно фіксуються CFD (наприклад, нестійкий потік, різниця в масштабах довжини та часу, взаємодія структури рідини)

Як заявив @Wes, якість та точність сучасних CFD настільки високі в поєднанні з обчислювальною потужністю сучасних кластерів, що проведення простих експериментів зазвичай не варто.