设计超音速飞机时如何使用风洞模型?


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涉及两件事:波浪阻力和边界层分离。波浪阻力取决于马赫数,而后者取决于水流的雷诺数。保持传入的马赫数很容易,因为它与几何图形无关。但是,雷诺数取决于模型的几何形状。

Re=ρudμ

如果将空气用作介质,则假定将流量保持在恒定的马赫数,则和将通过气体动力学关系固定。几乎是我们无法控制的,因此唯一的非固定参数是。ρuμd

由于模型的比真实飞机小得多,因此流的比真实飞机低。这将为模型提供与实际飞机不同的流分离特性。dRe

在亚音速测试中,仅重要的是,可以通过对给定调整来进行微调以与实际大小匹配。但是在超音速流中,我们没有那么奢侈,因为由流入的马赫数决定。Reudu

那么如何将风洞模型用于飞机,航天器和导弹的设计呢?是否有校正技术可以更好地预测流分离?可以使用相同的技术处理CFD数据吗?


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这个主题涉及的概念很棒,我不想阻止它。但是,有关维基百科有关超音速风洞的文章的第二句话回答了问题的实质。我希望看到有关扩展实用性的更多问题(我可能很快会发表自己的主题,但话题会有所不同)。
2015年

Answers:


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大约40年前,在流体动力学领域,该小组主要分为实验主义者和理论家。但是,当时的CFD相当新,必须在昂贵的超级计算机上运行并且不受信任。理论家或实验家充其量认为CFD结果充其量是很普遍的,而其他人可能完全无视CFD结果。实际上,我的前博士导师David Whitfield博士是在Arnold工程开发中心(AEDC)上同时使用CFD和空气动力学实验的先驱之一。该参考资料很好地解释了当时有关差价合约的想法:

在AEDC中,CFD被用来补充风洞测试,但是根据Whitfield博士的说法,在1970年代初期,没有多少人相信CFD。

他说:“实际上,我在1970年代初期在AEDC中促进CFD的努力可能使我被踢开了门,或者穿过了大多数桃花心木门。但是,当CFD用来解释流角问题的根源时,在16T的测试部分,当AEDC研究员John Adams博士在VKF的CFD小组解释了隧道实际上是如何在12马赫而不是之前认为的16马赫运行时,CFD找到了新的生命。”

他解释说:“曾经有人告诉我'AEDC是测试数据的地方,没有CFD的地方。” “我们的目标是帮助那些跑隧道的人能够更好地完成他们的工作。我不认为AEDC应该只是一个“测试数据”场所。相反,它应该是解决方案和对问题进行物理理解的地方,而专注于实验的人和专注于数字的人之间的相互合作可以更好地实现这一目标。”

当时,通常设计人员会设计一个新的原型并将其发送到风洞进行测试,也许会同时执行一些CFD。通常会有很多原型被制造和测试,这是非常昂贵的。我曾经工作过的一个这样的实验设施每天要收取16,000美元的测试费用。另一方面,随着健壮的开源CFD代码(例如OpenFoam)和集群计算机的开发,CFD仿真非常便宜。

因此,随着时间的流逝,CFD开始走向成熟,并且随着集群计算机的普及,廉价运行变得相当可行。随着越来越多的实验验证在AIAA Journal等期刊上发表,CFD模型已开始受到越来越多的信任。如今,运行实验的成本比运行CFD模拟的成本高得多。因此,在最初的设计阶段中会使用更多的CFD仿真,并且会进行多次迭代,甚至如今,在设计过程中经常使用基于CFD的设计优化(CDO)。

如今,据我了解,如今使用风洞的主要原因如下:(1)测试最终原型,以及(2)对超音速流进行基础研究,尤其是为了开发更精确的数值模型。

关于实现流程相似性,当您有两个不同的无量纲数字(例如雷诺数和马赫数)时,实验者必须选择最重要的数字进行匹配。对于亚音速流,应使用雷诺数,而对于跨音速和超音速流,应使用马赫数。

通常,通过在风洞中使用模型测试,人们无法匹配实际原型的雷诺数。例如,考虑雷诺数为2,000,000,000(参考号)的747 。几乎不可能生产出可以匹配这些雷诺数类型的风洞。人们试图通过降低温度并在低温下使用低密度气体来增加雷诺数。例如,欧洲跨音速风洞(ETW)是世界上最大的低温风洞之一,它使用的氮冷至-196C,但只能达到每米5000万的最大雷诺数。在最大测试段长度为9米的情况下,最大可能的雷诺数将为450,000,000,仍不到波音747的一半。在这种情况下,人们已经制定了缩放比例法则,以处理如何将结果放大到更大的比例。雷诺数。缩放比例主要与边界层的厚度有关,边界层的厚度还会影响其他因素,例如皮肤摩擦,最终会抬起并拖拽。2003年在普林斯顿大学举行了一次特别会议,讨论这些问题。那次会议的结果就是这本书:http : //link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3


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根据我的经验,实验仅用于:

  • 验证数值方法
  • 解决CFD无法正确捕获的流量特征(例如,不稳定流量,长度和时间范围的差异,流固耦合)

正如@Wes所说,现代CFD的质量和准确性是如此之高,再加上现代集群的计算能力,以至于进行简单实验通常不再值得了。

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