Как модели аэродинамической трубы используются при проектировании сверхзвукового самолета?

Здесь есть две вещи: волновое сопротивление и разделение пограничного слоя. Волновое сопротивление зависит от числа Маха, а последнее зависит от числа Рейнольдса потока. Входящее число Маха легко поддерживать, поскольку оно не зависит от геометрии; однако число Рейнольдса зависит от геометрии модели.

Если в качестве среды используется воздух, то при условии, что поток должен поддерживаться на постоянном числе Маха, и будут фиксироваться газодинамическими соотношениями. в значительной степени не в наших руках, поэтому единственный нефиксированный параметр - .u μ $\rho$$u$$\mu$$d$

Поскольку для модели намного меньше, чем для реального самолета, поток будет иметь более низкий чем у реального самолета. Это даст различные характеристики разделения потока для модели, чем для реального самолета.$d$$\text{Re}$

В дозвуковом тестировании единственное, что имеет значение, это , который можно точно настроить, чтобы он соответствовал фактическому размеру, настраивая для заданного . Но в сверхзвуковом потоке мы не обладаем такой роскошью, так как определяется числом Маха входящего потока.U D $\text{Re}$$u$$d$$u$

Так как же модели аэродинамической трубы используются для проектирования самолетов, космических кораблей и ракет? Существуют ли методы коррекции для лучшего прогнозирования разделения потока? Можно ли использовать те же методы для работы с данными CFD?

В сообществе Fluid Dynamics около 40 лет назад группа была в основном разделена на экспериментаторов и теоретиков. Тем не менее, в то время CFD был довольно новым, должен был работать на дорогих суперкомпьютерах и не заслуживал доверия. Было довольно распространено, что теоретик или экспериментатор в лучшем случае обесценивают результаты CFD, в то время как другие могут полностью игнорировать результаты CFD как бесполезные. Фактически, мой бывший доктор философии доктор Дэвид Уитфилд был одним из первых пионеров использования CFD наряду с аэродинамическими экспериментами в Арнольдском инженерно-техническом комплексе (AEDC). Эта ссылка хорошо объясняет мышление о CFD в те дни:

В AEDC CFD использовался в дополнение к испытаниям в аэродинамической трубе, но, по словам доктора Уитфилда, в начале 1970-х годов мало кто верил в CFD.

«На самом деле, - сказал он, - мои усилия по продвижению CFD в рамках AEDC в начале 1970-х годов, вероятно, вынудили меня или через большинство дверей из красного дерева. Однако, когда CFD использовался для объяснения источника проблемы угловатости потока в тестовая секция 16T, и когда группа CFD члена AEDC доктора Джона Адамса в VKF объяснила, как на самом деле работает туннель на Mach 12, а не на Mach 16, как считалось ранее, CFD нашел новую жизнь ».

«Мне однажды сказали, что« AEDC - это место для тестовых данных, и нет места для CFD », - пояснил он. «Наша цель состояла в том, чтобы помочь тем, кто работает в туннелях, лучше выполнять свою работу. Я не думаю, что AEDC должен быть просто местом для« тестовых данных ». Скорее, это должно быть место для решений и физического понимания проблем». и это может быть достигнуто лучше путем взаимного сотрудничества между теми, кто сосредоточен на экспериментах, и теми, кто сосредоточен на цифрах ».

В те дни, как правило, проектировщик разрабатывал новый прототип и отправлял его в аэродинамическую трубу для испытаний, и, возможно, одновременно выполнялся бы некоторый CFD. Как правило, было бы построено и протестировано много прототипов, что было очень дорого. Одна такая экспериментальная установка, на которой я работал, требовала 16 000 долларов в день испытаний. С другой стороны, с разработкой надежных кодов CFD с открытым исходным кодом, таких как OpenFoam, и кластерных компьютеров, моделирование CFD довольно дешево.

Итак, со временем CFD начали созревать, и с популяризацией кластерных компьютеров стало вполне реально запускать дешево. В связи с тем, что в таких журналах, как AIAA Journal, публикуется все больше подтверждений экспериментов, модели CFD стали доверять все больше и больше. В настоящее время стоимость проведения экспериментов намного дороже, чем проведение моделирования CFD. Таким образом, на начальных этапах проектирования используется больше симуляций CFD, причем многие итерации выполняются взад и вперед, и даже в наши дни в процессе проектирования часто используется оптимизация проектирования на основе CFD (CDO).

В настоящее время, насколько я понимаю, в настоящее время аэродинамические трубы используются главным образом по следующим причинам: (1) тестирование завершенных прототипов и (2) проведение фундаментальных исследований в области сверхзвуковых течений, особенно для разработки более точных численных моделей.

Что касается достижения сходства потоков, когда у вас есть два разных безразмерных числа, таких как число Рейнольдса и число Маха, экспериментатор должен выбрать, какое число является наиболее важным для сопоставления. Для дозвуковых течений следует использовать число Рейнольдса, тогда как для трансзвуковых и сверхзвуковых течений следует использовать число Маха.

Часто не удается сопоставить число Рейнольдса фактического прототипа с помощью модельного теста в аэродинамической трубе. Рассмотрим, например, 747 с числом Рейнольдса 2 000 000 000 ( ссылка ). Почти невозможно создать аэродинамическую трубу, которая может соответствовать этим типам чисел Рейнольдса. Люди пытались увеличить число Рейнольдса, уменьшая температуру и используя газы низкой плотности при низких температурах. Например, европейская трансзвуковая аэродинамическая труба (ETW) - одна из крупнейших в мире криогенных аэродинамических труб, в которой азот холоднее, чем -196$^{\circ}$С, но только достигает максимального числа Рейнольдса 50 миллионов на метр. При максимальной длине испытательного участка 9 метров максимально возможное число Рейнольдса составило бы 450 000 000, что все еще меньше, чем у Boeing 747. В этих случаях люди разработали законы масштабирования, чтобы иметь дело с тем, как масштабировать результаты до большего Число Рейнольдса. Масштабирование в первую очередь связано с толщиной пограничного слоя, что также влияет на другие вещи, такие как трение обшивки и, в конечном итоге, на подъем и перетаскивание. В 2003 году в Принстонском университете была проведена специальная конференция для обсуждения этих вопросов. Результатами этой конференции была эта книга: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

Из моего опыта эксперименты используются только для:

• проверить численные методы
• разрешить особенности потока, которые неправильно улавливаются CFD (например, нестационарный поток, различия в масштабах длины и времени, взаимодействие структуры жидкости)

Как сказал @Wes, качество и точность современных CFD настолько высоки в сочетании с вычислительной мощностью современных кластеров, что проведение простых экспериментов обычно больше не стоит.