Jak wykorzystywane są modele tunelu aerodynamicznego podczas projektowania samolotów naddźwiękowych?

W grę wchodzą dwie rzeczy: przeciąganie fal i rozdzielanie warstw granicznych. Przeciąganie fali zależy od liczby Macha, podczas gdy ta ostatnia zależy od liczby Reynoldsa przepływu. Łatwo jest utrzymać przychodzącą liczbę Macha, ponieważ jest ona niezależna od geometrii; jednak liczba Reynoldsa zależy od geometrii modelu.

Jeśli stosuje się powietrze jako medium, to zakładając, że natężenie przepływu jest utrzymywane na stałej liczby Macha, i są mocowane za pomocą stosunków dynamicznych gazu. jest prawie poza naszym zasięgiem, więc jedynym nieokreślonym parametrem jest .$\rho$$u$$\mu$$d$

Ponieważ jest znacznie mniejsze dla modelu niż dla prawdziwego samolotu, przepływ będzie miał niższy niż prawdziwy samolot. Zapewni to inną charakterystykę rozdziału przepływu dla modelu niż dla prawdziwego samolotu.$d$$\text{Re}$

W testach poddźwiękowych liczy się tylko , który można dokładnie dopasować do rzeczywistego rozmiaru, dostosowując dla danego . Ale przepływu naddźwiękowego, nie mamy tego luksusu, jak jest określana przez liczbę Macha przepływu przychodzącego.$\text{Re}$$u$$d$$u$

Jak więc modele tunelu aerodynamicznego są wykorzystywane do projektowania samolotów, statków kosmicznych i pocisków? Czy istnieją techniki korekcji pozwalające lepiej przewidzieć rozdział przepływu? Czy można zastosować te same techniki do obsługi danych CFD?

W społeczności Fluid Dynamics około 40 lat temu grupa była podzielona przede wszystkim na eksperymentalistów i teoretyków. Jednak w tym czasie CFD było całkiem nowe, musiało być uruchamiane na drogich superkomputerach i niezaufane. Często zdarzało się, że teoretyk lub eksperymentalista w najlepszym wypadku zlekceważył wyniki CFD, podczas gdy inni mogą całkowicie zignorować wyniki CFD jako bezużyteczne. W rzeczywistości mój były doktorat dr David Whitfield był jednym z pierwszych pionierów stosowania CFD obok eksperymentów aerodynamicznych w Arnold Engineering Development Complex (AEDC). To odniesienie dobrze wyjaśnia myślenie o CFD w tamtych czasach:

W AEDC zastosowano CFD do uzupełnienia testów w tunelu aerodynamicznym, ale według dr Whitfielda niewiele osób wierzyło w CFD na początku lat siedemdziesiątych.

„W rzeczywistości” - powiedział - „moje wysiłki na rzecz promowania CFD w AEDC na początku lat siedemdziesiątych prawdopodobnie doprowadziły mnie do wyrzucenia lub przez większość mahoniowych drzwi. Jednak kiedy CFD użyto do wyjaśnienia źródła problemu kątowości przepływu w sekcja testowa 16T, a kiedy grupa CFD dr. Johna Adamsa, doktora Johna Adamsa w VKF, wyjaśniła, w jaki sposób tunel faktycznie działał na Mach 12, a nie Mach 16, jak wcześniej sądzono, CFD znalazło nowe życie. ”

„Powiedziano mi kiedyś, że„ AEDC jest miejscem danych testowych i nie ma miejsca na CFD ”- wyjaśnił. „Naszym celem było pomóc tym, którzy prowadzą tunele, aby mogli lepiej wykonywać swoje zadania. Nie uważam, że AEDC powinno być po prostu miejscem„ danych testowych ”. Raczej powinno być miejscem rozwiązań i fizycznego zrozumienia problemów , i można to lepiej osiągnąć poprzez wzajemną współpracę między tymi, którzy koncentrują się na eksperymentach, a tymi, którzy koncentrują się na liczbach ”.

W tamtych czasach na ogół projektant zaprojektował nowy prototyp i wysłał go do tunelu aerodynamicznego w celu przetestowania, a być może niektóre CFD zostałyby wykonane w tym samym czasie. Na ogół zbudowano i przetestowano wiele prototypów, co było bardzo kosztowne. Jeden taki eksperymentalny obiekt, w którym pracowałam, kosztował 16 000 $ za dzień testów. Z drugiej strony, wraz z rozwojem solidnych kodów CFD typu open source, takich jak OpenFoam i komputery klastrowe, symulacje CFD są dość tanie.

Z czasem CFD zaczęło dojrzewać, a wraz z popularyzacją komputerów klastrowych dość tanio zaczęło działać. Coraz więcej potwierdzeń z eksperymentami publikowanymi w takich czasopismach jak AIAA Journal, modelom CFD zaczęto coraz bardziej ufać. Obecnie koszt przeprowadzania eksperymentów jest znacznie droższy niż przeprowadzanie symulacji CFD. Dlatego na początkowych etapach projektowania stosuje się więcej symulacji CFD, z wieloma iteracjami tam iz powrotem, a nawet obecnie w procesie projektowania często stosuje się optymalizację projektu opartą na CFD (CDO).

Obecnie rozumiem, że tunele aerodynamiczne są obecnie używane przede wszystkim z następujących powodów: (1) testowanie sfinalizowanych prototypów oraz (2) przeprowadzanie podstawowych badań nad przepływami naddźwiękowymi, szczególnie w celu opracowania dokładniejszych modeli numerycznych.

Jeśli chodzi o osiągnięcie podobieństwa przepływu, gdy masz dwie różne liczby niewymiarowe, takie jak liczba Reynoldsa i liczba Macha, eksperymentator musi wybrać, która liczba jest najważniejsza. Dla przepływów poddźwiękowych należy użyć liczby Reynoldsa, natomiast dla przepływów transonicznych i naddźwiękowych należy zastosować liczbę Macha.

Często nie można dopasować liczby Reynoldsa rzeczywistego prototypu za pomocą testu modelowego w tunelu aerodynamicznym. Rozważmy na przykład 747, który ma liczbę Reynoldsa 2 000 000 000 ( odniesienie ). Niemal niemożliwe jest stworzenie tunelu aerodynamicznego, który pasowałby do tego rodzaju liczb Reynoldsa. Ludzie próbowali zwiększyć liczbę Reynoldsa, obniżając temperaturę i stosując gazy o niskiej gęstości w niskich temperaturach. Na przykład europejski transoniczny tunel aerodynamiczny (ETW) jest jednym z największych na świecie kriogenicznych tuneli aerodynamicznych, w których wykorzystuje się azot tak zimny jak -196$^{\circ}$C, ale osiąga maksymalną liczbę Reynoldsa 50 milionów na metr. Przy maksymalnej długości sekcji testowej wynoszącej 9 metrów maksymalna możliwa liczba Reynoldsa wynosiłaby 450 000 000, wciąż mniej niż połowę liczby Boeinga 747. W tych przypadkach ludzie opracowali prawa skalowania, aby radzić sobie ze sposobem skalowania wyników do większych Liczba Reynoldsa. Skalowanie dotyczy przede wszystkim grubości warstwy granicznej, co wpływa również na inne rzeczy, takie jak tarcie na skórze, a ostatecznie podnosi się i przeciąga. W 2003 r. Odbyła się specjalna konferencja na Uniwersytecie Princeton w celu omówienia tych kwestii. Rezultatami tej konferencji była ta książka: http://link.springer.com/book/10.1007/978-94-007-0997-3

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​eksperymenty służą wyłącznie do:

• zweryfikować metody numeryczne
• rozwiązywać funkcje przepływu, które nie są poprawnie wychwytywane przez CFD (np. niestabilny przepływ, różnice w długości i skali czasowej, interakcja struktura płynów)

Jak powiedział @Wes, jakość i dokładność współczesnego CFD jest tak wysoka w połączeniu z mocą obliczeniową współczesnych klastrów, że przeprowadzenie prostych eksperymentów zwykle nie jest już tego warte.