CC BY
20
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
1 MERENJE PRELAZNIH I OPTEREĆENJA NA DVA MODELA
8 U AEROTUNELU T-38
Aleksandar Vitić, dipl. inž. mr Marija Samardžić, dipl. inž.
Vojnotehnički institut
Rezime:
Pri ispitivanju modela u ,,rafalnom“ aerotunelu sa prekidnim dejstvom T-38, na Mahovim brojevima većim od 2, moraju se uzeti u obzir prelazne pojave koje se javljaju na početku i na kraju rada aerotunela. To su stanja kada su model i aerovaga izloženi velikim aerodinamičkim silama i momen-tima. Ova kombinovana opterećenja mogu oštetiti modele i aerovage, pa bi bilo potrebno unapred znati kolike se vrednosti očekuju za pojedine konfigu-racije modela, kako bi se izvršio pravilan izbor aerovage i odgovarajućih materijala za izradu modela. U tu svrhu postoje dijagrami koji pružaju mo-gućnost procene ovih opterećenja. Dijagrami su dobijeni na osnovu ispitiva-nja nekoliko različitih modela na Mahovim brojevima većim od 2.
U radu su prikazana merenja prelaznih opterećenja na još dva modela, a rezultati su upoređeni sa već postojećim dijagramima.
Ključne reči: rafalni aerotunel, prelazna opterećenja, aerotunelski mo-deli, aerovage, šliren sistem.
MEASUREMENT OF TRANSIENT LOADS ON TWO MODELS
Summary:
The T-38 wind tunnel is a blowdown, intermittent-run type of wind tunnels. During model testing in the this type of wind tunnels, at Mach numbers higher than 2, transient loads which appear during the starting and stopping of the wind tunnel runs must be taken into consideration. These are the conditions when a model and the wind tunnel balance are exposed to large aerodynamic forces and moments. These combined loads can damage models and wind tunnel balances, and, for this reason, it is very important to determine them in advance for any particular model configuration so that an appropriate wind tunnel balance and materials for model manufacturing can be chosen. For that purpose there are graphs which give possibilities to estimate these loads. The graphs are based on experiments with a number of different models at Mach numbers higher than 2.
This paper gives the measurements of transient loads on two more models and the results are compared with the already existing graphs. Key words: blowdown wind tunnel, transient loads, wind tunnel models, wind tunnel balances, Schlieren system.
Uvod
Utoku primopredajnih ispitivanja u aerotunelu T-38 Vojnotehničkog in-stituta u Beogradu uočene su izvesne pojave koje se javljaju pri star-tu i zaustavljanju rada aerotunela na Mahovim brojevima većim od M = 2. Te pojave nazvane su „prelazna stanja" u kojima se aerodinamičke sile i momen-ti znatno povećavaju u odnosu na kasnije vrednosti pri stacionarnim režimima strujanja. Ova stanja izazvana su pojavom normalnog udarnog talasa koji se iz „grla" mlaznika premešta iza modela i koji, nažalost, nije normalan na osu modela već zaklapa izvestan ugao. To je razlog što dolazi do razlike u pritisci-ma na gornjaci i donjaci modela koja generiše sile i momente, a oni snažno pomeraju model iz njegove početne pozicije. Ova kombinovana opterećenja javljaju se i u ravni propinjanja i u ravni skretanja i toliko su velika da se moraju ozbiljno uzeti u obzir pri dizajniranju modela i izbora aerovage.
U radu su prikazani rezultati merenja prelaznih opterećenja na dva različita modela u aerotunelu T-38 na brzinama većim od M = 2. Dobijeni rezultati upoređeni su sa rezultatima dobijenim u ranijim ispitivanjima prelaznih opterećenja sa drugim modelima [1-4].
Eksperiment
Opis modela i aerovaga
U eksperimentu su korišćena dva modela: Model 1 iz test-programa GE2000 [5] i Model 2 iz test-programa GRAN40 [6]..
Model 1 bio je montiran na aerovagu VTI40B i preko stinga prečnika 40 mm vezan za sistem koji služi za promenu napadnog ugla. Na slici 1 pri-kazana je skica ovog modela, a na slici 2 slika modela u radnom delu aero-tunela T-38. Model je cilindričnog oblika sa oživalnim vrhom. Dužina modela je 700 mm, a prečnik 65 mm. Na kraju modela nalaze se pravougaona ili olučasta krila. Ispitivano je nekoliko različitih konfiguracija ovih krila.
Sl. 1 - Skica Modela 1 iz test-programa GE2000
polozaj centra aerovage
17
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
Sl. 2 - Model 1 sa olučastim krilima u radnom delu aerotunela T-38
Model 2 bio je montiran na aerovagu ABLE 1” MK XXIIIA i preko stinga prečnika 32 mm vezan za sistem koji služi za promenu napadnog ugla. Skica modela sa osnovnim dimenzijama prikazana je na slici 3. Model je cilindričnog oblika sa oživalnim vrhom. Dužina modela je 206,8 mm, a prečnik 39,8 mm. Položaj centra aerovage smešten je na 134,91 mm od vrha modela.
Sl. 3 - Skica Modela 2 iz test-programa GRAN40
Sl. 4 - Model 2 u radnom delu aerotunela T-38
Opis aerotunela T-38
Aerotunel T-38 u VTI-u je prekidnog dejstva sa natpritiskom i radnim delom kvadratnog poprečnog preseka dimenzija 1,5 m x 1,5 m [7]. Op-seg Mahovih brojeva koji se može postići u radnom delu je od 0,2 do 4,0 sa maksimalnim Rejnoldsovim brojem do 115 miliona po metru. Regula-cija i održavanje Mahovog broja je ±0,3% od zadate nominalne vrednosti. Zaustavni pritisak u radnom delu može biti održavan između 1,1 bar i 15 bara, što zavisi od Mahovog broja, dok je tačnost regulacije ±0,3% nominalne vrednosti. Dužina trajanja jednog ispitivanja (jednog “rafala”) iznosi od 6 s do 60 s i zavisi od Mahovog broja i pritiska duvanja.
Instrumentacija i prikupljanje podataka
Potrebni pritisci mere se apsolutnim i diferencijalnim davačima tipa Mensor i Druck različitog opsega. Nelinearnost i histerezis ovih davača je oko 0,02% punog opsega.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
Precizni davači pozicije, tzv. rizolveri, montirani su u mehanizam za promenu napadnog ugla i ugla valjanja. Tačnost sistema za očita-vanje napadnog ugla je ± 0,05°, a za ugao valjanja ± 0,25°. Za merenje aerodinamičkih sila i momenata na Modelu 1 korišćena je šestokom-ponentna aerovaga VTI40B, koja je montirana na sting prečnika 40 mm. Njena tačnost je 0,25% punog opsega. Aerovaga je baždarena pre ovog ispitivanja. Za merenje aerodinamičkih sila i momenata na Modelu 2 korišćena je šestokomponentna aerovaga ABLE 1” MK XXIIIA, montirana na sting prečnika 32 mm, čija tačnost iznosi 0,3% punog opsega. Aerovaga je, takođe, baždarena pre testa. Sistem za priku-pljanje podataka sastoji se od 64-kanalnog sistema tipa Teledyne pod kontrolom računara PC Compaq. Na svim analognim kanalima izabra-no je odgovarujuće pojačanje i postavljeni su filteri odgovarajuće gra-nične učestanosti. Podaci sa svih analognih kanala se digitalizuju A/D konvertorom rezolucije 16 bita. Svi kanali su očitavani istom brzinom od 400 podataka u sekundi.
Digitalizovani podaci primaju se na računar Compaq Alpha Server DS20E i zapisuju na disk za kasniju obradu.
Vizualizacija strujanja
Vizualizacija strujanja obavljena je sistemom Šliren, a slike su pri-kupljene na PC računaru koji se nalazi u kontrolnom centru aerotunela [8]. Sistem je takozvanog tipa Z sa paralelnim snopom svetlosti preč-nika 900 mm. U svetlosnom kabinetu nalazi se ksenon lampa sa pro-cepom i dva ravna ogledala, koji služe da usmere snop svetlosti na pr-
vo kolimatorsko ogledalo žižne daljine 7200 mm. Na drugoj strani aerotunela nalazi se veliko ravno skretno ogledalo prečnika 1300 mm i drugo kolimatorsko ogledalo iste žižne daljine kao i prvo. U prijemnom delu sistema nalaze se malo ravno ogledalo, filter u boji, mali teleskop za suženje snopa svetlosti i minijaturna Web kamera. Na slici 5 prikazana je Web kamera u prijemnom kabine-Sl. 5 - Minijaturna Web kamera u tu sistema Šliren koji je instaliran prijemnom kabinetu sistema Šliren u hali aerotunela T-38.
Obrada rezultata merenja
Obrada rezultata merenja u stacionarnom režimu strujanja
Obrada podataka u stacionarnom režimu strujanja vrši se posle svakog „rafala", pri čemu se koristi standardni softverski paket T38-APS za obradu merenja u aerotunelima VTI. Obrada se izvodi u neko-liko faza:
- čitanje zabeleženih sirovih podataka, normalizacija i prevođenje u standardni format;
- određivanje parametara strujanja, tj. primarni merni sistem;
- određivanje položaja modela;
- određivanje aerodinamičkih koeficijenata u stacionarnom režimu strujanja.
Svaka faza obrade izvodi se posebnim softverskim modulom.
Obrada rezultata merenja aerodinamičkih sila i momenata u prelaznom režimu
Obrada podataka u prelaznom režimu strujanja izvršena je na kraju celokupnog predviđenog test-programa. Na osnovu zabeleženih „sirovih" podataka izrađeni su dijagrami, prikazani u primerima na slikama 6 i 7, gde se vide vrednosti sila i momenata u prelaznom, kao i u stacionarnom režimu strujanja izmereni aerovagom. Za svaki pojedinačni „rafal", za oba modela, pročitane su vrednosti sila i momenata, a zatim su, korišćenjem jednačine 1-6, izračunati normalizovani koeficijenti. Svi podaci zapisani su u tabelama 1 i 2.
*=FF.«
k = —.........2)
y SY
F77
kz = — 3)
z S7
k, =
MXX
BS7
4)
1 MYY „
km = 07..5
. M77
k" = 07...6)
21
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
Sl. 6 - Sila otpora (FXX) na Modelu 1 za vreme prelaznih i stacionarnih režima strujanja
pri M = 3,0
Sl. 1 - Moment skretanja (MZZ) na Modelu 1 za vreme prelaznih i stacionarnih
režima strujanja pri M = 3,0
22
Tabela 1
Pregled sakupljenih podataka za merenje prelaznih opterećenja na Modelu 1
Redni broj M P0 [bar] FXX [N] FYY [N] FZZ [N] MXX [Nm] MYY [Nm] MZZ [Nm] kx ky kz kl km kn
8 2,5 4,0 320 1000 650 8 120 140 9,65 2,16 1,4 1,2 3,7 4,3
10 3,0 7,0 315 1200 1800 10 200 170 9,57 2,59 3,88 1,6 6,2 5,2
15 2,5 4,0 360 1200 1350 10 150 200 10,9 2,59 2,91 1,6 4,6 6,2
16 3,0 7,0 365 1200 2400 10 200 200 11,0 2,59 5,17 1,6 6,2 62
25 2,5 4,0 380 1650 800 18 140 120 11,5 3,56 1,73 2,8 4,3 3,7
26 3,0 7,0 470 1650 1600 16 180 170 14,2 3,56 3,45 2,5 6,2 3,2
28 2,5 4,0 360 1350 1000 12 160 140 10,9 2,90 2,20 1,9 4,9 4,3
27 3,0 7,0 400 1200 1300 10 200 200 12,1 2,59 2,80 1,6 6,2 6,2
40 2,5 4,0 370 1100 1600 16 120 140 11,2 2,37 3,45 2,5 3,7 4,3
41 3,0 7,0 360 1700 1600 12 160 200 10,9 3,66 3,45 1,9 4,9 6,2
48 2,5 4,0 420 1200 1400 10 120 200 12,7 2,59 3,02 1,6 3,7 6,2
47 3,0 7,0 320 1700 2000 12 160 200 9,65 3,66 4,30 1,9 4,9 6,2
56 2,5 4,0 380 1500 1200 12 140 120 11,5 3,23 2,59 1,9 4,3 3,7
57 3,0 7,0 320 1600 2400 12 200 170 9,65 3,45 5,17 1,9 6,2 5,2
Tabela 2
Pregled sakupljenih podataka za merenje prelaznih opterećenja na Modelu 2
Red. broj M Pc [bar] FXX [N] FYY [N] FZZ [N] MYY [Nm] MZZ [Nm] kx ky kz km kn
5 2,0 2,3 54 148 102 2,8 4,6 4,34 2,3 1,63 2,17 3,6
8 2,5 4,0 100 204 290 9,571 6,37 8,04 3,27 4,64 7,41 4,93
9 3,0 6,0 71 184 240 14,13 5,3 5,71 2,9 3,8 10,9 4,01
17 2,0 2,3 56 51 48 1,6 1,63 4,5 0,82 0,77 1,24 1,26
18 2,5 4,0 96 260 200 8,72 7,54 7,72 4,16 3,2 6,75 5,86
19 3,0 6,0 133 185 250 13,4 5,67 10,69 2,96 4,01 10,4 4,39
Analiza snimaka efekata vizualizacije strujanja
Prikazano je nekoliko snimaka Modela 2 snimljenih metodom Šli-ren za vreme ispitivanja u aerotu-nelu T-38. Na slici 8 prikazan je sni-mak uzet za vreme strujanja u sta-cionarnom režimu strujanja kada je već bio uspostavljen Mahov broj M=3. U pitanju je Model 2 koji se u tom trenutku nalazio pri napadnom uglu od 0 stepeni. Na snimku se ja-sno vidi kosi udarni talas formiran i vezan za vrh modela. Izvan polja ovog talasa strujanje je uniformno bez ikakvog poremećaja.
Sl. 8 - Model 2 za vreme stacionarnog režima
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
Na slici 9 prikazan je snimak iz rane faze formiranja strujanja u rad-nom delu aerotunela T-38 na Maho-vom broju M = 2. Na snimku se uočava nadolazeći normalni udarni talas pod uglom koji zahvata model i unosi razliku u pritiscima na gor-njaci i donjaci modela. Svuda oko modela strujanje je jako turbulentno.
Slika 10 i slika 11 takođe prikazu-ju Model 2 u ranoj fazi uspostavljanja strujanja, ali ovog puta pri Mahovim brojevima M = 2,5 i M = 3. Na slikama se još jasnije uočavaju normalni udarni talasi koji nose diskontinuitet u pritiscima i koji zbog toga pomeraju model na jednu, odnosno drugu stranu.
IIIIMMB
Sl. 9 - Model 2 za vreme prelaznog režima strujanja M = 2
Sl. 10 - Model 2 za vreme prelaznog Sl. 11 - Model 2 za vreme prelaznog režima strujanja pri M = 2,5 režima strujanja pri M = 3,0
Rezultati ispitivanja
Rezultati ispitivanja prikazani su na dijagramu na slici 12. Punom lini-jom su prikazani rezultati iz ranijih ispitivanja prelaznih opterećenja, a kva-dratićima i kružićima rezultati dobijeni ispitivanjem Modela 1 i Modela 2.
Za koeficijente normalizovane sile otpora može se reći da su, za oba modela i sve Mahove brojeve, u području očekivanih vrednosti. Isto važi i za normalizovane koeficijente momenta skretanja.
Izmereni normalizovani koeficijenti bočne sile i momenta propinjanja se, sa izuzetkom nekoliko tačaka, nalaze, takođe, u području gde se i očekuju.
Jedna polovina koeficijenata normalne sile nalazi se izvan očekiva-nog područja, dok je druga polovina unutar njega. Za naredne modele
24
koji se budu ispitivali pri supersoničnim brzinama izvan 2 Maha ovi dobi-jeni podaci se moraju ozbiljno uzeti u obzir.
Normalizovan koeficijent momenta valjanja za Model 2 bio je nula, jer taj model nije imao krila. Dobijeni rezultati za Model 1 pokazuju da su veći od očekivanih, što se može objasniti činjenicom da su kod ovog mo-dela krila, olučasta ili pravougaona, bila dosta velika.
■ - model 1 GE2000 • - model 2 GRAN40
SI. 12 - Rezultati ispitivanja Modela 1 i Modela 2 u aerotunelu T-38
Zaključak
Kao i ranija ispitivanja prelaznih opterećenja i ova su dala vrlo korisne kvalitativne i kvantitativne podatke u razjašnjavanju pojava koje se javljaju pri startu i zaustavljanju rada aerotunela na Mahovim brojevi-ma preko 2. U pripremnoj fazi, pri izboru aerovage i veličine modela koji treba da bude ispitan na velikim supersoničnim brzinama, dobijeni podaci se moraju vrlo ozbiljno uzeti u obzir.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
Korišćene oznake
Mx Mahov broj u radnom delu aerotunela
V m/s Brzina neporemećene struje
Po bar Zaustavni pritisak u radnom delu aerotunela
Pst bar Statički pritisak u radnom delu aerotunela
To K Zaustavna temperatura u radnom delu aerotunela
kx N Normalizovana vrednost sile otpora u prelaznom
cm 2 režimu strujanja
ky N Normalizovana vrednost bočne sile u prelaznom
cm 2 režimu strujanja
kz N Normalizovana vrednost normalne sile u prelaznom
cm2 režimu strujanja
kl Nm • 10-3 Normalizovana vrednost momenta valjanja u
3 cm prelaznom režimu strujanja
km Nm • 10-3 Normalizovana vrednost momenta propinjanja u
3 cm prelaznom režimu strujanja
kn Nm • 10-3 Normalizovana vrednost momenta skretanja u
3 cm prelaznom režimu strujanja
FXX N Vrednost aksijalne sile u prelaznom režimu strujanja
FYY N Vrednost bočne sile u prelaznom režimu strujanja
FZZ N Vrednost normalne sile u prelaznom režimu strujanja
MXX Nm Vrednost momenta valjanja u prelaznom režimu strujanja
MYY Nm Vrednost momenta propinjanja u prelaznom režimu strujanja
MZZ Nm Vrednost momenta skretanja u prelaznom režimu strujanja
Sx cm2 Frontalna površina modela
Sy cm2 Bočna površina modela
Sz cm2 Površina u planu modela
L cm Ukupna dužina modela
B cm Razmah modela
RSN Redni broj duvanja
Oznaka za parametre neporemećenog strujanja
<*Đ
Literatura
[1] Vuković, Đ.: Definisanje prelaznih opterećenja pri ispitivanju u aerotune-lu T-38 VTI, interni izveštaj V3-2264-O,Vojnotehnički institut, Beograd, 1984.
[2] Vuković, Đ.: Ispitivanje prelaznih opterećenja u aerotunelu T-38 VTI, interni izveštaj V3-2404-I, Vojnotehnički institut, Beograd ,1986.
[3] Vuković, Đ.: Istraživanje prelaznih opterećenja u aerotunelu T-38 konič-nim modelom i aerovagom ABLE MK XXV, VTI interni izveštaj V3-2464-I, Vojno-tehnički institut, Beograd, 1986.
[4] Vuković, Đ.: Analiza rezultata ispitivanja prelaznih opterećenja u aerotunelu T-38 VTI, interni izveštaj V3-2550-O, Vojnotehnički institut, Beograd, 1988.
[5] Vitić, A.: Ispitivanje olučastih krila na modelu GE2000 pri brzinama od 0,5 do 3,0 Maha u aerotunelu T-38 VTI, interni izveštaj V3-2873-I, Vojnotehnički institut, Beograd.
[6] Samardžić, M.: Ispitivanje granate prečnika 40 mm u aerotunelu T-38 VTI, interni izveštaj V3-2982-I, Vojnotehnički institut, Beograd.
[7] Elfstrom, G.M., Medved, B.: The Yugoslav 1,5 m Trisonic Blowdown Wind Tunnel, AIAA Paper 86-0746-CP.
[8] Vuković, Đ., Vitić A.: Modernizacija Šliren sistema u aerotunelu T-38 VTI, interni izveštaj V3-2981-A, Vojnotehnički institut, Beograd.
27
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 08
