Engineering
Waga tunelu aerodynamicznego
Przeprowadź skrzydło przez cały zakres kątów natarcia aż za przeciągnięcie, odczytaj jego siłę nośną, opór i moment z wagi tensometrycznej pod podłogą, a potem porównaj zmierzoną biegunową z prawdziwą. Skalibruj wagę jednym obciążnikiem na kanał albo piętnastoma obciążeniami złożonymi, pochyl jej cięgna siły nośnej, dodaj szum i skróć uśrednianie, i zobacz, co z oporem robią przesłuchy między kanałami, szum i zera dryfujące przy nagrzewaniu.
Co się dzieje
Tunel aerodynamiczny o obiegu otwartym zasysa powietrze przez wlot dzwonowy, prostownicę typu plaster miodu i siatki do przestrzeni pomiarowej o przekroju 0,8 × 0,6 m i wydmuchuje je przez dyfuzor i wentylator o mocy 8 kW; jego największa prędkość to 35 m/s. Z powodu bezwładności powietrza i strat (K = 0,45) osiąga 99,5 % prędkości 25 m/s w ciągu 11,2 s, a napęd pobiera wtedy 2,90 kW. Prostokątne skrzydło o rozpiętości 0,5 m i cięciwie 0,1 m (wydłużenie 5, profil Żukowskiego z zerową siłą nośną przy −2,10°) obraca się wokół osi w ćwierci cięciwy na wsporniku, który stoi na trójskładnikowej wadze tensometrycznej pod podłogą: rama pomiarowa wisi na dwóch cięgnach siły nośnej oddalonych o 0,2 m i na cięgnie oporu, a każde z nich jest elementem sprężystym, którego mostek mierzy jego naciąg. Charakterystyka skrzydła ma nachylenie krzywej siły nośnej skrzydła skończonego 2π·AR/(AR + 2) i oderwanie od krawędzi spływu według Kirchhoffa: C_L osiąga maksimum 0,942 przy 11,2° i spada do 0,595 przy 17,6°; doskonałość L/D osiąga maksimum 14,0 przy 4,3°. W rzeczywistej wadze cięgna siły nośnej są pochylone o 1°, cięgno oporu o 0,3°, a wzmocnienia odbiegają od nominalnych nawet o 3 %, więc każdy mostek odczytuje mieszaninę siły nośnej, oporu i momentu.
Przebieg zaczyna się od pomiaru zera bez przepływu, potem wentylator się rozpędza, a skrzydło przechodzi kąty od −4° do 20°. Przy nominalnych czułościach z rysunku opór przy 4° wychodzi zaniżony o 27 %, C_D = 0,0250 zamiast 0,0341: przez pochylenie na cięgno oporu przypada sin 1° siły nośnej, czyli 0,157 N z błędu 0,171 N, a ten błąd, przeniesiony na oś skrzydła 0,55 m nad środkiem wagi, zmienia C_m = −0,050 w +0,008. Jeden obciążnik na kanał poprawia wzmocnienia, ale nie przesłuchy: opór nadal wychodzi zaniżony o 24 %. Piętnaście obciążeń złożonych dopasowanych metodą najmniejszych kwadratów daje bez szumu poprawne wartości w całym przebiegu. Przy szumie wzmacniacza 20 µV/V rozrzut oporu wynosi 31,6 mN przy uśrednianiu 10 próbek i o połowę mniej przy 40. Samonagrzewanie mostków, 3,1 K w ciągu dwóch minut, przesuwa zero oporu o 0,092 N.
Model: quasi-stacjonarna aerodynamika według zadanej charakterystyki, bez poprawek na ściany, efektów liczby Reynoldsa i dynamicznego przeciągnięcia; waga to jedno sztywne ciało pomiarowe na trzech cięgnach przegubowych na obu końcach, w płaszczyźnie przepływu, z tłumikami obok nich, drgające z częstotliwościami 29, 62 i 71 Hz; obciążniki działają jak stałe siły; gęstość powietrza jest stała. Kroki RK4 kończą się w chwilach próbkowania wzmacniacza o częstotliwości 1 kHz, więc odczyty nie zależą od kroku klatki; szum ma stałe ziarno. Bilans energii tunelu się zamyka (napęd = energia kinetyczna powietrza + straty), podobnie jak bilans wagi (praca obciążeń = jej energia + tłumiki). Dym jest poglądowy: przepływ potencjalny z własną cyrkulacją skrzydła, uniesiony nad strefą martwego powietrza.
Co wypróbować
Zobacz, jak przebieg rysuje biegunową na ekranie wózka pomiarowego: zmierzony opór jest mniejszy od prawdziwego o tę część siły nośnej, którą przekazują mu pochylone cięgna. Potem wybierz kalibrację metodą najmniejszych kwadratów, pochyl cięgna, dodaj szum albo skróć uśrednianie i przejdź kąty jeszcze raz.
Równania modułu
Równania C_L = a·(α − α₀)·((1 + √f)/2)², a = 2π·AR/(AR + 2) C_D = C_D0 + C_L²/(π·e·AR) + (1 − f)·C_D90·sin²(α − α₀) M·q″ + C·q′ + (K − K_g)·q = Q(L, D, M), r = s·T_link + r₀ + r_drift + r_noise F = K_cal·(r − r₀), K_cal = argmin Σ|F_w − K·(r − r₀)|²
