MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 212 ISSN 1896-771X WALIDACJA STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH BADAŃ W TUNELACH AERODYNAMICZNYCH INSTYTUTU LOTNICTWA PRZY UŻYCIU MODELI WZORCOWYCH Andrzej Krzysiak 1a 1 Instytut Lotnictwa e-ail: a andkrzys@ilot.edu.pl Streszczenie W praktyce badań tunelowych dla oceny poprawności uzyskiwanych wyników badań wykonuje się badania charakterystyk aerodynaicznych pewnych wybranych odeli, zwanych odelai wzorcowyi. Modele te charakteryzują się ściśle określoną znaną geoetrią, a ich podstawowe charakterystyki aerodynaiczne udostępnione są w literaturze fachowej. W niniejszy pracy oówiono czynniki ające wpływ na jakość badań tunelowych, a także przedstawiono wyniki statycznych badań odelu wzorco-wego ONERA oraz wyniki statycznych i dynaicznych badań odelu profilu NACA 12 i porównano je z wynikai prezentowanyi w literaturze. VALIDATION OF THE STATIC AND DYNAMIC WIND TUNNEL TESTS IN THE INSTITUTE OF AVIATION SING CALIBRATION MODELS Suary In a wind tunnel practice to assess the accuracy of the obtained results the tests of the aerodynaic characteristics of soe selected odels, called the calibration odels, are carried out. These odels are characterized by a known geoetry and their aerodynaic characteristics are available in the literature. In this paper the factors that influence the quality of the wind tunnel tests are discussed and the results of static tests of calibration odel ONERA and the results of static and dynaic tests of the NACA 12 airfoil odel are presented. Obtained results are copared with the results presented in the literature. 1. WSTĘP Podstawowe zadanie, jakie usi być zrealizowane w eksperyentalnych badaniach charakterystyk aerodynaicznych odeli obiektów latających, polega na zachowaniu podobieństwa przepływów poiędzy warunkai rzeczywistyi a tunelowyi i wynikającego z tego podobieństwa w zakresie wielkości i kierunku działania sił i oentów aerodynaicznych. W tunelowych badaniach statycznych najistotniejszą kwestią jest zachowanie podobieństwa przepływów z uwzględnienie lepkości i ściśliwości, a więc i podobieństwa geoetrycznego opływanych ciał. Podobieństwo to jest zachowane przy utrzyaniu tych saych wartości liczby Reynoldsa oraz liczby Macha w przepływie rzeczywisty i odelowany, czyli: 15
Andrzej Krzysiak 1 liczba Reynoldsa (Re): l V γ R l V = γ 2 liczby Macha (M): V a R gdzie: a [/s] - prędkość dźwięku w przepływie niezakłócony, l [] V [/s] ν [ 2 /s] V = a T T, (1), (2) - długość charakterystyczna, - prędkość przepływu niezakłóconego, - lepkość kineatyczna ( )R - wielkości odniesione do warunków rzeczywistych, ( )T - wielkości odniesione do warunków tunelowych, Poprawność, uzyskiwanych w trakcie badań tunelowych, charakterystyk aerodynaicznych badanych obiektów lub ich odeli (czyli ich zgodność z rzeczywistością) jest podstawowy wyznacznikie jakości przeprowadzonych badań. W przypadku tunelowych badań aerodynaicznych o zgodności uzyskanych wyników z rzeczywistością decyduje poprawność całego szeregu działań wykonywanych, w fazie przygotowawczej, w trakcie saych badań, a także w fazie obróbki wyników. W fazie przygotowawczej do badań najważniejszą kwestią z punktu widzenia jakości badań jest przyjęcie założeń co do sposobu odelowania badanego obiektu, takich jak: przyjęta skala odelu, sposób ocowania odelu w tunelu aerodynaiczny i związane z ty dopuszczalne zniekształcenie jego geoetrii, dokładność wykonania powierzchni zewnętrznych, wybór iejsca usytuowania w odelu wagi aerodynaicznej lub/i wybór położenia punktów poiarowych ciśnienia, itp. W trakcie wykonywania badań eksperyentalnych na ich jakość a wpływ przede wszystki dokładność utrzyania zaplanowanych paraetrów przepływu w tunelu, dokładność poiaru ierzonych wielkości (ciśnienia, sił i oentów ) a także, dokładność zdefiniowania położenia badanego obiektu względe przepływu (tj. jego kąta natarcia, kąta ślizgu, oraz kąta przechylenia). W fazie przetwarzania uzyskanych wyników badań istotny zagadnienie z punktu widzenia ich jakości jest poprawność przyjętych algorytów prograów przetwarzających wyniki badań oraz wyrażeń pozwalających na obliczenie poprawek aerodynaicznych. Rozpatrywanie osobno wpływu każdego z wyienionych powyżej eleentów procesu badawczego, jaki są tunelowe badania aerodynaiczne, na dokładność ierzonych charakterystyk aerodynaicznych byłoby niezwykle skoplikowane i pracochłonne. Z tych powodów w praktyce, dla oceny poprawności uzyskiwanych wyników, wykonuje się poiary charakterystyk aerodynaicznych odeli, zwanych odelai wzorcowyi. Modele wzorcowe charakteryzują się ściśle określoną znaną geoetrią, a wyniki ich badań są powszechnie udostępnione w literaturze fachowej. Porównanie charakterystyk aerodynaicznych odeli wzorcowych uzyskanych w kilkudziesięciu tunelach na świecie pozwoliło na określenie charakterystyk wzorcowych tych odeli. Zgodność charakterystyk aerodynaicznych uzyskanych z badań odelu wzorcowego w dany tunelu z charakterystykai wzorcowyi jest sprawdziane poprawności stosowanej techniki badawczej, a ty say dobrej jakości badań. Badania odeli wzorcowych w tunelu aerodynaiczny powinny być przeprowadzane okresowo, a w szczególności przed każdy dłuższy cykle badawczy prowadzony w tunelu, a także każdorazowo po wprowadzeniu istotniejszych zian w systeie poiaroworejestracyjny lub w prograach przetwarzających wyniki badań. Wykonanie tych badań pozwala na wyeliinowanie ewentualnych błędów systeatycznych. Oprócz przedstawionych powyżej powodów, dla których prowadzone są badania odeli wzorcowych, w Instytucie Lotnictwa konieczność wykonywania takich badań wynika z wyogów jakie są stawiane laboratorio akredytowany przez Polskie Centru Akredytacji. 2. EKSPERYMENTALNE BADANIA MODELI WZORCOWYCH Przedstawione w niniejszej pracy wyniki statycznych badań charakterystyk aerodynaicznych trójwyiarowego odelu wzorcowego ONERA oraz wyniki statycznych i dynaicznych badań wzorcowego dwuwyiarowego odelu profilu NACA 12 wykonane zostały w trisoniczny tunelu aerodynaiczny N-3 Instytutu Lotnictwa. 151
WALIDACJA STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH BADAŃ W TUNELACH 2.1. Tunel trisoniczny N-3 Tunel N-3 jest tunele typu wyduchowego z częściową recyrkulacją powietrza. Jest on wyposażony w koorę poiarową o kwadratowy przekroju poprzeczny,.6x.6 i długości 2. Tunel N-3 uożliwia wykonywanie badań aerodynaicznych zarówno w zakresie poddźwiękowych, około-dźwiękowych, jak i naddźwiękowych liczb Macha, tj. dla M=.2 2.3. Przy czy, w zakresie poddźwiękowych i około-dźwiękowych prędkości (używana jest wtedy dysza transoniczna), badania ogą być wykonywane przy dowolnej prędkości przepływu, natoiast dla wyższych liczb Macha, tylko dla M=1.5 i M=2.3 (dysze naddźwiękowe). 2.2. Badania odelu wzorcowego ONERA Badany w tunelu N-3 odel ONERA, który służy do sprawdzenia poprawności, prowadzonych w zakresie prędkości transonicznych, badań odeli trójwyiarowych jest jedny z pięciu odeli wzorcowych rodziny ONERA. Wszystkie odele z tej rodziny (M1 M5) ają jednakowe geoetrie (rys.1), lecz wykonane są w różnej skali (od rozpiętości b =.287, dla odelu M1, do rozpiętości b =.982, dla odelu M5), co uożliwia porównanie rezultatów badań prowadzonych w różnych tunelach, o różnych wyiarach przestrzeni poiarowej. Model ONERA badany w tunelu trisoniczny Instytutu Lotnictwa a długość L =.397 i rozpiętość b =.369. W trakcie badań odel wzorcowy ONERA zaocowany był w środku koory poiarowej na 6-cio składowej wadze wewnętrznej FFA-646. Badania charakterystyk aerodynaicznych wykonane zostały dla liczby Macha M =.84, dla której opublikowana jest w literaturze dość obszerna baza wyników porównawczych, oraz przy liczbie Reynoldsa, Re =.86*1 6. Rys.1 Model wzorcowy ONERA w tunelu trisoniczny N-3 Na rys.2 i 3 przedstawiono porównanie zależności współczynnika siły nośnej w funkcji kąta natarcia α oraz zależności współczynnika siły nośnej w funkcji współczynnika siły oporu Cx odelu ONERA uzyskanych w tunelu N-3 z wynikai badań w innych tunelach [1,2] (tabela1). Tabela 1. Tunele aerodynaiczne, z których wyniki badań użyto do porównań Tunel Kraj Instytut N-3 Polska I.Lot AVA Niecy DLR TVM Szwecja FFA S3MA Francja ONERA S4 Szwecja FFA HT Szwecja FFA Wyiary koory po..6 x.6 1. x 1..5 x.5 1.765 x 1.75.9 x.92.9 x.9 sześciokątny Model ONERA M3 Liczba Re.86*1 6.7*1 6.89*1 6 1.*1 6.7*1 6.42*1 6 152
Andrzej Krzysiak,7,6,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 Liczba Macha M=.84 ONERA /N-3 (I.Lot.) ONERA /AVA ONERA /TVM ONERA M3/S3MA ONERA /S4 ONERA /HT W badaniach dwuwyiarowych (do których zaliczają się badania odeli profili) odele uznawany powszechnie za odel wzorcowy jest odel profilu NACA 12. Na rys. 4 przedstawiono odel tego profilu uieszczony w koorze poiarowej tunelu N-3. W trakcie badań ierzone były rozkłady ciśnienia na górnej i dolnej powierzchni tego odelu (wzdłuż cięciwy profilu) i na tej podstawie wyznaczano jego współczynniki aerodynaiczne. -,4-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 α(deg) Rys.2 Porównanie zależności współczynnika siły nośnej w funkcji kata natarcia α odelu ONERA uzyskanej w tunelu N- 3 z wynikai badań w innych tunelach Liczba Macha M=.84,8,7,6,5,4,3,2,1, ONERA /N-3 (I.Lot.) ONERA /AVA ONERA /TVM ONERA M3/S3MA ONERA /S4 ONERA /HT -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,,2,4,6,8,1,12,14,16,18,2 Cx Rys.3 Porównanie zależności współczynnika siły nośnej w funkcji współczynnika siły oporu Cx odelu ONERA uzyskanej w tunelu N-3 z wynikai badań w innych tunelach Porównanie wybranych charakterystyk aerodynaicznych odelu ONERA uzyskanych w Instytucie Lotnictwa wykazało zadowalającą zgodność z wynikai badań z innych tuneli, tj. wartości współczynników aerodynaicznych z tunelu N-3 ieściły się w paśie rozrzutu wyników z porównywanych tuneli. Nieniej jednak ożna zauważyć pewne różnice w przebiegu charakterystyk aerodynaicznych. I tak, w zakresie kątów natarcia α = -4 4 uzyskana w I.Lot pochodna d/dα a nieco większą wartość niż otrzyana w innych tunelach. Ponadto dla >.4 wartość współczynnika siły oporu zierzona w tunelu N-3 a nieco niższą wartość niż uzyskana w innych tunelach. Powyższe uwagi świadczą o konieczności dokonania pewnych niedużych zian w algorytie obliczeń poprawek tunelowych odnoszących się do badań trójwyiarowych prowadzonych w tunelu N-3. Rys.4 Model profilu NACA 12 w tunelu trisoniczny N-3 Na rys. 5 i 6 porównano zależności współczynnika siły nośnej w funkcji kata natarcia oraz w funkcji współczynnika siły oporu uzyskane z badań statycznych profilu NACA 12 w tunelu trisoniczny N-3 Instytutu Lotnictwa (IoA), oraz w Vyzkuny a Zkusebni Letecky Ustav, echy (VZLU) [3] i w National Aeronautical Establishent, Kanada (NAE) [4], dla liczby Macha M =.5. Na rys. 7 porównano zależności współczynnika siły nośnej w funkcji kąta natarcia, uzyskane z badań dynaicznych profilu NACA 12 w tunelu trisoniczny N-3, oraz w U.S.AAMR&D L (U.S. Ary Air Mobility R&D Laboratory, Moffett Field) [5]. W trakcie badań odel profilu wykonywał ruch oscylacyjny, określony poniższą zależnością (3): α( t ) α + α sin( ωt ) = (3) = 15 gdzie α, α = 1 oraz ω = 31.4 [1/s]. 2.3. Badania odelu profilu NACA 12 153
WALIDACJA STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH BADAŃ W TUNELACH 1.2.8 1.6 1.2.4 -.4 M=.5 IoA, Re=1.99x16 NAE, Re=17.6x16 VZLU, Re=1.93x16.8.4 -.8 Rys.5 Porównanie zależności współczynnika siły nośnej w funkcji kata natarcia uzyskane dla liczby Macha M =.5 w tunelach IoA, NAE oraz VZLU 1.2.8.4 -.4-4 4 8 12 deg Rys.6 Porównanie zależności współczynnika siły nośnej w funkcji współczynnika siły oporu uzyskane dla liczby Macha M =.5 w tunelach IoA, NAE oraz VZLU M=.5 ILot, Re=2.2*16 NAE, Re=18*16 VZLU, Re=1.9*16 α Cx.2.4.6.8 5 1 15 2 25 3 α(deg) Rys.7 Porównanie zależności współczynnika siły nośnej w funkcji kata natarcia uzyskanych z badań dynaicznych w tunelach IoA, oraz U.S.AAMR&D L Porównanie przedstawionych powyżej statycznych charakterystyk aerodynaicznych profilu wzorcowego NACA 12 uzyskanych z badań w tunelach N-3 Instytutu Lotnictwa z wynikai badań uzyskanyi w innych tunelach na świecie wykazało ich dość dobrą zgodność i to poio pewnych różnic w warunkach badań (liczba Re). Na tej podstawie ożna stwierdzić poprawność stosowanej w tunelu N-3 techniki poiarów (dla tego typu badań), a ty say potwierdzić dobrą jakość uzyskiwanych wyników poiarów. Porównywanie wyników badań dynaicznych jest nieziernie utrudnione, gdyż wyszukanie w literaturze wyników badań, które przeprowadzone były w identycznych warunkach jest prawie nieożliwe. Wynika to iędzy innyi z faktu, że tego typu badań przeprowadzono znacznie niej niż badań statycznych. Poio że w porównywanych wynikach badań dynaicznych (rys. 7) występowały istotne różnice w wartościach częstotliwości zredukowanej k, liczbie Reynoldsa oraz liczbie Macha (tabela 2), to ożna uznać zgodność wyników za zadowalającą, co uwiarygodnia wyniki badań dynaicznych uzyskane w Instytucie Lotnictwa. U.S. AAM R&D L k=.2 U.S. AAM.R&D L k=.4 IoA k=.13 154
Andrzej Krzysiak Tabela 2. Warunki badań dynaicznych Tunel M Re k Opis ruchu N-3.3 1.27*1 6.13 U.S.AAM R&D L U.S.AAM R&D L.7 2*1 6.4.9 2.5*1 6.2 5. PODSUMOWANIE α=15 +1 *sin(ωt) 1. Badania odeli wzorcowych w tunelu aerodynaiczny i porównanie uzyskanych wyników badań z wynikai badań z innych tuneli to najlepszy sposób na określenie poprawności przyjętej techniki poiarowej. 2. Takie badania powinny być przeprowadzane: okresowo, przed każdy dłuższy cykle badawczy, każdorazowo po wprowadzeniu zian w zestawie aparatury poiarowo-rejestrujacej tunelu lub przy zianie prograów służących do zbierania lub przetwarzania wyników badań. 3. Badania odeli wzorcowych pozwalają wyznaczyć zakres użytkowych prędkości tunelu. 4. Przeprowadzone w tunelu trisoniczny N-3 Instytutu Lotnictwa badania podstawowych charakterystyk aerodynaicznych odeli wzorcowych ONERA oraz profilu NACA 12 wykazały: konieczność wprowadzenia pewnych niedużych zian w algorytie obliczeń poprawek tunelowych w przypadku badań wagowych odeli trójwyiarowych. poprawność stosowanej w tunelu N-3 techniki poiarów statycznych charakterystyk aerodynaicznych odeli dwuwyiarowych uzyskanych na podstawie wyznaczania rozkładu ciśnienia na powierzchni tych odeli. wiarygodność wyników badań dynaicznych charakterystyk aerodynaicznych odeli dwuwyiarowych uzyskanych na podstawie wyznaczania rozkładu ciśnienia na powierzchni tych odeli. 5. Warto rozważyć poysł stworzenia wspólnej polskiej bazy zawierającej wyniki badań charakterystyk aerodynaicznych odeli wzorcowych. Literatura 1. Godundson S.: Coparative tests with ONERA airplane calibration odels in FFA transonic wind tunnels. FFA Flygtekniska Försöksanstalten Stochol, Sweden, 1974. 2. Poisson-Quinton X.: Prevision des caracteristiques aerodynaiques d un avion d apres la Coparison des Resultats Sur Une Maquette Etalon dans Diverses Grandes Soufleries transsoniques. Office National d Etudes de Recherchees Aerospitales T. P. No. 1978-22. 3. Benetka J., Kladrubsky M., Valenta R.: Mereni profilu NACA 12 ve stebinove erici prostoru. Internal Report VZLU Praha, 1998. 4. Dixon R. C.: High Reynolds nuber investigation of an ONERA odel of the NACA 12 Airfoil Section. Laboratory Technical Report HA-5x5/69, NAE Ottawa, Canada, 199. 5. Carr L. W., McAlister K. W., McCroskey W. J.: Analysis of developent of dynaic stall based on oscillating airfoil experients. NASA TN D-8382, January 1977. 155