1.2.2 Гидродинамика экспериментальная

Суть и методы экспериментальной гидродинамики

1. Необходимость калибровки. Расчетные методики, предлагаемые теоретической гидродинамикой, не становятся полноценным инструментом, пока не пройдут необходимую калибровку и проверку экспериментом.
2. Лабораторные эксперименты. Основной задачей экспериментальной гидродинамики является проведение лабораторных опытов на масштабированных моделях.
   • Модель автомобиля или самолета может быть помещена в аэродинамическую трубу для измерения гидродинамических нагрузок или получения картины течения с помощью датчиков давления и скорости.
   • В гидродинамических трубах используются тонкие струйки специальной краски для визуализации линий тока (мгновенных траекторий жидких частиц).
   • Исследуются как внешние, так и внутренние течения, например, процессы в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, для чего конструируют камеры из жаропрочного стекла с датчиками температуры.
3. Перенос результатов. При работе с масштабированной моделью неизбежно встает вопрос о переносе результатов на полномасштабную модель в реальных условиях эксплуатации. Здесь на помощь приходит теоретическая гидродинамика и теория подобия.
4. Натурные эксперименты. Когда теория подобия неприменима или лабораторная модель не учитывает всех особенностей, проводятся натурные эксперименты — испытания полномасштабных моделей в условиях их реальной эксплуатации. Примеры включают отслеживание динамики обледенения крыла самолета или исследование режимов обтекания конических законцовок на реальном самолете.

 

Недостатки экспериментального метода

Несмотря на высокую достоверность, метод экспериментальной гидродинамики обладает рядом существенных недостатков, которые ограничивают его применимость для решения прикладных инженерных задач:

1. Искажение течения и низкое разрешение. Размещение датчиков в поле течения меняет и заметно искажает картину течения. Чем больше датчиков, тем сильнее искажение. Снижение количества датчиков для минимизации искажения приводит к низкому разрешению картины течения, а недостаток данных приходится восполнять не всегда точными интерполяционными формулами.
2. Высокая стоимость. Постановка как лабораторных (например, постройка аэродинамической трубы), так и натурных экспериментов — дорогое удовольствие. Требуются бюджеты, недоступные большинству частных разработчиков, что затрудняет повсеместное применение метода.
3. Сложность и невозможность реализации. Часто поставить качественный эксперимент очень сложно (например, из-за невозможности учесть все влияющие факторы, такие как внешние вибрации от метро). В некоторых случаях практическая реализация эксперимента невозможна (например, моделирование процессов, протекающих внутри звезд или явлений на космологических масштабах).

Вывод:

Совместное применение традиционных методов (аналитических, полуаналитических и экспериментальных) предоставляет широкий набор инструментов. Однако из-за ограниченных возможностей и дороговизны экспериментальных исследований такие методики неуниверсальны и часто не позволяют инженеру быстро и эффективно решать новые, нестандартные проектировочные задачи. Часть этих недостатков может быть преодолена посредством применения методов вычислительной гидродинамики.