При проектировании гибких мостовых конструкций приходится решать ряд вопросов, связанных с обтеканием их воздушным потоком. Почти все эти вопросы решаются экспериментальным путем. Поскольку, с одной стороны, натурные сооружения слишком сложны и громоздки, а с другой, в натурных условиях невозможно искусственно воспроизвести атмосферные состояния, то в основу расчета реальных сооружений положено широкое использование испытания моделей в лабораторных условиях. Такие испытания, как правило, предшествуют проектированию и строительству и зачастую определяют конструктивные формы будущего сооружения.
Аэродинамические эксперименты проводятся в аэродинамических трубах — установках, в которых можно создать искусственный регулируемый поток воздуха или газа. Труба состоит из коллектора (суживающегося сопла), рабочей части, диффузора и вентилятора. Вентилятор, приводимый во вращение электродвигателем, создает в трубе поток воздуха. Коллектор предназначен для того, чтобы на входе в рабочую часть грубы поток воздуха стал плавным, без завихрений. Основные характеристики аэродинамической трубы — максимальная скорость потока в рабочей части и размеры последней, определяющие размеры модели. Для измерения аэродинамических сил и моментов, действующих на модель в воздушном потоке, применяются аэродинамические весы. По числу измеряемых компонентов полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента эти весы разделяются на одно-, двух-, трех-, четырех- и шестикомпонентные.
В основу устройства аэродинамических весов положен принцип уравновешивания модели при нарушении ее положения равновесия
26
иод действием возникающих аэродинамических сил и моментов. Основная особенность всех аэродинамических весов — независимое измерение каждого компонента.
Для определения распределения давления по поверхности эле" мента соответствующая поверхность модели дренируется в достаточ* но большом числе точек, т. е. в каждой выбранной точке поверхности просверливается и тщательно обрабатывается по кромкам отверстие — канал для пропуска струй воздуха диаметром до 2 мм. С противоположной стороны поверхности к отверстию крепится (на пайке, на клею) тонкая трубка, которая с помощью соединительных элементов связана с батарейным манометром, регистрирующим избыточное давление в соответствующей точке. Измерительная трубка батарейного манометра соединена только с одним отверстием. Число точек на поверхности назначается из условия получения наиболее достоверных данных о распределении давления по поверхности. Если батарейный манометр не допускает одновременного измерения избыточного давления во всех выбранных точках, то подключают к манометру попеременно.
Аэродинамический эксперимент должен так моделировать явление обтекания воздушным потоком реального сооружения, чтобы можно было перенести на натуру аэродинамические характеристики, полученные при эксперименте с моделью.
Из теории подобия следует, что пользоваться результатами испытаний моделей при определении аэродинамических сил и моментов натурного сооружения можно лишь в том случае, если модель и реальное сооружение геометрически подобны, одинаково ориентированы относительно потока и если, кроме того, потоки, обтекающие модель и натурное сооружение, кинематически и динамически подобны. Геометрически подобными будут тела, у которых сходственные линейные размеры пропорциональны, а соответственные углы равны. Явления подобны кинематически, если при соблюдении геометрического подобия тел, обтекаемых различными потоками, сходственные частицы потоков проходят подобные пути в пропорциональные отрезки времени. Кинематическое подобие требует геометрического подобия и одинаковой ориентации модели и натурного объекта относительно потока.
Динамическое подобие обусловливается геометрическим и кинематическим подобием. Явления динамически подобны, если при обтекании двух геометрически подобных тел, одинаково ориентированных по отношению к потоку, силы, приложенные к выделенным элементарным объемам, в сходственных точках потоков одинаково направлены и для всех пар сходственных точек находятся в постоянном отношении. Такое подобие будет полным.
Так как природа сил, действующих в газообразной среде, различна, то можно рассматривать частичное динамическое подобие для каждой категории сил: давления, веса, трения. При частичном подобии явлений отношение инерционных сил и какой-либо из указанных сил должно быть одинаково для всех пар сходственных точек.
При экспериментальных исследованиях в аэродинамических трубах необходимо различать модели масштабные и секционные. Масштабная модель представляет собой уменьшенную копию сооружения, повторяющую конструктивную форму и способы ‘закрепления реального сооружения. При моделировании трехмерных объектов с сопоставимыми линейными размерами масштабные модели определяются размерами рабочей части аэродинамической трубы. Моделирование объектов со значительным удлинением, в частности, протяженных в плане пролетных строений мостов сопряжено с определенными трудностями, и для изучения характера обтекания, распределения давления и аэродинамических характеристик используются, как правило, секционные модели.
Исследование динамической аэроупругости висячих мостов требует создания специальных аэродинамических тоннелей с широкой прямоугольной или эллиптической рабочей частью, в которых возможно масштабное моделирование.
Однако [63] большинство важных сведений о данной конструкции моста можно получить из испытаний соответствующим образом опертых моделей, а чтобы обезопасить конструкцию от возникновения явлений аэроупругой неустойчивости, не всегда необходимо воспроизводить целиком ее форму и размеры.
Наиболее просты испытания моделей, связанные с решением следующих задач: 1) определение спектра обтекания конструкций висячего покрытия; 2) исследование распределения давления по контуру поперечного сечения; 3) определение аэродинамических характеристик неподвижной модели; 4) выбор мероприятия по снижению ветровой нагрузки и обеспечению аэродинамической устойчивости.
Поставленным задачам вполне удовлетворяют испытания секционных и мелкомасштабных моделей. При этом модели должны удов28
летворять условиям: 1) геометрического подобия модели и натурного сооружения; 2) одинаковой ориентации относительно потока. Результаты, полученные при испытании такой модели, могут быть перенесены на натуру, если потоки, обтекающие модель и натурное сооружение, кинематически и динамически (полностью или частично) подобны 138].
При исследовании колебаний мостовых конструкций (и связанной с ними динамической аэроупругости), вызванных воздушным потоком, используют модель, удовлетворяющую не только перечисленным условиям, но также и целому ряду других. К ним относятся идентичность: 1) внешней формы модели (расчетной схемы): 2) распределения жесткости конструкций и их масс; 3) распределения подвесок висячих мостов и трубопроводов; 4) способов опирания элементов конструкций. Перечисленные условия наряду с другими обусловливают степень свободы движения модели, адекватную реальному сооружению.
При проектировании моделей мостовых конструкций выполнение всех условий и ограничений сопряжено со значительными, а иногда непреодолимыми трудностями, что заставляет отказаться при изучении аэроупругих колебаний от масштабных моделей и перейти к секционным. Поскольку секционные модели обладают весьма высокой погонной жесткостью по сравнению с реальным объектом, упругие свойства натурного сооружения моделируются соответствующим подбором жесткости державок, на которых крепится модель [38, 56]. Этот прием аналогичен механическому моделированию многих колебательных явлений, широко применяемому в теории колебаний. При проектировании модели надо исходить из того обстоятельства, что число независимых ограничений не должно превышать трех (на основе л-теоремы), потому что все безразмерные параметры независимы и в задаче имеются только три основные величины, принятые в механике, масштабы которых могут быть изменены: масса, длина, время (период, частота).
Как показывает опыт, создание полного динамического подобия потоков чрезвычайно сложно. Однако во многих случаях для натуры можно пользоваться аэродинамическими коэффициентами, полученными при испытаниях модели с соблюдением частичного динамического подобия. Воздействие потока на тело зависит от различных факторов: вязкости, упругости или сжимаемости, весомости газа и т. д. Поэтому и результирующая аэродинамическая сила определяется вязкостью, упругостью, весом газа и т. д. Если условия обтекания таковы, что аэродинамическая сила в основном определяется силами вязкости, то в этом случае можно пренебречь влиянием других факторов.
Критериями частичного динамического подобия могут быть отношения инерционных сил к силам вязкости, упругости, давления и веса.
При исследовании колебательных или периодически повторяющихся процессов в потоке необходимо обеспечивать критерий подобия, учитывающий периодичность происходящих явлений. Поэтому существуют различные приемы, которые учитывают в каждом конкретном случае специфику задач, важность тех или иных свойств атмосферы, параметров элементов конструкций и прочие факторы. В частности, повышают давление и другие параметры рабочей среды в аэродинамических трубах, а также увеличивают турбулентность потока в трубах.
Поскольку при моделировании подобие и использование результатов испытаний в расчетах связано с масштабными коэффициентами, остановимся на последних несколько подробнее. Постоянное для всех линейных размеров отношение — масштаб модели или коэффициент геометрического подобия к/,. Если рассматривается какое- либо явление, протекающее во времени, то в общем случае вводится понятие масштаба времени кх. Одновременное соблюдение масштаба по длине кь и по времени кх обусловливает кинематическое подобие.
Если при моделировании одно явление может быть получено из другого изменением трех масштабов (длины ки времени кх и сил ко), то эти явления будут динамически подобными. Аэроупругие явления у модели могут быть подобны аэроупругим у натурной конструкции, если они описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Это требование совместно с условиями равновесия сил и моментов для модели и натуры определяет систему условий динамического подобия.
Аэродинамические эксперименты проводятся в аэродинамических трубах — установках, в которых можно создать искусственный регулируемый поток воздуха или газа. Труба состоит из коллектора (суживающегося сопла), рабочей части, диффузора и вентилятора. Вентилятор, приводимый во вращение электродвигателем, создает в трубе поток воздуха. Коллектор предназначен для того, чтобы на входе в рабочую часть грубы поток воздуха стал плавным, без завихрений. Основные характеристики аэродинамической трубы — максимальная скорость потока в рабочей части и размеры последней, определяющие размеры модели. Для измерения аэродинамических сил и моментов, действующих на модель в воздушном потоке, применяются аэродинамические весы. По числу измеряемых компонентов полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента эти весы разделяются на одно-, двух-, трех-, четырех- и шестикомпонентные.
В основу устройства аэродинамических весов положен принцип уравновешивания модели при нарушении ее положения равновесия
26
иод действием возникающих аэродинамических сил и моментов. Основная особенность всех аэродинамических весов — независимое измерение каждого компонента.
Для определения распределения давления по поверхности эле" мента соответствующая поверхность модели дренируется в достаточ* но большом числе точек, т. е. в каждой выбранной точке поверхности просверливается и тщательно обрабатывается по кромкам отверстие — канал для пропуска струй воздуха диаметром до 2 мм. С противоположной стороны поверхности к отверстию крепится (на пайке, на клею) тонкая трубка, которая с помощью соединительных элементов связана с батарейным манометром, регистрирующим избыточное давление в соответствующей точке. Измерительная трубка батарейного манометра соединена только с одним отверстием. Число точек на поверхности назначается из условия получения наиболее достоверных данных о распределении давления по поверхности. Если батарейный манометр не допускает одновременного измерения избыточного давления во всех выбранных точках, то подключают к манометру попеременно.
Аэродинамический эксперимент должен так моделировать явление обтекания воздушным потоком реального сооружения, чтобы можно было перенести на натуру аэродинамические характеристики, полученные при эксперименте с моделью.
Из теории подобия следует, что пользоваться результатами испытаний моделей при определении аэродинамических сил и моментов натурного сооружения можно лишь в том случае, если модель и реальное сооружение геометрически подобны, одинаково ориентированы относительно потока и если, кроме того, потоки, обтекающие модель и натурное сооружение, кинематически и динамически подобны. Геометрически подобными будут тела, у которых сходственные линейные размеры пропорциональны, а соответственные углы равны. Явления подобны кинематически, если при соблюдении геометрического подобия тел, обтекаемых различными потоками, сходственные частицы потоков проходят подобные пути в пропорциональные отрезки времени. Кинематическое подобие требует геометрического подобия и одинаковой ориентации модели и натурного объекта относительно потока.
Динамическое подобие обусловливается геометрическим и кинематическим подобием. Явления динамически подобны, если при обтекании двух геометрически подобных тел, одинаково ориентированных по отношению к потоку, силы, приложенные к выделенным элементарным объемам, в сходственных точках потоков одинаково направлены и для всех пар сходственных точек находятся в постоянном отношении. Такое подобие будет полным.
Так как природа сил, действующих в газообразной среде, различна, то можно рассматривать частичное динамическое подобие для каждой категории сил: давления, веса, трения. При частичном подобии явлений отношение инерционных сил и какой-либо из указанных сил должно быть одинаково для всех пар сходственных точек.
При экспериментальных исследованиях в аэродинамических трубах необходимо различать модели масштабные и секционные. Масштабная модель представляет собой уменьшенную копию сооружения, повторяющую конструктивную форму и способы ‘закрепления реального сооружения. При моделировании трехмерных объектов с сопоставимыми линейными размерами масштабные модели определяются размерами рабочей части аэродинамической трубы. Моделирование объектов со значительным удлинением, в частности, протяженных в плане пролетных строений мостов сопряжено с определенными трудностями, и для изучения характера обтекания, распределения давления и аэродинамических характеристик используются, как правило, секционные модели.
Исследование динамической аэроупругости висячих мостов требует создания специальных аэродинамических тоннелей с широкой прямоугольной или эллиптической рабочей частью, в которых возможно масштабное моделирование.
Однако [63] большинство важных сведений о данной конструкции моста можно получить из испытаний соответствующим образом опертых моделей, а чтобы обезопасить конструкцию от возникновения явлений аэроупругой неустойчивости, не всегда необходимо воспроизводить целиком ее форму и размеры.
Наиболее просты испытания моделей, связанные с решением следующих задач: 1) определение спектра обтекания конструкций висячего покрытия; 2) исследование распределения давления по контуру поперечного сечения; 3) определение аэродинамических характеристик неподвижной модели; 4) выбор мероприятия по снижению ветровой нагрузки и обеспечению аэродинамической устойчивости.
Поставленным задачам вполне удовлетворяют испытания секционных и мелкомасштабных моделей. При этом модели должны удов28
летворять условиям: 1) геометрического подобия модели и натурного сооружения; 2) одинаковой ориентации относительно потока. Результаты, полученные при испытании такой модели, могут быть перенесены на натуру, если потоки, обтекающие модель и натурное сооружение, кинематически и динамически (полностью или частично) подобны 138].
При исследовании колебаний мостовых конструкций (и связанной с ними динамической аэроупругости), вызванных воздушным потоком, используют модель, удовлетворяющую не только перечисленным условиям, но также и целому ряду других. К ним относятся идентичность: 1) внешней формы модели (расчетной схемы): 2) распределения жесткости конструкций и их масс; 3) распределения подвесок висячих мостов и трубопроводов; 4) способов опирания элементов конструкций. Перечисленные условия наряду с другими обусловливают степень свободы движения модели, адекватную реальному сооружению.
При проектировании моделей мостовых конструкций выполнение всех условий и ограничений сопряжено со значительными, а иногда непреодолимыми трудностями, что заставляет отказаться при изучении аэроупругих колебаний от масштабных моделей и перейти к секционным. Поскольку секционные модели обладают весьма высокой погонной жесткостью по сравнению с реальным объектом, упругие свойства натурного сооружения моделируются соответствующим подбором жесткости державок, на которых крепится модель [38, 56]. Этот прием аналогичен механическому моделированию многих колебательных явлений, широко применяемому в теории колебаний. При проектировании модели надо исходить из того обстоятельства, что число независимых ограничений не должно превышать трех (на основе л-теоремы), потому что все безразмерные параметры независимы и в задаче имеются только три основные величины, принятые в механике, масштабы которых могут быть изменены: масса, длина, время (период, частота).
Как показывает опыт, создание полного динамического подобия потоков чрезвычайно сложно. Однако во многих случаях для натуры можно пользоваться аэродинамическими коэффициентами, полученными при испытаниях модели с соблюдением частичного динамического подобия. Воздействие потока на тело зависит от различных факторов: вязкости, упругости или сжимаемости, весомости газа и т. д. Поэтому и результирующая аэродинамическая сила определяется вязкостью, упругостью, весом газа и т. д. Если условия обтекания таковы, что аэродинамическая сила в основном определяется силами вязкости, то в этом случае можно пренебречь влиянием других факторов.
Критериями частичного динамического подобия могут быть отношения инерционных сил к силам вязкости, упругости, давления и веса.
При исследовании колебательных или периодически повторяющихся процессов в потоке необходимо обеспечивать критерий подобия, учитывающий периодичность происходящих явлений. Поэтому существуют различные приемы, которые учитывают в каждом конкретном случае специфику задач, важность тех или иных свойств атмосферы, параметров элементов конструкций и прочие факторы. В частности, повышают давление и другие параметры рабочей среды в аэродинамических трубах, а также увеличивают турбулентность потока в трубах.
Поскольку при моделировании подобие и использование результатов испытаний в расчетах связано с масштабными коэффициентами, остановимся на последних несколько подробнее. Постоянное для всех линейных размеров отношение — масштаб модели или коэффициент геометрического подобия к/,. Если рассматривается какое- либо явление, протекающее во времени, то в общем случае вводится понятие масштаба времени кх. Одновременное соблюдение масштаба по длине кь и по времени кх обусловливает кинематическое подобие.
Если при моделировании одно явление может быть получено из другого изменением трех масштабов (длины ки времени кх и сил ко), то эти явления будут динамически подобными. Аэроупругие явления у модели могут быть подобны аэроупругим у натурной конструкции, если они описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Это требование совместно с условиями равновесия сил и моментов для модели и натуры определяет систему условий динамического подобия.
Комментариев нет:
Отправить комментарий