Измерение аэродинамической силы и момента, действующих на копье с помощью системы магнитного подвеса и балансировки.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 391 (2023) Цитировать эту статью

659 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Правила, регулирующие размеры Javelin, были существенно изменены в 1986 году. Считалось, что эта новая конструкция гарантировала нулевой момент тангажа при угле атаки 0 ° и что момент тангажа уменьшался (становился отрицательным) с увеличением угла атаки. Целью данного исследования является выяснить, остается ли момент тангажа всегда отрицательным (вращение с пикированием вниз). Для точного измерения аэродинамических сил, действующих на Джавелин, использовалась самая большая в мире система магнитной подвески и балансировки длиной 1 м. Магнитная система подвески и балансировки позволяла измерять аэродинамические силы без вмешательства в аэродинамическую трубу. Кроме того, была проведена вычислительная гидродинамика для оценки коэффициентов момента тангажа. Установлено, что коэффициент момента тангажа серийного Javelin становится положительным (поворот носом вверх) при меньших углах атаки, менее 12°. Момент тангажа становится положительным, если сторона, расположенная выше по потоку от центра тяжести, получает больший приток, чем сторона, расположенная ниже по потоку. Этой ситуации можно достичь, например, за счет увеличения толщины входной стороны по сравнению с толщиной выходной стороны.

Обычное испытание Javelin в аэродинамической трубе проводится путем крепления Javelin к опорному стержню1,2. Однако поддерживающий стержень нарушает поток, и это известно как опорное вмешательство. Например, линия разделения на эллипсоиде резко смещается назад3 при использовании тонкого стержня диаметром 0,5 мм. Как правило, в случае спортивного инвентаря размеры сопоставимы с руками или ногами. В частности, для длинного и узкого объекта, такого как копье, влияние опоры становится значительным, поскольку диаметр опорного стержня сравним с диаметром копья, что затрудняет точное измерение аэродинамических сил4.

Система магнитной подвески и балансировки (MSBS) является ценным инструментом для измерения аэродинамических сил без вмешательства в опору. Первый MSBS был разработан в ONERA в 1950-х годах5. Однако дальнейшие исследования и разработки этого MSBS были приостановлены с 1970-х годов. Это произошло потому, что не было никакой перспективы коммерциализации MSBS6. В настоящее время исследования и разработки MSBS возобновлены в ODU7, KAIST8 и Университете Тохоку9 благодаря усовершенствованию измерительного оборудования и усовершенствованию компьютерного управления, а также разработке мощных неодимовых магнитов. Однако в мире все еще относительно мало MSBS.

С точки зрения аэродинамики «Джавелина» правила, регулирующие размеры, были существенно изменены в 1986 году. Основным фактором, побудившим это изменение, было то, что во многих бросках «Джавелин» приземлялся почти ровно, что затрудняло судьям определение правильности броска. действительны или нет10. Считалось, что новая конструкция гарантировала, что профиль момента тангажа «Джавелина» монотонно уменьшается с увеличением угла атаки, так и не достигнув положительного значения.

Целью данного исследования является убедиться, что момент тангажа всегда является отрицательным (поворот носом вниз) по отношению к углу атаки. Будут описаны аэродинамические силы, действующие на Джавелин без опорного стержня. Самая большая в мире система магнитной подвески и балансировки (MSBS) была использована для измерения аэродинамических сил, действующих на полноразмерный женский Javelin. Поэтому аэродинамические коэффициенты, приведенные в этой статье, должны быть наиболее точными. Кроме того, было проведено параметрическое исследование с использованием CFD (вычислительная гидродинамика) для оценки того, всегда ли момент тангажа является отрицательным.

Система магнитного подвеса и балансировки (MSBS) показана на рис. 1. Джавелин, включающий магниты вдоль продольной оси, поднимается в центре испытательной секции. Когда дует ветер, на Джавелин действуют аэродинамические силы, и принцип управления предназначен для удержания Джавелина в центре испытательного участка (исходное положение). Чтобы сохранить то же положение и ориентацию Javelin, вокруг испытательной секции размещается десять катушек. Например, две катушки с воздушным сердечником в форме пончика (№ 0 и № 9), расположенные в направлении потока, уравновешивают сопротивление. Остальные восемь катушек представляют собой катушки с железным сердечником, которые эффективно генерируют магнитное поле, соединяя катушки № 1 с № 4 и № 5 с № 8 ярмом, образуя магнитную цепь11. К каждой катушке прикреплен усилитель мощности, каждая из которых может пропускать ток до 150 А. Ток катушек регулируется так, чтобы сохранять одно и то же положение и одинаковое положение. Разница токов привода между состоянием запуска и состоянием запуска преобразуется в аэродинамические силы. В случае вибрирующего копья измеряемые течения при включенном ветре включают в себя как составляющие аэродинамических сил, так и силы инерции. С другой стороны, измеренные токи при условии отвода вибрирующего копья включают только силы инерции. Следовательно, разница в токе между состоянием возбуждения и состоянием свертывания может быть преобразована в аэродинамические силы и моменты.