Моделирования в технике

Моделирование — установление условий, которые необходимо выполнить для того, чтобы явления, происходящие в модели (копии происходящего в природе явления, принятого за образец), стали подобными протекающим в образце (натуре). Ввиду сложности некоторых явлений и наличия многих факторов (прочность и другие) вопросы наивыгоднейшей конструкции не всегда можно решить теоретически, путем математических расчетов, и поэтому решение их находится опытным путем на моделях.

Этот метод применяется в ряде областей техники, в первую очередь в аэродинамике при определении воздействия воздуха на движущееся в нем твердое тело: в гидротехнике — при изучении движения судов (опытные бассейны), конструкции плотин, влияния приливов и отливов: в решении задачи по теплотехнике — при изучении циркуляции воды в котельных установках: в области сопротивления материалов.

Воздействие воздуха на движущееся в нем твердое тело не может быть определено теоретически даже в достаточно простых случаях, поэтому обычно находят аэродинамические силы и моменты путем опыта. Опыт должен производиться в каждом случае так, чтобы соблюдались законы подобия. Эти законы требуют наблюдения ряда безразмерных параметров: например, числа Рейнольдса — для скоростей, соответствующих скоростям полета современных самолетов, числа Берстоу — для течений со сверхзвуковыми скоростями, числа Струхаля — для периодических явлений и так далее.

Все эти числа, являясь общими динамическими условиями подобия, требуют соблюдения частного геометрического подобия. В самолетостроительной практике употребляются модели с масштабом от 2:1 до 1:50. В обычных аэродинамических трубах, то есть трубах без специального изменения плотности воздуха, модели, самолета и его деталей схематизируются, в то время как в трубах переменной плотности модель является ювелирной копией испытываемого объекта. Это происходит ввиду более близкого динамического подобия явлений в трубе повышенной плотности.

Схематизация заключается в том, что ряд мелких элементов опускается в модели, а учет их сопротивления производится аналитическим путем. Поскольку условия, при которых в аэродинамических трубах производятся испытания моделей, соответствуют, согласно законам динамического подобия, условиям обтекания потоком воздуха тела, копией чего является модель, можно изучать не только аэродинамические силы и моменты, но и характер потока — его направление, скорости, ускорения и так далее.

В виде примера можно указать на опыты по определению высоты снеговых щитов. Установив в аэродинамической трубе модель железнодорожного полотна со снеговыми щитами и подмешивая в воздушный поток трубы легкий порошок — ликоподий, можно создать картину заносов и дать возможность подбора высоты щитов и их расстояния от полотна.

Для определения усилий, получающихся в элементах конструкций зданий, в аэродинамических трубах испытывают модели этих зданий и определяют давления ветра на здание. Наибольшее применение в аэродинамике находят модели самолетов. Ни один самолет не может быть выпущен в воздух без того, чтобы его модель не была всесторонне испытана в аэродинамической трубе.

В гигантских аэродинамических трубах моделями часто служат сами самолеты или их элементы — крыло, оперение, фюзеляж и так далее. Обычно такие самолеты испытываются со своей винтомоторной группой в работающем состоянии.