автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Расчет нестационарного обтекания механизированных профилей с интерцепторами

Введение.

Глава 1. Расчет нестационарного обтекания идеальной жидкостью профиля с интерцептором.

§1.1. Физическая картина обтекания профиля с интерцептором.

§1.2. Постановка задачи и основные соотношения.

§1.3. Метод расчета.

1.3.1. Применение панельного метода для расчета обтекания профиля с интерцептором.

1.3.2. Применение метода дискретных вихрей для моделирования вихревого следа позади профиля с интерцептором.

1.3.3. Расчет характеристик течения. Система уравнений.

§ 1.4. Примеры расчета.

1.4.1. Влияние параметров гь и к5.

1.4.2. Влияние шага расчета по времени.

1.4.3. Частота вихреобразования.

1.4.4. Использование слияния дискретных вихрей для уменьшения времени расчета.

1.4.5. Обтекание профиля с отклоненным на заданный угол интерцептором. Сравнение с экспериментальными данными.

1.4.6. Гистерезис аэродинамических характеристик на профиле с интерцептором.

Глава 2. Расчет обтекания идеальной жидкостью профиля с интерцептором в стационарном приближении.

§2.1. Полуэмпирическая модель обтекания профиля с интерцептором в стационарном приближении.

§2.2. Примеры расчета.

2.2.1. Влияние параметров и Iр.

2.2.2. Модификация метода с применением слоя источников.

Глава 3. Расчет нестационарного обтекания профиля с интерцептором с приближенным учетом вязкости.

§3.1. Моделирование обтекания профиля с отклоненным на большой угол интерцептором с приближенным учетом вязкости.

§3.2. Метод расчета.

3.2.1. Расчет пограничного слоя.

3.2.2. Представление модифицированного контура профиля панелями.

3.2.3. Расчет характеристик течения.

§3.3. Примеры расчета.

3.3.1. Частота вихреобразования.

3.3.2. Расчет распределенных и суммарных аэродинамических характеристик профиля с интерцептором.

Глава 4. Расчет нестационарного обтекания профиля с щелевым закрылком и интерцептором.

§4.1. Физическая картина обтекания профиля с щелевым закрылком и интерцептором.

§4.2. Метод расчета.

4.2.1. Связь с методом расчета нестационарного обтекания однозвенного профиля с интерцептором.

4.2.2. Расчет характеристик течения.

§4.3. Примеры расчета.

4.3.1. Обтекание профиля с щелевым закрылком и интерцептором при небольших углах отклонения интерцептора.

4.3.2. Обтекание профиля с щелевым закрылком и интерцептором при больших углах отклонения интерцептора.

4.3.3. Суммарные аэродинамические характеристики.

4.3.4. Изменение характера обтекания щелевого закрылка при увеличении угла отклонения интерцептора.

4.3.5. Влияние увеличения угла атаки.

4.3.6. Частота вихреобразования.

4.3.7. Эффективность и шарнирный момент интерцептора на профиле с закрылком и без закрылка.

Выводы.

Системы поперечного управления современных самолетов отличаются как механической, так и аэродинамической сложностью. Интерцепторы в настоящее время обеспечивают высокую поперечную управляемость, выполняя, кроме того, и функции уменьшения подъемной силы и торможения. Многофункциональность интерцепторов увеличивает сложность системы управления. Отклонение интерцепторов на крыле вызывает нестационарные изменения его аэродинамических характеристик, в том числе и из-за развития на крыле отрывной зоны. Существенная необходимость в определении аэродинамических характеристик самолетов при нестационарном обтекании возникает в задачах аэроупругости и при разработке активной системы управления подъемной силы крыла. Поэтому, при проектировании интерцепторов необходимо правильно понимать аэродинамику интерцепторов, включая во внимание производимый ими вихревой след и его влияние на щелевые закрылки и горизонтальное оперение.

Длительное время аэродинамика интерцепторов исследовалась в основном экспериментальными методами. Было проведено большое количество экспериментов по определению распределенных и суммарных аэродинамических характеристик для крыльев и профилей с интерцепторами. При этом значительный вклад в изучение аэродинамики интерцепторов внесли А.Ж.Рекстин, Л.Е.Васильев, В.Г.Микеладзе Г Г]. Позже обтекание прямоугольных и стреловидных крыльев с интерцепторами всесторонне исследовалось Г.Т.Андреевым [2-4]. Обширные экспериментальные исследования касались как дозвуковой, так и сверхзвуковой аэродинамики. В том числе исследовались крылья с взлетно-посадочной механизацией и интерцепторами. Рассматривались также различные модернизации интерцепторов. Результаты этой работы нашли отражение в кандидатской диссертации Г.Т.Андреева [4]. Интересные экспериментальные исследования, касающиеся нестационарной аэродинамики крыльев с интерцепторами, были выполнены И.В.Колиным, К.Ф.Лацоевым, Т.И.Трифоновой, Д.В.Шуховцовым [5]. В частности рассматривались явления связанные с гистерезисом аэродинамических характеристик в процессе отклонения интерцептора.

Для однозвенных профилей с интерцепторами были разработаны ряд методов расчета, основанных на различных моделях обтекания, в основном стационарных. Одной из первых важных работ, касающихся расчета отрывного обтекания профилей с интерцепторами, была работа Вудса [6], в которой использовался метод конформных отображений. При этом позади профиля с интерцептором предполагалось наличие отрывной зоны с постоянным давлением. Причем величина этого давления бралась из экспериментальных данных. Позже метод Вудса был доработан Барнесом [7]. В частности Барнес предложил эмпирическую формулу для расчета давления в отрывной зоне в зависимости от геометрии профиля и интерцептора. Были разработаны также ряд методов, основанных либо на конформных отображениях, либо на панельных методах и использованием различных комбинаций источников и стоков для моделирования вытесняющего действия спутного следа за профилем с интерцептором [8, 9], сходная методика используется в 13 |. Пфайфер и Зумволт предложили более сложную модель течения [10] с разбиением на внешнюю и внутреннюю задачи, которые решаются в ходе последовательных итераций. Во внешней задаче рассчитывается с помощью панельного метода обтекание эффективного тела, получающегося после наращивания толщины вытеснения пограничного слоя и моделирования замкнутой зоны возвратного течения позади профиля. При этом применялось также моделирование зоны возвратного течения перед осью вращения интерцептора (hinge bubble) с помощью участка квадратичной параболы. Во внутренней задаче рассматривается течение внутри зоны возвратного течения позади интерцептора. Другой метод с использованием эффективного тела с замкнутой зоной возвратного течения позади профиля с интерцептором - метод Маскью и Дворака в приложении к профилю с интерцептором рассмотрен в [11]. В этом методе вихревые пелены, сходящие с задней кромки профиля и с кончика интерцептора, моделируются вихревыми слоями с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку интенсивностями. Модель течения с незамкнутой зоной возвратного течения позади профиля с интерцептором была предложена Toy и Хэнкоком [12]. При этом позади профиля с интерцептором размещалась эмпирически подобранная пара дискретных вихрей. Попытка расчетного исследования нестационарного вихревого следа позади профиля с интерцептором предпринималась в [11] . При этом использовалось конформное отображение с помощью преобразования Шварца-Кристофеля заданного многоугольником контура профиля с интерцептором. Вихревой след моделировался дискретными вихрями.

При всем многообразии методов расчета обтекания однозвенных профилей с интерцепторами, для профилей с интерцепторами при наличии отклоненной взлетно-посадочной механизации методов расчета до сих пор не существовало. Хотя обтекание механизированных профилей без интерцепторов исследуется с помощью расчетных методов уже длительное время. В свое время этими вопросами занимались Я.М.Серебрийский, Г.А.Павловец, Ю.Г.Степанов, М.А.Брутян [13-18]. В последнее время методы отрывного обтекания механизированных профилей развивали В.М.Никифоров [19] ,на основе панельного метода с построением эффективных линий тока, и С.В.Ляпунов и А.В.Волков [20], на основе метода вязко-невязкого взаимодействия. Причем последний метод позволяет рассчитывать достаточно сложные случаи обтекания, когда существуют области отсоединенного отрыва. Наличие таких областей было показано в эксперименте А.В.Петровым [21].

В настоящей работе рассматриваются методы расчета, которые позволяют на ранних стадиях проектирования оценивать распределенные и суммарные аэродинамические характеристики, а также особенности развития вихревого следа для профилей с интерцепторами при малых скоростях. Углы атаки предполагаются умеренными, когда интерцептор не теряет свою эффективность вследствие полного поглощения отрывной зоной, образующейся перед ним. Этапы разработки представленных методов отражены в [22-41].

Следует заметить, что обтекание профилей с интерцепторами характеризуется образованием обширных зон возвратного течения и наличием развитого вихревого следа, т.е. по своей природе является нестационарным. При этом немаловажное значение имеют явления, связанные с периодичностью развития вихревого следа. В частности это важно в связи с возможностью бафтинга горизонтального оперения, расположенного позади интерцептора. Кроме того, в процессе отклонении интерцепторов нестационарность течения часто проявляется в гистерезисе аэродинамических характеристик.

В отличие от большинства существующих методов расчета обтекание однозвенных профилей с интерцепторами рассчитывается на основе решения нестационарной задачи в рамках идеальной среды. Разработаны как методы расчета без учета вязкости, так и с приближенным ее учетом (добавление толщины вытеснения и моделирование зоны возвратного течения перед интерцептором). Кроме того, представлен метод расчета, позволяющий быстро оценивать аэродинамические характеристики профиля с интерцептором в стационарном приближении. Впервые создан метод расчета нестационарного обтекания двузвенного профиля (профиля с щелевым закрылком) с интерцептором. Ранее обтекание двузвенных профилей с интерцепторами не рассчитывалось ни в стационарной, ни в нестационарной постановке.

Обтекание профилей с интерцепторами во всех рассматриваемых методах ведется с помощью панельных методов с различными распределениями особенностей. Панельные методы (см., например, [41]) позволяют производить быстрый расчет обтекания тел идеальной жидкостью благодаря тому, что расчетной областью по существу является лишь поверхность тела. В настоящей работе используются панели с кусочно-линейным распределением вихревого слоя и панели с кусочно-постоянным распределением слоя источников. Вихревой след моделируется с помощью метода дискретный вихрей. Метод дискретных вихрей нашел широкое применение при расчете отрывных течений (в частности плоскопараллельных) в методиках школы С.М.Белоцерковского (см., например, [42,43]).

Метод расчета нестационарного обтекания идеальной жидкостью однозвенного профиля с интерцептором, отклоненным на большой угол, описывается в главе 1. Здесь дается постановка задачи отрывного обтекания профиля с интерцептором идеальной жидкостью со сходом свободных вихревых пелен. Проверяется влияние основных параметров (в частности шага расчета по времени и параметров, используемых при моделировании вихревого следа) на результаты расчета в сопоставлении с экспериментальными данными. Выбранные таким образом основные параметры в дальнейшем используются как при расчете обтекания однозвенных профилей с интерцепторами идеальной жидкостью, так и связанных с рассматриваемым методах расчета обтекания с приближенным учетом вязкости одно- и двузвенных профилей с интерцепторами. Возможности рассматриваемого метода иллюстрируются как в сравнении с экспериментальными данными, полученными в стационарных экспериментах [2,10], так и в сравнении с данными, полученными в процессе отклонения интерцептора [5], когда проявляется гистерезис аэродинамических характеристик. Также исследуются особенности развития вихревого следа (частоты вихреобразования) в сравнении с [45,46].

На основе рассмотрения "осредненной" по времени картины обтекания был разработан также полуэмпирический метод расчета аэродинамических характеристик профиля с интерцептором в стационарном приближении. Этот метод описывается в главе 2. Как показывают сравнения с экспериментальными данными, разработанный метод позволяет производить быструю оценку аэродинамических характеристик при использовании минимального числа эмпирических параметров. Надо заметить, что до настоящего времени существуют лишь методы оценки аэродинамических характеристик крыльев ограниченного размаха с интерцепторами на основе теории несущей нити, либо с помощью других методов расчета обтекания крыльев с заменой сечений крыла с интерцепторами на заклиненные под соответствующими углами сечения крыла без интерцепторов [4,47,48]. При этом рассматриваемый метод расчета обтекания профилей с интерцепторами в стационарном приближении может использоваться для выработки исходных данных для быстрой оценки аэродинамических характеристик крыльев конечного размаха с интерцепторами.

В главе 3 описывается метод расчета нестационарного обтекания однозвенного профиля с интерцептором с приближенным учетом вязкости. В отличие от рассматриваемого в главе 1 метода расчета контуры профиля и интерцептора модифицировались с учетом добавления толщины вытеснения пограничного слоя и моделирования зоны возвратного течения перед интерцептором, которая обычно возникает вследствие отрыва пограничного слоя перед осью вращения интерцептора и последующего его присоединения к поверхности интерцептора. При этом использовался ряд эмпирических упрощений. Как показывает сравнение с экспериментальными данными, моделирование зоны возвратного течения перед интерцептором с помощью участка квадратичной параболы при типичных параметрах интерцептора позволяет получить более близкое соответствие рассчитанного распределения давления и экспериментального вблизи оси вращения интерцептора, тогда как при расчете обтекания профиля с интерцептором идеальной жидкостью поток полностью тормозится на оси вращения интерцептора.

Аналогичный используемому в главе 3 подход применяется при моделировании нестационарного обтекания профиля с интерцептором и щелевым закрылком. Соответствующий метод расчета описывается в главе 4. Рассматривается типичная конфигурация, когда основное звено профиля заканчивается нишей для размещения убранного закрылка, верхнюю стенку ниши при этом образует отклоняемый интерцептор. При обтекании двузвенных профилей с интерцепторами картина течения существенно усложняется по сравнению с обтеканием однозвенных профилей с интерцепторами. Зоны возвратного течения могут формироваться как позади интерцептора, так и за щелевым закрылком. В отличие от рассмотренных методов расчета однозвенных профилей с интерцепторами расчет обтекания двузвенных профилей с интерцепторами проводится во всем диапазоне углов отклонения интерцептора - от нулевого до максимального. Причем при малых углах отклонения интерцептора его действие сказывается в основном на изменении параметров щели между основным звеном профиля и закрылком. Тогда как при больших углах отклонения интерцептора происходит полное разрушение относительно плавной картины обтекания щелевого закрылка. Расчет пограничного слоя при этом имеет более важное значение, чем для однозвенного профиля с интерцептором, т.к. позволяет определить положение точки отрыва на верхней поверхности щелевого закрылка. Следует отметить, что существует ограниченное число экспериментальных данных, касающихся близкого к двумерному обтекания профилей с интерцепторами и щелевыми закрылками. Для отработки метода расчета использовались экспериментальные данные по распределенным и суммарным аэродинамическим характеристикам, а также по полям скоростей и частотным спектрам турбулентных пульсаций скорости в вихревом следе, содержащиеся в [49,50].