автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Влияние вязкости на гидродинамические характеристики крыльевого профиля с механизацией

санкт-петербургскии государственный

морской технический университет

Ж) ^ МАЗАЕВ

Кирилл Михайлович

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЫЛЬЕВОГО ПРОФИЛЯ С МЕХАНИЗАЦИЕЙ

(специальность 05.08.01 — теория корабля)

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

санкт-петербург 1998

Работа выполнена на кафедре Гидромеханики Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Научный руководитель кандидат технических наук^Н. В. Корнев

Научный консультант — доктор технических наук,

профессор ВЛБ.'Амфилохиев Официальные оппоненты}—доктор технических наук,

старший научный сотрудник Г. И. Каневский — кандидаг'технических наук, доцент В. В. Шабаров

Ведущая организация: ЦМКБ .АЛМАЗ"

Защита состоится , 23 " июиЯ 1998 г. в ^ часов

на заседании диссертационного советаК051.7.Ъ,05 в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, С,- Петербург, ул. Лоцманская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Автореферат разослан „ " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент, А. С. Красницкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предметом исследования является влияние вязкости жидкости на гидродинамические характеристики крыла бесконечного размаха в ограниченном и неограниченном потоках. Большинство задач теории крыла традиционно решается на основе теории невязкой жидкости. Однако в ряде задач, имеющих большое практическое значение, отказ от учета вязкости потока может привести к существенным ошибкам при определении гидродинамических характеристик (ГДХ) крыльевых систем (отрывное об'гекание крыльев, обтекание крыла с механизацией, обтекание крыла при сравнительно небольших значениях числа Рейнольдса и др.). Для рассмотрения вязкостных эффектов и выяснения степени их влияния на ГДХ крыла наиболее простой и в то же время достаточно информативной задачей будет задача о стационарном обтекании крыла бесконечного размаха - крыльевого профиля. Особо можно выделить обтекание профиля крыла ограниченным потоком жидкости, так как отказ от рассмотрения вязкостных эффектов при исследовании обтекания крыльевого профиля на малых высотах полета может привести к весьма существенной погрешности при определении подъемной силы, и отрывное обтекание механизированного профиля, так как на верхней стороне сильно отклоненного закрылка могут возникать обширные области отрывного течения. Таким образом, разработка расчетной методики, предназначенной для решения задач теории крыла с учетом вязкости жидкости, является актуальной.

Актуальность работы связана с широким применением органов управления, для которых необходимо определять параметры механизированного профиля, такие как ширина и форма щели между профилем и

закрылком и др., с достаточной степенью точности. Актуальность другого направления проведенных работ - исследование влияния вязкости на обтекание профиля крыла у экрана и под свободной поверхностью жидкости (при больших числах Фруда) - не вызывает сомнений в связи с все более широким распространением аппаратов, движущихся в непосредственной близости от свободной поверхности воды (суда на подводных крыльях, суда с воздушной разгрузкой и экранопланы). Внимание уделено также влиянию вязкости на статическую устойчивость профилей крыльев экранопланов и устройствам управления пограничным слоем.

Целыо работы являлось создание и апробирование методики расчета ГДХ изолированных крыльев и крыльев с механизацией в безграничной или ограниченной вязкой жидкости как для безотрывного, так и для отрывного течения, а также проведение на ее основе численных экспериментов, анализ полученных результатов и выработка соответствующих рекомендаций для расчетов ГДХ сложных судовых крыльевых систем.

Методы исследования - численные. Для решения уравнений гидродинамики невязкой жидкости применяется метод граничных интегральных уравнений; течение вязкой жидкости рассчитывается с помощью интегральных соотношений теории пограничного слоя. В работе проводится сопоставление Используемого метода с существующими, а полученные результаты сравниваются с результатами других авторов (для случаев, где они имеются) и с результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в создании единой методики и соответствующей ей программы для расчета в условиях двумерной задачи вязкой жидкости ГДХ крыльев, работающих в достаточно разнообразных условиях, а также в установлении на основе математического моделиро-

вания некоторых особенностей обтекания, не отмечавшихся ранее (при исследовании устойчивости профилей над экраном в потоке вязкой жидкости и исследовании обтекания сильно изогнутых в-образных профилей в безграничном потоке и при сравнении обтекания вязкой и невязкой жидкостью профилей различной формы под свободной поверхностью).

Применение метода возможно для расчетов ГДХ системы плоских крыльевых профилей с механизацией, обтекаемых установившимся ограниченным или безграничным отрывным или безотрывным потоком вязкой несжимаемой жидкости при докритических и околокритических ушах атаки и значительных ушах отклонения закрылка.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод и программа позволяют рассчитывать ГДХ механизированных крыльевых профилей сложной формы в потоке вязкой жидкости с учетом различных факторов, проводить численные эксперименты и вырабатывать рекомендации, используемые в проектировании крыльевых систем.

На защиту выносятся;

• метод решения двумерной стационарной задачи об обтекании системы' крыльевых профилей конечной толщины или профиля с механизацией ограниченным потоком вязкой жидкости;

• результаты численного исследования влияния вязкости на подъемную силу крыльевых профилей различной формы вблизи твердой стенки и свободной поверхности и на статическую устойчивость профиля крыла экраноплана;

• результаты исследования влияния шероховатости поверхности профиля на подъемную силу крыльевых профилей;

• результаты расчета обтекания потоком вязкой жидкости сильно изогнутых Б-образных профилей с центральной симметрией;

• рекомендации по учету вязкости при расчетах ГДХ крыльевых профилей в различных условиях.

докладывались и получили положительную оценку: на Межвузовской научно-технической конференции (НТК), посвященной 85-летию со дня рождения Заслуженного деятеля науки и техники А. Н. Патрашева, СПб, 1995; на Региональной НТК "Корабелы - 300-летию Санкт-Петербурга", СПб, 1997 г.; на НТК по теории корабля (Крыловские чтения), СПб, 1997 г.; на Всероссийской НТК, посвященной 200-летию образования Училища корабельной архитектуры - ВВМИУ им. Ф.Э.Дзержинского, СПб, 1998 г.; на Международной научной конференции студентов и аспирантов "Современные аспекты гидроаэродинамики-98", СПб, 1998 г.

Внедрение работы подтверждено актом о внедрении.

ключения и списка литературы; содержит 121 страницу, в том числе 70 рисунков, 1 таблицу и 102 наименования источников.

Во Введении обосновывается актуальность тематики работы - исследования ГДХ крыльевых профилей с механизацией и необходимость учета при этом влияния вязкости жидкости.

Основные результаты работы

По теме диссертационной работы имеется б публикаций (см. перечень в конце автореферата).

диссертация состоит из введения, четырех глав, за-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Первой главе дан обзор существующих методов учета влияния вязкости на ГДХ крыльевого профиля с механизацией. Кратко рассматриваются методы теории крыльевого профиля с механизацией, основанные на теории идеальной жидкости: работы С. А. Чаплыгина, В. В. Голубева, Н. С. Аржанникова и другие работы 30-х годов, в которых использовалась математическая модель тонкого профиля в потоке невязкой жидкости. Качественно было изучено влияние предкрылков и закрылков на отрыв потока и на величину подъемной силы и сопротивления крыльевого профиля, а также получены количественные оценки. Более поздние теоретические исследования (Белоцерковский С.М., Ништ В.М., Гадецкий В.М., Масеев М.Б., Блюмин В.И., Шадрин В.П. и др.) позволили на основе теории тонкого профиля и тонкого крыла с помощью вихревого метода получить значения коэффициентов подъемной силы и распределение давления по поверхности крыла (профиля) в ряде различных задач, в том числе для крыла над экраном и для подводного крыла. Полученные результаты используются для крыла конечного размаха при малых ушах атаки и при умеренных ушах отклонения закрылка.

Параллельно с теоретическим изучением за рубежом и в нашей . стране проводились экспериментальные исследования крыльевых систем с органами управления (Красильщиков П.П., Ушаков Б.А. и др.). Сопоставление экспериментальных результатов с результатами теории потенциального обтекания показало, что при углах отклонения закрылка более 10 -15° теоретические значения аэродинамических производных с™, т" для

механизированного профиля примерно на 20 - 30% отличаются от экспериментальных. Одной из причин расхождения служит неучет вязкости жидкости.

Один из возможных подходов к учету' вязкости в рассматриваемых задачах - решение уравнений движения^ вязкой жидкости численным методом. Более простым и при этом позволяющим получать достаточно точные результаты в широком классе задач является прием разделения потока на вязкую и невязкую зоны согласно концепции пограничного слоя (рис. 1,6). В работе выбран подход, основанный на раздельном рассмотрении зон потока. Обратное влияние пограничного слоя учитывается согласно гипотезе Прандтля - Лойцянского о "полутеле вытеснения". Некоторое внимание уделено также альтернативному методу Лайтхилла. Основными отличиями разработанной методики от методик других авторов (Брутян М.А., Дробленков В.В. и Каневский Г.И., Себеси Т. и др.) являются следующие обстоятельства. 1.Разработанная методика может быть применена к расчету обтекания профилей с любыми типами закрылков, в том числе разрезных с профилированной щелью между профилем и закрылком. 2.Достаточно подробно описывается течение в вязком следе. З.Методика предусматривает случай отрывного обтекания. 4.Методика распространена на течения с щелевым вдувом потока. 5.Итерационный процесс не содержит "внутренних" итераций.

Во кищай-ЕДаве изложена постановка задачи и рассмотрены методы, используемые для ее решения.

Система профилей крыльев, ограниченных плоскими контурами X,,£2,...,Хм (Рис- 1.а), находится в плоскопараллельном установившемся набегающем потоке вязкой невесомой жидкости, имеющем вдали от профилей скорость 0„(у). Поток может быть ограничен снизу плоской твердой поверхностью 2С, сверху - свободной поверхностью также представляющей собой горизонтальную плоскость. Контуры "

гладкие, имеющие изломы только в точках Д- (задняя острая кромка профиля) и в точках Bf, Bf, соответствующих сочленению профиля с неразрезным бесщелевым закрылком. В точках Bf (на верхней стороне профиля) может происходить тангенциальный вдув струи толщиной 8inj. со скоростью u,„j.. Отрыв потока происходит в точках Sj.

Скорость потока считается достаточно большой, чтобы обеспечить значения числа Рейнольдса, определенного по хорде профиля, не менее 104. Это позволяет для расчета вязкостных характеристик применить теорию пограничного слоя (ПС). В вязкой зоне 2 выделены пограничный слой 2а, зона течения в ПС с щелевым тангенциальным вдувом потока 26, вязкий турбулентный след 2г и зона отрывного течения 2в. При расчете вязко-невязкого взаимодействия каждая из зон рассматривается отдельно.

Для расчета характеристик течения в зоне внешнего течения невязкой жидкости выбран метод вихревых панелей, разработанный Даш-ковским A.A., Волковым Л.Д., Юшиным В.И. и др., в соответствии с которым непрерывная поверхность каждого профиля заменяется совокупностью отрезков - панелей с линейным распределением вихревой интенсивности на них (рис. 1,в). Вихревая интенсивность у( на концах панелей определяется из условия непротекания, выполняемом в конечном числе контрольных точек посередине панелей, которое дополняется постулатом Чаплыгина - Жуковского для каждого профиля в форме:

y;£+Y;£=o, о)

гае у* , у~Е - интенсивность вихревого слоя на задней кромке верхней и

нижней сторон профиля. Для расчета обтекания "полутела вытеснения" также применяется метод вихревых панелей. Аналог условия Чаплыгина -

Жуковского для потока вязкой жидкости имеет вид равенства скоростей потока на расстоянии толщины ПС от поверхности профиля непосредственно над и под задней острой кромкой или в точках отрыва потока при отрывном обтекании (рис. 1,г):

%Е=Чг- (1а)

Границы потока учитываются методом зеркального отражения, с помощью которого выполняются условия на твердой стенке или на свободной поверхности в невесомой жидкости (последнее - в линеаризованной постановке).

Для расчета течения в пограничном слое используется интегральный трехпараметрический метод, разработанный на кафедре гидромеханики СПбГМТУ, в котором предусмотрена возможность расчета течения у шероховатой поверхности. Пограничный слой рассчитывается как смешанный, состоящий в общем случае из трех участков - ламинарного, переходного и турбулентного. Ламинарный участок пограничного слоя рассчитывается методом Лойцянского. При расчете турбулентного пограничного слоя используются интегральные соотношения количества движения и захвата массы, при этом выбирается профиль скорости Коулза, включающий в себя функцию шероховатости согласно полуэмпирической теории турбулентности Миллионщикова, в которой шероховатость характеризуется не одним, а двумя геометрическими параметрами: средней высотой б^орков шероховатости и среднеквадратичным отклонением.

Плоский турбулентный след рассчитывается интегральным методом Дробленкова - Каневского, базирующимся на полиномиальном представлении профиля касательных напряжений. Метод учитывает наличие продольного градиента давления в ближнем следе и позволяет определять точку образования в следе возвратного течения.

Течение, образующееся при тангенциальном вдуве потока в пограничный слой рассчитывается интегральным методом расчета пристенных струй Гиневского A.C. и др. Выбор метода, как й при расчете ПС и следа, обусловлен его простотой, надежностью и быстродействием.

В работе использовалась простая стационарная модель отрывного течения, в основе которой лежит гипотеза постоянства давления в зоне отрыва. Внешняя граница отрывной зоны моделировалась вихревым слоем с постоянной интенсивностью, равной интенсивности присоединенного к профилю вихревого слоя в точке отрыва ПС Ys- Неизвестная заранее граница отрывной зоны строилась как линия тока внешнего невязкого потока. Выбор начальной точки на расстоянии толщины вытеснения 5* от поверхности профиля обеспечивал плавную стыковку контура "полутела вытеснения", построенного в зоне безотрывного течения, с зоной отрыва.

В случае безотрывного обтекания каждое "полутело вытеснения" образуется наращиванием на исходный контур обтекаемого тела толщины вытеснения пограничного слоя 5*, а за контуром тела - наращиванием толщины вытеснения вязкого следа на линию тока, сходящую с задней кромки профиля. Для отрывного обтекания контур "полутела" в зоне отрыва совпадает с границей отрывной зоны. Процесс учета вязко-невязкого взаимодействия носит итерационный характер. На каждой итерации уточняются положение контура "полутела" и значения скорости и давления на нем. Длина "полутела", используемая в расчетах, конечна и выбирается достаточно большой по сравнению с хордой профиля. В качестве условия сходимости итерационного процесса используется равенство коэффициентов подъемной силы на двух последующих итерациях с точностью 0.5%. Как показывают расчеты, при этом выполняется условие (1а) с точностью

до 1-3%. Для улучшения сходимости применяется метод нижней релаксации. По окончании итерационной процедуры получается распределение давления по "полутелу" в потоке невязкой жидкости, соответствующее реальному распределению давлений по профилю в вязкой жидкости. Далее с помощью интегрированием давления определяются значения коэффициентов подъемной силы су и продольного момента т1 для каждого профиля, а коэффициент профильного сопротивления определяется из закона количества движения:

с, = 25Г, (2)

гае 5"- толщина потери импульса в вязком следе на достаточно большом удалении за телом. Для системы профилей расчетная схема сохраняется. Расчеты показывают, что даже при моделировании профиля с щелевым закрылком два "полутела" (закрылка и основного профиля) не пересекаются, и на каждой итерации рассматривается обтекание системы из двух "полутел" потоком невязк зй жидкости.

Третья глава посвящена апробации численного метода. В соответствии с изложенной в главе 2 методикой разработан программный комплекс расчета ГДХ системы крыльевых профилей с органами управления и проведены многочисленные тестовые расчеты. Результаты сравнивались с расчетами Брутяна М.А., Дробленкова В.В. и Каневского Г.И. и др.

Пример расчета безотрывного -. обтекания одиночного профиля НЕЖ с относительной толщиной 12% в безграничной жидкости приведен на рис. 2, 3. Наблюдается хорошее соответствие результатов расчета с экспериментом для всех характеристик потока. По сравнению с невязкой жидкостью уменьшаются подъемная сила и пик разрежения в носовой части профиля.

Пример расчета обтекания профиля с подвесным закрылком над экраном приведен на рис. 4. Сравнение с экспериментом, в котором течение было близко к двумерному, показывает, что при учете обратного влияния ПС на внешний поток су определяется с точностью около 5 %, в то время как при расчете в невязкой жидкости погрешность составляет 25-30 %. На рис. 5 показано распределение коэффициента давления по профилю и закрылку при большом угле отклонения закрылка 5=30° на различном расстоянии профиля от экрана. Хорошее согласование с экспериментом в диапазоне углов атаки вплоть до критического демонстрирует рис. 6 для профиля с разрезным закрылком. (Экспериментальные результаты для крыла с удлинением Х=5 пересчитывались на бесконечное удлинение согласно теории индуктивного сопротивления). Таким образом, все тестовые расчеты хорошо согласуются с экспериментами и расчетами других авторов, что говорит о надежности методики. В результате можно сделать вывод, что разработанная методика расчета обеспечивает достаточную точность с помощью учета влияния вязкости на несущие свойства профиля в широком спектре двумерных задач теории крыла и может быть применена для численных исследований.

Четвертая глава работы содержит результаты расчётных исследований обтекания крыльевых профилей потоком вязкой жидкости.

В первом параграфе четвертой главы исследуется совместное влияние вязкости и границы потока на ГДХ профилей без механизации и с закрылками, обтекаемых потоком вязкой жидкости над экраном.

При малых углах атаки а отмечается возникновение эффекта Венту-ри, противоположного экранному, и выражающемуся в снижении подъемной силы при приближении профиля к экрану (рис. 7). При малых углах атаки

неучет вязко-невязкош взаимодействия приводит к занижению значения су по сравнению с его величиной в вязкой жидкости в отличие от безграничного потока или случая больших ушов атаки, где в невязкой жидкости величина су больше, чем в вязкой.

Существенное влияние оказывает учет вязко-невязкого взаимодействия на характеристики ПС. На рис. 8 приведено распределение толщины ПС 5 по обеим сторонам профиля, рассчитанное описанным методом, в сравнении с результатами расчетов пограничного слоя по данным потенциального обтекания. Различие дг.ух кривых очевидно; кроме того, в расчете по данным потенциального обтекания происходит ламинарный отрыв ПС на нижней стороне профиля, которого в действительности нет, судя по данным более точного расчета по настоящей методике.

Таким образом, на малых высотах полета изменение подъемной силы по сравнению с данными потенциального обтекания существенно зависит от угла атаки. Отказ от учета вязкости приводит к тому, что неизвестна не только величина ошибки при расчете подъемной силы, но и знак ошибки (рис. 7). При Не порядка 1 -106 ошибка расчета подъемной силы без учета вязкости может составить 10-15%, что недопустимо. Неучет вязкости приводит к заметным количественным (а иноща и качественным) отличиям величин характеристик ПС от более точно рассчитанных, ''го приводит к изменению величины сопротивления трения, а в случае качественных отличий, т.е. отрыва ПС, - и сопротивления формы, а также подъемной силы.

Результаты расчетов ГДХ профиля, снабженного подвесным и неразрезным закрылками, над экраном показывают, что снижение коэффициента подъемной силы по сравнению с его величиной в идеальной жид-

кости зависит от высоты полета и достигает 20%. Таким образом, вблизи экрана, как и в безграничной жидкости, необходим учет влияния вязкости при расчете обтекания профилей с закрылками различных типов.

Во втором параграфе четвертой главы проведены численные исследования влияния вязкости на ГДХ профиля под свободной поверхностью для случая невесомой жидкости. Как с учетом, так и без учета вязкости жидкости наблюдается эффект снижения подъемной силы при приближении подводного крыла к свободной поверхности (рис. 9). Влияние вязкости на еу в условиях близости свободной поверхности оказывается сильно зависящим от формы профиля. Для ^СА0012 влияние вязкости проявляется только на большой глубине погружения и ослабевает при приближении к поверхности жидкости. Поправка су по сравнению с данными расчета в невязкой жидкости не превышает 5-6% на малых глубинах погружения Н, что объясняется преобладанием влияния свободной поверхности на распределение давления по верхней стороне профиля (вносящей больший вклад в подъемную силу) над влиянием вязкости. Совсем другая картина наблюдается при исследовании 6%-го сегментного профиля. Вблизи от свободной поверхности сохраняется достаточно существенное влияние вязкости вследствие значительного изменения кривизны средней линии "полутела вытеснения" по сравнению с исходным профилем из-за плоской нижней стороны профиля (рис. 10). При стремлении профиля к свободной поверхности роль нижней стороны по сравнению с верхней возрастает. Поэтому для сегментного профиля влияние вязкости продолжает оставаться существенным и вблизи поверхности жидкости. Таким образом, влияние вязкости на ГДХ подводного профиля существенно зависит от его формы и для разных профилей может быть весьма различно.

С точки зрения возникновения кавитации наибольший интерес представляет величина коэффициента максимального разрежения рт1П. Результаты, полученные в работе, представлены в виде зависимости pmi„(Cy). Влияние вязкости на величину pmin может быть сведено к изменению величины угла атаки по сравнению с его значением в идеальной жидкости; неучет влияния вязкости приводит к ошибке в безопасную сторону.

Численное исследование ГДХ подводных профилей с бесщелевым закрылком показало, что влияние вязкости на подъемную силу профиля весьма велико (рис. 11). Качественный характер зависимостей ГДХ от глубины'и отклонения закрылка в вязкой и невязкой жидкостях одинаков.

Третий параграф четвертой главы содержит результаты исследований статической устойчивости профиля крыла экраноплана. Одним из критериев статической продольной устойчивости экраноплана является так называемый критерий Иродова:

xFa ~*Fh > (3)

где xFa = m^<a>(h = const) - абсцисса фокуса по углу атаки; xFh = ni^<h> (а = const) - абсцисса фокуса по высоте над экраном. В работе рассмотрена устойчивость S-образного (оптимального с точки зрения устойчивости) профиля. В результате расчетов определены абсциссы фокусов по ушу атаки и по высоте, показанные на рис. 12 для высоты полета Л=0,15. В вязкой жидкости диапазон углов атаки, в котором профиль обладает статической устойчивостью (xFa -xFj; > 0), шире, чем в невязкой, что объясняется изменением формы средней линии "полугела вытеснения" в районе хвостика профиля по сравнению с исходным профилем.

В параграфе 4 главы 4 затронут вопрос влияния Яе и е на ГДХ профилей. Из полученных результатов следует, что разработанная методика, благодаря использованию метода расчета ПС, учитывающего влияние степени турбулентности потока на протяженность ламинарного и переходного участков ПС, может использоваться для численного эксперимента с различными условиями, как "натурными", так и "модельными".

В пятом параграфе главы 4 приведены результаты исследования обтекания винта подруливающего устройства в виде в-образно изогнутого эллипса, предложенного В.М.Гринпрессом. Из соображений малошумно-сти для каждого сечения лопасти рабочий угол атаки совпадает с углом наклона средней линии профиля в носике. Проведенные расчеты показали, что при заданных значениях чисел Рейнольдса распределение давления и подъемная сила профилей весьма сильно отличаются от характеристик, рассчитанных по теории невязкой жидкости, особенно на профилях с большой относительной толщиной (рис. 13). Выбранный угол атаки со-ответствуеч нулевой подъемной силе в идеальной жидкости. В вязкой жидкости из-за изменения кривизны профиля (за счет несимметричного нарастания пограничного слоя) распределение давления носит обыкновенный для крыльевого профиля характер и обеспечивает ненулевую подъемную силу (су=0,19 при Яе=ЗЛ07 и е=2%). Результаты показывают,

что учет вязкости позволяет получить достоверное распределение давления, сильно отличающееся от рассчитанного по теории невязкой жидкости, и определить су., величина которого оказывается или больше (при малых углах атаки на толстых профилях), или меньше, чем в невязкой жидкости.

Влияние шероховатости на ГДХ профилей рассмотрено в шестом параграфе главы 4. Исследовалось влияние различной степени шероховатости верхней и нижней сторон профиля на его ГДХ. Расчеты показали, что большую роль играет состояние засасывающей стороны профиля. Оказалось, что наиболее неблагоприятным с точки зрения подъемной силы является такое состояние поверхности профиля, при котором верхняя (засасывающая) сторона сильно шероховатая, а нижнюю можно считать гидродинамически шадкой. Под нулевым углом атаки на симметричном профиле с такой неравномерной шероховатостью возникает значительная подъемная сила (Су=0,06 при Äe=3-107), что ранее было обнаружено Воробьевым H.H. Для профиля с закрылком показано, что, в основном, влияние шероховатости сводится к появлению на негладкой поверхности отрыва потока при некотором значении высоты бугорков шероховатости, что приводит к существенному падению подъемной силы.

В последнем, седьмом параграфе главы 4 рассматривается обтекание профиля с- неразрезным закрылком при наличии искусственною "сдувания" пограничного слоя закрылка и обтекание профиля с разрезным закрылком. В последнем случае "сдувание" пограничного слоя происходит за счет удачной формы щели между профилем и закрылком.

Учет вдува струи в разработанной расчетной методике позволил произвести расчет ГДХ профиля с устройством вдува тонкой высокоскоростной струи из щели перед носиком закрылка. Расчет проводился при условиях вдува, соответствующих ликвидации отрыва потока. Зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки без вдува струи и со вдувом приведена на рис. 14. Подъемная сила приближается к значению, получаемому при безотрывном обтекании в идеальной жидкости. Расчетным

путем оценена также эффективность разрезного (щелевого) закрылка. Наличие сильно отклоненного закрылка увеличивает коэффициент подъемной силы более чем вдвое, несмотря на отрыв потока с верхней стороны закрылка. В невязкой жидкости эффективность закрылка с* существенно завышена (рис. 15).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе изложено научно обоснованное решение актуальной задачи об обтекании крыльевого профиля сложной формы с механизацией потоком вязкой жидкости вблизи экрана или под свободной поверхностью, а также разработана и апробирована численная методика практического расчета ГДХ профиля, позволяющая проводить численный эксперимент в задачах теории крыла, в том числе - для крыльевых профилей сложной формы с щелевым закрылком и для профилей с устройством вдува струи в пограничный слой.

2. Получены новые численные результаты по устойчивости крыльевых профилей экранопланов в потоке вязкой жидкости, по влиянию шероховатости поверхности на подъемную силу профилей и по ГДХ сильно изогнутых Б-образных профилей.

3. Сделаны выводы об обязательности учета влияния вязкости при расчете ГДХ профилей с механизацией, профилей над экраном и Б-образ-ных профилей с большой относительной кривизной. Установлено, что в ряде рассмотренных задач влияние вязкости оказывается неоднозначным, существенно зависящим от формы профиля.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Мазаев K.M. Расчет гидродинамических характеристик профиля крыла экраноплана с учетом влияния вязкости.// Межвузовская НТК, посвященная 85-летию со дня рождения Заслуженного деятеля науки и техники, д.т.н., проф. А. Н. Патрашева, СПб, 1995: Тезисы докладов, с. 50-51.

2. Мазаев K.M. Расчет гидродинамических характеристик профиля крыла с щелевым вдувом потока.// НТК "Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики" (XXXVIII Крыловские чтения), СПб, 1997: Тезисы докладов, с. 87-88.

3. Мазаев K.M. Расчет гидродинамических характеристик профиля крыла с механизацией с учетом влияния вязкости.// Региональная научно-техническая конференция "Корабелы - 300-летию Санкт-Петербурга", СПб, 1997: Тезисы докладов, с.42.

4. Мазаев K.M. Расчет гидродинамических характеристик профиля крыла с разрезным закрылком.// Всероссийская научно-техническая конференция, посвященной 200-летию образования Училища корабельной архитектуры -ВВМИУ им. Ф.ЭДзержинского, СПб, 1998: Тезисы докладов, с. 148-149.

5. Мазаев K.M. Расчет обтекания S-образных профилей крыла вязкой жидкостью.// Международная научная конференция студентов и аспирантов "Современные аспекты шдроаэродинамики-98", СПб, 1998: Тезисы докладов, с.51.

6. Войткунский Я.И., Амфилохиев В.Б., Васильева В.В., Мазаев K.M., Мазаева Н.П. и др. Гидродинамика тел в ограниченной вязкой и стратифицированной жидкости.: Отчет СПбГМТУ по теме I-4-2-A-413, № ГР 01.97.0006843; Инв. № 02.97.0003973, 1996, 92 с.

ттт~гт~т~гт

а)

2 гх гЬ

2а

Ь'(*)= + ^

П рО<£и/1Ь

Рис. 1. а) схема течения; б) зоны вязкого и невязкого течений; в) вихревая схема; г) к постулату Чаплыгина-Жуковского.

0.8

0.4 -

5.0

4.5 -

4.0

1000 с„

Расчет в вязкий жидкости Эксперимент

а)

0.2

0.1 -

0.0

Рис.2. Зависимости ГДХ профиля НЕЖ от угла атаки

е=],75%): а) - коэффициент подъемной силы, б) - коэффициент профильного сопротивления, в) -коэффициент момента.

-2 --3 -4

\р ! . 1

// \ ; ЭКСГ ерим^нт

)\ . > Расчет в вязкой ' \ : жид^ости: :

\ :

Невязкая жидкость:

1—Г

1

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рис.3. Распределение давления по профилю НЕЖ при ОС=6".

4.0 -]

3.0 -

2.0 -

-у Невязкая / жидкость

1.0

Рис. 4. Зависимость с/а) для профиля СР-16 при 5=40 ° И=1, Яе=0,86-10?, £=0,4%.

Рис.5. Распределение давления по профилю СР-16 при а=6°, 8=30 °(—Л=2,4;—Ъ=0,75).

2.4

2.0 -

1.6 -

1.2 -

0.8

Расчет /У

Эксперимент

П—I—I—I—I—I—I 0 2 4 6 8 10 12 14

0.8 0.4 -0.0 --0.4 -0.8

I Г 1 6 1

Рис. 6. Зависимость су(а) для профиля Р-На при 5=30°, Яе=3105, е=2,5%.

Рис.7. Зависимость су( а) для профиля С1агк-УН-12 при £=2%.

0.04

0.03

0.02

0.01 -

0.00

Расчет по данным потенциального обтекания. Расчет с учетом обратного влияния пограничного слоя«

0.0

1—I—1—I—I—I—I—I—I 0.5 1.0

0.8

0.4 -

0.0

Невязкая

ЖИДКОСТ]

/

Вязкая жидкость

-1-1-1-1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Рис. 8. Распределение толщины ПС по профилю С1агк-УН-12 при а=4°, Й=0,2 (Ке=11СР, £=2%).

профиля ЫАСА0012 под свободной поверхностью, при а=5° Не=1-1(Р, е=2%.

Рис.9. Зависимость с\( й) для

Рис. 10. РаспреОеление давления по сегментному профили) при а=3°, к =0,3 (Ие=110л, е=2%).

Рис. 11. Зависимость су(И) для сегментного профиля с закрылком при а=2 8=15°, Не=5107, £=0,5%.

Рис. 12. Положение фокусов профиля ОНМТи в зависимости от угла атаки (Ке=51<)7. £=0.5%).

Рис. 13. Распределение давления на слабо изогнутом центрально-симметричном Я-оОразном профиле.

2.8 -,

2.4 -

2.0 -

1.6 -

1.2

Невязкая жидкость

—I-1-1-1-1

О 2 4 6 8 10

Рис.14. Зависимость су(а) для профиля ИАСА-23012 с вдувом струи в точке отклонения закрылка при 3=20°.

I \ Невязкая жидкость

Рис.15. Распределение давления по профилю Р-На с щелевым закрылком при а=8°, 8=30°, Яе=3,5-]05, £=2%.