Подъемная сила конических звездообразных тел при сверхзвуковых скоростях

Язык труда и переводы:
УДК:
533.69
Дата публикации:
10 января 2022, 19:22
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Максимов Федор Александрович
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Зубин Михаил Адольфович
НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова
Аннотация:
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что тела звездообразной формы при сверхзвуковых скоростях позволяют значительно снизить аэродинамическое сопротивление. С учетом того, что минимальное сопротивление реализуется на режимах с присоединенными к передним кромкам ударными волнами, теоретические и расчетные исследования базировались на данных моделирования в одном цикле звездообразного тела. При нулевом угле атаки этого достаточно, чтобы дать оценку коэффициента сопротивления. О характеристиках тел звездообразной формы при углах атаки имеются ограниченные экспериментальные результаты. Цель данной работы — получить оценку коэффициента подъемной силы тел звездообразной формы.
Ключевые слова:
сверхзвуковое обтекание, звездообразные тела, аэродинамические коэффициенты, эксперимент, численное моделирование
Основной текст труда

Теоретические и экспериментальные исследования [1, 2] показали, что тела звездообразной формы при сверхзвуковых скоростях позволяют значительно снизить аэродинамическое сопротивление. С учетом того, что минимальное сопротивление реализуется на режимах с присоединенными к передним кромкам ударными волнами, теоретические и расчетные исследования базировались на данных моделирования в одном цикле звездообразного тела. При нулевом угле атаки этого достаточно, чтобы дать оценку коэффициента сопротивления. О характеристиках тел звездообразной формы при углах атаки имеются ограниченные экспериментальные результаты [3, 4]. Цель данной работы получить оценку коэффициента подъемной силы тел звездообразной формы.

На основе модели невязкого газа реализован алгоритм согласованного расчета всех циклов, позволяющей построить обтекание звезды в целом, в том числе и при наличии угла атаки. Если кромки звездообразного тела являются сверхзвуковыми и около них реализуется режим течения с присоединенной ударной волной или волной разрежения, то внутри каждого цикла строится своя расчетная сетка. В зависимости от параметров геометрии возможно использование двух вариантов построения сетки: либо из набора лучей из кромок [5], либо из набора кривых Безье, соединяющих две кромки [6]. Если хотя бы одна кромка звездообразного тела является дозвуковой, то необходимо рассматривать течение около звёздообразного тела в целом. Сетка в этом случае строится с помощью конформного отображения внешности единичного круга на внешность звезды. Для всех способов построения расчетной сетки реализован алгоритм решения задачи о сверхзвуковом обтекании звездообразного тела на основе уравнений Эйлера в коническом приближении.

Тестовые расчеты в условиях, когда моделирование может быть реализовано при разных подходах к построению расчетной сетки, показали, что результаты по оценке аэродинамических свойств не зависят от использованного подхода, но для повышения качества разрешения ударных волн и других особенностей течения может требоваться значительно разное количество узлов расчетной сетки.

 Для подтверждения достоверности расчетного коэффициента нормальной силы проводились испытания в аэродинамической трубе серии моделей звездообразных тел при числе Маха М = 6 в диапазоне углов атаки до 10°. Результаты экспериментального и численного исследований хорошо согласуются.

Выполнены параметрические расчеты по числу Маха при угле атаки в один градус звездообразных тел с различным числом циклов при нескольких значениях стреловидности передней кромки. Результаты обработаны в параметрах линейной теории тонкого крыла. Важным является то, что существенный вклад в величину подъемной силы звездообразных тел вносит клиновидный профиль сечения. Данный факт для плоских крыльев показан в [7].

По результатам расчетов для звездообразного тела с числом циклов n = 4 предложена формула оценки коэффициента подъемной силы. В формуле к слагаемому, соответствующему линейной теории, добавляется член, который линейно зависит от величины угла между нормалью к поверхности тела и осью тела. Для прогнозирования характеристик с большим числом циклов (до n = 12) получен коэффициент изменения подъемной силы относительно коэффициента подъемной силы при n = 4.

Проведены расчеты в широком диапазоне изменения по углам крена и атаки. Для звездообразного тела с числом циклов n = 2 и 3 подъемная сила значительно зависит угла крена, а при n = 4 и больше зависимость подъемной силы от угла крена проявляется только при больших углах атаки. Результаты тестовых расчетов подтверждают, что разработанный метод моделирования позволяет проводить расчеты в широком диапазоне изменения определяющих параметров задачи, в том числе и при значительных углах атаки (до 25 градусов).

Решение в рамках уравнений Эйлера согласно предложенным в [2] методикам дополнено алгоритмами определения коэффициентов трения и донного сопротивления, что позволяет получить не только волновое сопротивление, но также и полное сопротивление звездообразного тела. По результатам расчетов получены зависимости полного сопротивления от параметров задачи. В частности, расчеты проведены для определения геометрических параметров звездообразного тела с минимально возможными значениями полного сопротивления.

Разработаны методы расчета обтекания звездообразного тела под углом атаки. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными по величинам аэродинамических коэффициентов. По результатам параметрических расчетов предложена модель оценки коэффициента подъемной силы в зависимости от определяющих параметров.

Литература
  1. Зубин М.А., Лапыгин В.И., Остапенко Н.А. Теоретическое и экспериментальное исследование структуры сверхзвукового обтекания тел звездообразной формы и их аэродинамических характеристик // Изв. АН СССР. МЖГ. 1982. Т. 17. № 3. С. 34–40.
  2. Остапенко Н.А. Аэродинамическое сопротивление пространственных тел со звездообразным поперечным сечением при сверхзвуковых скоростях и проблемы его расчета // Изв. РАН. МЖГ. 1993. T. 28. № 1. С. 57–69.
  3. Ведерников Ю.А., Гонор А.Л., Зубин М.А., Остапенко Н.А. Аэродинамические характеристики звездообразных тел при числах М = 3-5 // Изв. АН СССР. МЖГ. 1981. Т. 16. № 4. С. 88–93.
  4. Зубин М.А., Остапенко Н.А. Аэродинамические характеристики и запас устойчивости конических звездообразных тел сверхзвуковых скоростях // Изв. АН СССР. МЖГ. 1992. T. 27. № 6. С. 142–150.
  5. Зубин М.А., Максимов Ф.А., Остапенко Н.А. О некоторых особенностях структуры течения в ударных слоях конических течений газа // Изв. АН СССР. МЖГ. 2014. T. 49. № 6. С. 118–134.
  6. Максимов Ф.А., Остапенко Н.А. V-образные крылья с углом раскрытия, большим π, при сверх- и гиперзвуковом обтекании // Доклады РАН. 2016. Т. 469. № 6. С. 680–685.
  7. Келдыш В.В. Влияние формы несущего тела на его подъемную силу при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета // Ученые записки ЦАГИ. 1974. Т. 5. № 2. С. 19–26.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.