CC BY
68
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта
№ 147
УДК: 533.601 (075.8)
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ГОНДОЛЫ И ОПЕРЕННОГО КОРПУСА ДИРИЖАБЛЯ
НГУЕН КУОК ТХАНГ, Н.В. СЕМЕНЧИКОВ, ЧЫОНГ МИНЬ ТУАН, О.В. ЯКОВЛЕВСКИЙ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Приводятся результаты численных исследований обтекания оперенного корпуса дирижабля с гондолой дозвуковым потоком вязкого воздуха. Получены данные об аэродинамическом взаимодействии гондолы и корпуса дирижабля при малых и больших углах атаки. Показано влияние относительных размеров гондолы и ее положения на корпусе на параметры аэродинамического взаимодействия гондолы и оперенного корпуса дирижабля.
Ключевые слова: аэродинамическая интерференция, дирижабль.
Дирижабли, предназначенные для выполнения различных задач, например, для туризма, наблюдения за движением на дорогах и других целей, имеют специальную гондолу для размещения экипажа и пассажиров. Установка гондолы на корпусе дирижабля приводит к изменению его аэродинамических характеристик, особенно заметному при движении дирижабля со скольжением, когда наблюдается увеличение поперечной силы и момента рыскания. В настоящее время имеются лишь фрагментарные сведения о влиянии гондолы на суммарные аэродинамические характеристики дирижабля (см., например, [1]). Однако практически отсутствуют данные о влиянии различных надстроек, установленных на корпусе дирижабля, и в том числе формы, относительных размеров и места установки гондолы на корпусе дирижабля на параметры обтекания и аэродинамику дирижабля особенно при полете со скольжением.
Целью данной работы являлось изучение аэродинамической интерференции гондолы и оперенного корпуса дирижабля классической схемы при ненулевых углах скольжения и при различных относительных продольных и поперечных размерах гондолы. Численные исследования проведены при углах скольжения в = 0.. .70°, угле атаки а = 0, числе Рейнольдса (подсчитанном по длине корпуса дирижабля L и скорости невозмущенного потока V¥) Re = 3,2х106.
Исследуемый объект состоял из корпуса с установленным на нем оперением с трапециевидными консолями, ориентированными по схеме "х", и гондолы. Винтомоторная группа отсутствовала. Рули находились в неотклоненном положении.
Корпус дирижабля представлял собой гладкое тело вращения с удлинением L/D = Хф = 4,5, где D - диаметр миделевого сечения корпуса. Координаты контура тела в плоскости хоу, связанной с корпусом системы координат с началом в вершине корпуса, определялись соотношением [2]:
y = 0,972D[ x (1 - x )(1,5 - x )]1/2,
где x = x/L.
Консоли оперения были трапециевидными, имели угол стреловидности по передней кромке Хпк = 50°, угол стреловидности по задней кромке хзк = 0 и были установлены на корпусе так, что начало бортовой хорды консоли находилось на расстоянии 0,77L от его вершины. Площадь двух консолей составляла 0,45 W2/3, где W - объем корпуса дирижабля. Консоли были образованы постоянным по размаху симметричным профилем серии NACA с постоянной относительной толщиной, равной 0,08.
Г ондола представляла собой в своей центральной части параллелепипед постоянной ширины по длине его основания и имела закругленные носовую и кормовую части. Радиус закругле-
ния был равен половине ширины гондолы. Отклонение боковых граней гондолы от вертикали могло варьироваться и характеризовалось углом f . Относительная длина гондолы изменялась
в пределах l г = lrID = 0,92...1,22, относительная ширина гондолы b г = brID = 0,102...0,204, относительная высота h г = hrID = 0,038...0,128, угол отклонения боковых граней от вертикали f =
0...15°, расстояние от вершины корпуса до вершины носовой части гондолы хг = хт/Ь = 0,25...0,35.
Для решения задачи использовались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, записанные для пространственного случая течения [3] и замкнутые моделью турбулентности «£-8». На поверхности корпуса гондолы и консолей дирижабля ставилось условие прилипания, на входе в счетную область задавалась скорость невозмущенного потока. Задача решалась численно. Расчетная сетка имела блочную структуру. Структура счетной области выбиралась из условия минимизации количества ячеек, форма которых ухудшала сходимость и аппроксимацию. Для достоверного определения газодинамических параметров сетка была адаптирована к особенностям течения и имела сгущение у поверхности тела в области развитого пограничного слоя.
В результате расчетов были получены параметры потока в расчетных точках, найдены коэффициенты сил и моментов, действующих на рассматриваемый корпус с различными вариантами гондолы. Коэффициенты аэродинамических сил и моментов приведены в связанной с корпусом системе координат с началом в центре объема корпуса дирижабля. Ось ОХ этой системы была направлена вдоль оси корпуса от вершины к его корме, ось OY - перпендикулярно оси ОХ в направлении от гондолы, осьOZ - так, как это имеет место в правой системе координат. Коэффициенты аэродинамических сил отнесены к W2/3. Коэффициенты моментов были подсчитаны относительно центра объема корпуса и отнесены к W. Центр объема располагался на расстоянии 0,45L от его вершины.
Для определения влияния гондолы на аэродинамические характеристики дирижабля при каждом угле скольжения рассчитывались коэффициенты аэродинамических сил и моментов оперенного корпуса с гондолой и оперенного корпуса без гондолы. Влияние изменения углов скольжения, геометрических параметров гондолы и ее положения на корпусе на аэродинамические характеристики дирижабля характеризовалось величинами приращений коэффициентов аэродинамических сил и моментов ДСх, ДСу, ACz, Дтх, Дту, Amz, где
ДСх Схопф+г - Cхопф, ДСу Суопф+г - Cуопф, ДCz Сгопф+г - Czопф,
Дтх тхопф+г - mхопф, Дту туопф+г - myопф, Дт mzопф+г - mzопф.
Здесь индекс"опф+г" обозначает аэродинамические характеристики оперенного корпуса с гондолой, а индекс "опф" обозначает аналогичные характеристики оперенного корпуса без гондолы.
На рис. 1 - 3 изображены расчетные зависимости, позволяющие составить представление о влиянии изменения геометрических параметров гондолы и ее положения на корпусе на аэродинамические характеристики дирижабля при различных углах скольжения. Заметим, что хотя расчеты проведены для углов скольжения в вплоть до 70°, реальное представление о влиянии гондолы на аэродинамические характеристики дирижабля можно составить только в случае углов в < 40°...45°. При больших углах скольжения вихревая система рассматриваемого корпуса дирижабля может потерять свою симметрию относительно плоскости изменения углов скольжения и быть неустойчивой. Действующие на дирижабль при этом силы и моменты в реальных условиях могут существенно отличаться от тех, которые наблюдаются в расчете.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Установка гондолы на корпус нарушает симметрию его обтекания относительно плоскости изменения углов скольжения. Поэтому естественно ожидать, что в наибольшей степени на аэродинамические характеристики оперенного корпуса с гондолой будет влиять изменение таких ее параметров, как высота, длина и расположение гондолы на корпусе. Изменение ширины гондолы и отклонения ее боковых стенок от вертикали должно оказывать меньшее влияние на изменение аэродинамических характеристик оперенного корпуса за счет гондолы. Прежде всего за счет влияния гондолы должны измениться продольная и поперечная силы и момент рыскания аппарата.
На рис. 1 приведены зависимости ДСх, ДСу, ДСг, Дтх, Дту, Дтг = _Дв), рассчитанные по приведенным выше формулам для случая, когда изменялся один из основных параметров гондолы -ее высота. Видно, что отмеченные зависимости нелинейны по углу скольжения и могут иметь
сложный нерегулярный характер. Изменение относительной высоты к г сильно влияет на приращения коэффициентов аэродинамических сил и моментов. С ростом параметра к г при всех углах в в диапазоне в < 20° величины коэффициентов ДСХ, ДС2, Дтх, Дту растут. При этом с
ростом угла в темп падения величин коэффициентов ДСХ корпуса с гондолой при к г = 0,128
значительно больше, чем у корпуса с гондолой небольшой высоты (к г = 0,038). При в > 10° гондола сильно увеличивает путевую неустойчивость при переднем ее расположении на корпусе ( х г = 0,3).
Особенностью влияния гондолы на аэродинамические характеристики оперенного корпуса является то, что при ее установке на корпусе и оперении индуцируются дополнительные нормальная сила, продольный момент и момент крена. На рис. 1 видно, что при в < 20° индуцированные гондолой нормальная сила, моменты крена и тангажа невелики или близки к нулю. Увеличение параметра к г вызывает рост величин коэффициентов Дтх и Дтг. При углах в > 20° наблюдается сильный рост коэффициентов ДСу, ДС2, Дтх по углу скольжения при любых относительных
высотах гондолы, но более значительный для к г = 0,128. Для этой относительной высоты приращения коэффициентов продольной силы ДСх при в > 30° сильно возрастают по величине.
На рис. 2 представлены зависимости ДСх, ДСу, ДСг, Дтх, Дту, Дтг = _Дв) при изменении относительной длины гондолы I г при фиксированных остальных ее параметрах. Видно, что эти зависимости нелинейны по в и для отдельных коэффициентов имеют сложный характер. Изменение параметра Iг не влияет на характер протекания приращений ДСх, ДСу, ДС2, Дтх, Дту, Дтг по углу скольжения, но отражается на их величинах при в = Со^. При в < 20° рост параметра
Iг приводит к падению величин ДСх , к росту значений коэффициентов ДС2, Дтх, Дту и небольшому увеличению коэффициентов Дтг. Величины ДСу близки к нулю и почти не зависят
от этого параметра. Если углы в > 20°, рост величин ДСу, ДСг, Дтх по в и Iг продолжается, а
поведение ДСх, Дту и Дтг становится более сложным и нерегулярным по Iг. При в = 50° и Iг = 1,22 коэффициенты ДСу, ДСг, Дтх, |Дту|, |Дтг| достигают максимума, а максимум ДСх имеет
место при том же угле скольжения для I г = 0,92.
На рис. 3 показаны зависимости ДСх, ДСу, ДСг, Дтх, Дту, Дтг = _Дв) при изменении относительного расстояния от носка корпуса до начала гондолы хг . Сопоставление этих зависимостей с аналогичными, представленными на рис. 1-2, показывает, что характер протекания коэффициентов ДСх, ДСу, ДСг, Дтх, Дту, Дтг по углу скольжения в не зависит от изменения этого геометрического параметра гондолы и остается одинаковым для конкретного коэффициента. В различной степени изменяются только величины этих коэффициентов при в = Со^. Обнаружено, что влияние сдвига гондолы вдоль корпуса от его вершины к корме оказывается наиболее заметным. В то же время влияние относительной ширины гондолы Ь г проявляется в значительно меньшей степени, а влияние изменения угла фг оказывается наименьшим.
а)
в)
д)
б)
г)
е)
а)
в)
д)
б)
г)
е)
ЛИТЕРАТУРА
1. Засолов Р.А. Аэродинамические характеристики моделей дирижаблей. Труды ЦАГИ, вып. 2268, 1985.
2. Фомина Н.Н. Атлас форм корпусов дирижаблей. // Труды ЦАГИ, вып. 238, 1935.
3. Бондарев Е.Н., Дубасов В.Т., Рыжов Ю.А., Свирщевский С.Б., Семенчиков Н.В. Аэрогидромеханика. - М.: Машиностроение, 1993.
AERODYNAMIC INTERFERENCE OF A NACELLE WITH AIRSHIP TAILED BODY
Nguen Quok Thang, Semenchikov N.V., Chyong Minh Tuan, Yakovlevsky O.V.
The numerical investigation results on the aerodynamic characteristics of tailed - body airship equipped with a nacelle in a viscous airflow are presented. Data are given on the aerodynamic nacelle - body interaction at low and high angles of attack. The influence of the nacelle relative geometrical parameters and nacelle location on the airship aerodynamic characteristics is shown.
Сведения об авторах
Нгуен Куок Тханг, 1983 г.р., студент - дипломник кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), область научных интересов - аэродинамика летательных аппаратов.
Семенчиков Николай Витальевич, 1941 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1964), кандидат технических наук, профессор кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), автор более 120 научных работ, область научных интересов - вихревые, струйные и отрывные течения, аэродинамика летательных аппаратов.
Чыонг Минь Туан, 1983 г.р., студент - дипломник кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), область научных интересов - аэродинамика летательных аппаратов.
Яковлевский Олег Васильевич, 1932 г.р., окончил МФТИ (1955), кандидат технических наук, профессор кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), автор более 130 научных работ, область научных интересов - турбулентные струйные течения, аэроакустика, аэродинамика летательных аппаратов и промышленная аэродинамика.
