CC BY
89
УДК 533.6.011
В.Т. Калугин, АХ. Г олубев, EX. Столярова, ПА. Чернуха
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ ПОДВЕСНОГО КОНТЕЙНЕРА С ПАССИВНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ
Проведено численное моделирование структур обтекания систем пассивной аэродинамической стабилизации (СПАС), включающей проницаемые жесткие конуса или аэроди-( ).
скорость набегающего потока, угол скольжения (при а=0°), геометрические характери- . . аэродинамичесжие характеристики (АДХ) конструкции в виде зависимостей коэффициентов продольной силы cx, поперечной силы cz и момента рыскания my от угла скольжения fi при различной геометрии контейнеров и видов СПАС.
Устройства пассивной стабилизации; структуры обтекания; аэродинамические ха.
V.T. Kalugin, A.G. Golubev, E.G. Stolyarova, P.A. Chernukha
NUMERICAL FLOW SIMULATION AROUND THE CONTAINER WITH PASSIVE AERODYNAMIC STABILIZATION
Numerical simulation of flow around the container with passive aerodynamic stabilization system (PASS) were carried out. PASS included or aerodynamic shields or perforated cone. The main parameters of the simulation were: free-stream velocity, sideslip angle, geometric parameters of containers. Detailed analysis of the flow structures were carried out. Aerodynamic coefficients of the various stabilization systems were detected and recommendations on their usage were given.
Passive stabilization system; flow structure; aerodynamic property.
Задача повышения скоростных режимов полета вертолетов с переносимыми на внешней подвеске грузами-контейнерами остается актуальной и требует разработки новых и совершенствования существующих устройств стабилизации, позволяющих повысить их устойчивость в полете. Обтекание грузов, перевозимых на внешней подвеске летательных аппаратов (ЛА), сопровождается отрывом потока с образованием нестационарных, периодически повторяющихся срывов вихрей. Такое обтекание вызывает раскачку подвесных элементов (контейнеров) с недопустимыми амплитудами и может приводить к аварийным ситуациям. Известно, что активные методы стабилизации, предполагающие непосредственное участие пило, , время как пассивные методы [1, 2] с применением аэродинамических средств являются более простыми и легкими в эксплуатации.
Ранее авторами был проведен комплекс экспериментальных исследований [3, 4], предусматривавший выбор одной-двух систем стабилизации из большого многообразия возможных констуктивных решений. Критерием выбора служила .
стабилизатором в виде перфорированного конуса. В качестве второй возможной
( ).
Целью настоящих исследований являлся численный расчет АДХ системы «груз-стабилизатор» при изменении углов скольжения Р и выбор типа СПАС, устраняющей колебания контейнеров при скоростях полета 0.. .45 м/с.
Как показали проведенные исследования, работа системы стабилизации во многом определяется геометрическими параметрами груза-контейнера. На рис. 1 и 2 представлены схемы исследуемых СПАС и их основные геометрические параметры. Здесь Ь, а, Ь - соответственно длина, высота и ширина груза-контейнера; йщ, Ьщ - высота и ширина щитка; 8к-р - угол отклонения щитка (стабилизатора). Для системы с перфорированным конусом: рк - угол полураствора конуса; к, I - высота надстройки для крепления конуса и длина крепления. Для характеристики перфорации вводится параметр 5- степень перфорации, 5 = ^2^, где £50тв - суммарная площадь всех отверстий перфорации, 5К - площадь поверхности конуса.
Рис. 1. Схема СПАС со стабилизирующими щитками
Рис. 2. Схема СПАС с перфорированным конусом: 1 - щитки;
2 - надстройка для крепления конуса; 3 - перфорированный конус
Расчёт грузов-контейнеров со СПАС проводился в коммерческом пакете Fluent (лицензия № LA 18-03-03) с использованием DES модели турбулентности. Комбинированная расчётная сетка сочетала тетраэдры во внешнем потоке и элементы в форме усечённых пирамид в области пограничного слоя. Граница расчётной области представляла собой параболоид вращения. В зависимости от геометрии модели количество тетраэдров составляло от 2 до 4 млн.
Структуры, соответствующие обтеканию контейнеров с длиной 0,51, 0,751, 1 и различными системами стабилизации, представлены на рис. 3.
При обтекании контейнеров малой длины без СПАС отрывная зона охватывает всю поверхность (рис. 3,а). В этом случае щитки находятся практически полностью в области отрывного возмущённого течения (рис.3,в) и повышают неус. -зовать перфорированный конус, вынесенный за пределы области возмущенного ( . 3, ).
Рис. 3. Линии тока вокруг контейнеров различного удлинения при наличии стабилизирующих устройств и без них (У,=25 м/с; о. = 0°; В = 0°): а, в, д: 0,5Ь; б, г, е: 1,0Ь
Следует отметить, что система стабилизации с перфорированным конусом может быть применима также для грузов произвольной геометрической формы, перевозимых на внешней подвеске вертолёта. С увеличением длины контейнера при неизменном поперечном сечении, поток присоединяется на поверхности груза (рис. 3,6), и в этом случае перед аэродинамическими щитками формируется локальная область отрыва, не оказывающая существенного влияния на устойчивость системы. Для контейнеров с промежуточной длиной 0,75Ь наблюдаю тся пульсации области отрыва.
Были получены зависимости аэродинамических коэффициентов продольной силы сх, поперечной силы сг и момента рыскания ту от угла скольжения р для трех различных длин. Две последние зависимости представлены на рис. 4.
б
Рис. 4. АДХконтейнеров различного удлинения при наличии стабилизирующих устройств и без них (V, =25 м/с,а = 0°):
а, б: —Ж" -0,51 “•
-0,75Ь -1,0Ь ш - 1,0Ь эксперимент
0,5Ь с длиной 1=0,2 м -1,01, с 1=0,2 м ® -1,0Ь 1=0,1 м
в
Коэффициенты поперечной силы и момента рыскания контейнеров со щитками в зависимости от угла Р практически одинаковы для всех исследованных удлинений. При р>10° наибольшим моментом обладает контейнер с 0,5£. Что касается сопротивления для СПАС с аэродинамическими щитками в диапазоне малых углов р, то наибольшим обладают контейнеры малого удлинения 0,5^ что связано с воздействием на щиток повышенного динамического давления, обусловленного формированием отрывного течения в носовой части.
Для системы с перфорированным конусом были проведены параметрические исследования влияния длины плеча надстройки l на характер обтекания и . -
тер и определяется метоположением конуса относительно точки подвеса. Стабилизирующий момент рыскания возрастает с увеличением угла р, при этом, чем меньше удлинение, тем больше my. Расчеты показали также, что в данном случае
сх .
Выводы:
1.
, -
. -
метрическими параметрами груза-контейнера.
2. СПАС с аэродинаическими щитками подходит для стабилизации грузов с большим удлинением. СПАС с перфорированным конусом явлется наиболее универсальной и может быть настроена для всех исследованных видов .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Парш ет^ев СА. Научные основы и практические м етоды проведения экстренных авиационных работ с применением внешней подвески вертолетов: Аавтореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.14. - M., 2010.
2. . ., . ., . .
устройств на внешней подвеске летательных аппаратов // Научный вестник МГТУ ГА № 111. Сер. Аэромеханика и прочность». - М.: МГТУ ГА, 2007. - С. 105-109.
3. Киндяков Е.Б., Луценко AM., Столярова Е.Г. Исследование аэродинамических характеристик контейнера на внешней подвеске с системой стабилизации типа «поворотный щиток» // Научный вестник МГТУ ГА. № 125. Сер. «Аэромеханика и прочность». - М.: МГТУ ГА, 2008. - С. 98-102.
4. . ., . ., . .
//
. 151. . « ». - .: ,
2010. - С. 23-27.
Статью рекомендовал к опубликованию к.т.н. А.Ю. Луценко.
Калугин Владимир Тимофеевич - Московский государствен ный технический университет им. Н.Э. Баумана; e-mail: [email protected], 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1; тел.: 84992636385; факультет СМ; д.т.н.; профессор; декан.
Голубев Алексей Геннадьевич - e-mail: [email protected]; факультет СМ; кафедра динамики полета и управления движением ракет и космических аппаратов; старший преподава-.
Столярова Елена Глебовна - e-mail: [email protected], факультет СМ; кафедра динамики полета и управления движением ракет и космических аппаратов; к.н.т.; доцент.
Чернуха Полина Алексеевна - e-mail: [email protected], факультет СМ; кафедра динамики полета и управления движением ракет и космических аппаратов; к.н.т.; доцент.
Kalugin Vladimir Timoveefich - Bauman Moscow State Technical University; e-mail: [email protected]; 5, 2 Baumanskaya street, Moscow, 107005; phone: +74992636385; faculty of special machinery; dr. of eng. sc.; professor; dean.
Golubev Alexej Genad’evich - e-mail: [email protected], 2-nd Baumanskaya, 5, 105005, Moscow, Russia; phone: +74992636385; faculty of special machinery; the department of flight dynamics and motion control of missiles and space vehicles; senior lecturer.
Stolyarova Elena Glebovna - e-mail: [email protected], faculty of special machinery; the department of flight dynamics and motion control of missiles and space vehicles; cand. of eng. sc.; associate professor.
Chernukha Polina Alexeevna - e-mail: [email protected], faculty of special machinery; the department of flight dynamics and motion control of missiles and space vehicles; cand. of eng. sc.; associate professor.
