CC BY
66
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 111
УДК.533.6.011
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДОЗВУКОВЫМ ЗАКРУЧЕННЫМ ПОТОКОМ
В.Т. КАЛУГИН, П.А. ЧЕРНУХА, А.Р. ЧИЛИНГАРОВ
Приведены результаты экспериментальных исследований и аэродинамических характеристик рулевых поверхностей, установленных в спутной струе толкающего винта. Выявлены основные структуры обтекания одиночного диаметрального руля, установлены особенности изменения аэродинамических коэффициентов комбинаций управляющих поверхностей с учетом их взаимной интерференции.
Управление движением малоскоростных летательных аппаратов и транспортных средств (аэросаней и т.д.) сопряжено со значительными трудностями, так как небольшой скоростной напор при малых дозвуковых скоростях движения (М» = 0 0,25) делает неэффективным ис-
пользование традиционных аэродинамических органов управления. Решить эту задачу можно, разместив управляющие поверхности в спутной струе многолопастного воздушного винта [1], который используется в качестве движителя на таких аппаратах. Для повышения эффективности его работы и снижения внешнего шума винт целесообразно размещать в профилированном кольце. В этом случае рулевые поверхности, установленные за воздушным винтом, обтекаются сильнотурбулентным закрученным потоком, неравномерным как в продольном, так и в поперечном направлениях. Такой характер потока, взаимное влияние кольцевого канала, воздушного винта и рулей приводит к сложной картине обтекания и существенно усложняет определение силовых характеристик.
Исследовались конфигурации органов управления: с одним диаметрально расположенным рулем, с двумя параллельными рулями и с двумя взаимно перпендикулярными рулями (рис. 1). В качестве модели аэродинамической рулевой поверхности использовались плоские пластины различного удлинения 1 = 12/8хар = 1,5 + 4 (где 1 - размах пластины, 8хар = 1Ь - площадь пластины в плане; Ь - хорда пластины) постоянного размаха (1 = 300 мм), с закругленными передней, задней и боковыми кромками. Во всех экспериментах пластины располагались на расстоянии Т=1/1=0,033 от задней кромки канала. Относительная толщина пластинок изменялась в диапазоне с=с/Ь = 0,075 % + 2 %, углы поворота рулей 8 = -30° + 30° ие = -45° + 45°.
Для проведения экспериментов была создана аэродинамическая установка, моделирующая закрученный поток, обтекающий рулевую поверхность. Установка представляет собой воздушный винт, приводимый в движение электродвигателем и установленный в профилированном кольцевом канале. Модели рулевых поверхностей в ходе эксперимента закреплялись с помощью специальных поддерживающих устройств, вносящих минимальные искаже-
Рис. 1. Исследуемые схемы размещения органов управления
ния в поток. Пластина, на которой замерялись сила и момент, закреплялась в середине размаха с помощью тонкой державки-обтекателя на трехкомпонентных тензовесах.
В процессе проведения экспериментов с помощью термоанемометра постоянной температуры было получено распределение скорости в закрученном воздушном потоке за винтом в сечении, соответствующем положению передней кромки рулевых поверхностей. Установлено, что модуль вектора скорости изменяется вдоль диаметра канала. Вблизи центральной части наблюдались минимумы скоростей; в областях, симметричных относительно продольной оси канала и располагающихся на расстоянии половины длины лопасти винта явно выражены максимумы скорости [2].
Эти же области характеризуются всплесками угла скоса потока єр. Причем значения ер имеют различный знак по разные стороны от оси канала, что свидетельствует о различном направлении радиальной составляющей скорости потока. Вблизи оси канала возникает так называемый "вихревой жгут" (вихрь), обусловленный обтеканием центральной втулки воздушного винта. Ось вихря, вдоль которой существует зона разрежения, совпадает с направлением движения потока за винтом, а его закрутка сонаправлена с вращением воздушного винта.
Для установления влияния закрученного потока на структуру обтекания рулевой поверхности был проведен визуализационный и дренажный эксперименты на модели с диаметральным размещением руля в диапазоне изменения углов отклонения 5 = 0° 30°. В качестве
метода визуализации течения были использованы шелковинки, размещенные на верхней и нижней сторонах модели рулевой поверхности.
В результате были выявлены четыре основные структуры течения, характеризуемые углом 5 (рис. 2). В случае, когда угол отклонения руля меньше угла скоса потока, сечения руля, расположенные по разные стороны от оси канала, обтекаются под углами атаки различных знаков. Обозначим Ь половину руля, обтекаемую под положительными углами атаки при 5 = 0°, Я - половину, обтекаемую под отрицательными углами атаки.
І II
Рис. 2. Основные структуры течения при обтекании руля закрученным потоком
Структура I - обе половинки руля обтекаются безотрывно. Такое обтекание может наблюдаться при углах отклонения руля, близких к нулевым. Вблизи середины размаха пластины структура течения определяется сходящим с втулки винта "вихревым жгутом" и в этой области возможно возникновение отрывных течений с локальными закрытыми или открытыми отрывными зонами. На рисунке не показано течение около законцовок руля, поскольку они находятся в зоне взаимодействия спутной струи винта с внешним потоком.
Структура II - при 651 < 5 < 652, где 651 - угол поворота управляющей поверхности, при котором происходит зарождение и развитие отрыва потока с передней кромки руля (замкну-
тая зона циркуляционного течения), 5$2 - угол поворота управляющей поверхности, при котором на одной из консолей руля возможно существование открытой вниз по потоку отрывной зоны. Половинка Я обтекается под отрицательным углом атаки, и натекающий на нее поток растекается по пластинке. На половине Ь образуется замкнутая отрывная зона малой толщины с циркуляционным течением.
Структура III - при достижении угла отклонения пластины 5$3 изменение структуры течения завершается: зона циркуляционного течения распространяется на всю подветренную сторону рулевой поверхности, однако, отрывная зона на половине Я остается закрытой.
При достижении угла отклонения 5$4 перестройка течения завершается: в отрывном режиме обтекается 100 % размаха руля. Течение является полностью отрывным (структура IV).
Таким образом, в отличие от течения в равномерном потоке, при обтекании пластинки закрученным потоком смена режима течения с безотрывного (структура I) на отрывное (структура IV) происходит постепенно, а не скачкообразно. Отрывная зона распространяется вдоль размаха пластинки по мере увеличения угла ее отклонения.
Для сравнения различных схем расположения органов управления и исследования влияния конструктивных параметров аэродинамическая нормальная сила У и момент тангажа М2 приводились к безразмерным коэффициентам Су=У/(цср8хар) и ш2=М2/(цср8хар1), рассчитанным по осредненной скорости Vcp. Осреднение скорости проводилось по критерию равенства полного импульса исходного неравномерного и эквивалентного равномерного потоков [3].
Зависимости Су(5) для одиночной диаметральной управляющей поверхности представлены на рис. 3 Они не имеют выраженного излома кривой, характерного для зависимости коэффициента нормальной силы в равномерном потоке Су_равном(а), а линейный участок простирается до углов 5 » 12°, в то время как для зависимости Су_равном(а) линейный участок заканчивается при а = 6°
8° в зависимости от удлинения пластины. Сравнение величин
Су_равном(а) и Су _закр(5) при VсP = У»
показало, что при одном и том же отклонении руля Су_равном(а) >
Су_закр(5).
Положение центра давления х (5) для исследованного диапазона удлинений линейно изменяется от х » 0,25 при 5 близких 5° до х » 0,5 при 5 = 30° и мало зависит от 1.
В результате эксперимента с двумя параллельными рулями определены аэродинамические характеристики рулевых поверхностей удлинением 1 = 2 4, смещенных от продольной
оси канала в область максимума скорости. Смещенный подобным образом одиночный руль может быть отклонен либо к оси канала, в область больших скоростных напоров, либо от оси канала. Во втором случае значительная часть площади руля оказывается выведенной из потока за винтом, т.е. фактически перестает создавать управляющее усилие, что, однако, не сказывается отрицательно на эффективности конфигурации с двумя параллельными рулями. Это хорошо иллюстрируется зависимостью Су(5) для одиночного верхнего руля (рис. 4): на углах отклонения, соответствующих "выходу из потока”, абсолютные значения коэффициента Су меньше, чем для соответствующего угла отклонения к оси канала.
Рис. 3. Экспериментальные значения коэффициента Су модели с диаметрально расположенным рулем
Рис. 4. Зависимости Су(8) для верхнего руля при наличии нижнего и в его отсутствии
График Су(8) пересекает горизонтальную ось правее начала координат, т.е. при 8 = 0° на руль действует аэродинамическая нормальная сила, направленная от оси канала.
Установка второго параллельного руля симметрично относительно оси канала приводит к незначительному уменьшению (~15 %) значения Су(8) при отклонении руля "в поток". Для углов 8, соответствующих отклонению руля "из потока", увеличиваются абсолютные значения Су(8). Это трансформирует график зависимости Су(8) почти в прямую, т.е. управляющая сила У линейно зависит от угла поворота руля.
Суммарная аэродинамическая сила У2(8) для двух параллельных рулей за счет интерференции превышает нормальную силу на одном диаметральном руле эквивалентной площади У(8) во всем рабочем диапазоне углов отклонения 8 (рис. 5) в среднем на 20 %.
Влияние вертикального руля на аэродинамические характеристики горизонтального для конфигурации с взаимно перпендикулярными рулями показано на рис. 6.
Отклонение вертикального руля "смещает" зависимость Су(8) по вертикали и уменьшает угол ее наклона. Это означает, что при отклонении только одного из рулей на другом возникнет управляющая сила, которую необходимо парировать соответствующим отклонением руля.
Таким образом, в результате проведенного комплекса экспериментальных исследований обтекания органов управления транспортных средств дозвуковым закрученным потоком были выявлены основные структуры безотрывного и отрывного обтекания рулевой поверхности, определена последовательность их изменения. По результатам весовых экспериментов установлены закономерности изменения коэффициентов управляющей силы и момента руля, в зависимости от угла поворота управляющей поверхности и ее конструктивных параметров. Показано, что применение двух параллельных рулей приводит к увеличению управляющей
8Т н-
£ 4
”^"Два руля 1=4, 5 2=5 і
Один руль 1=2, 5 =51
-■-Два руля 1=3, 5 2=5 3
Один руль 1=1.5, 5 =5 2
Рис. 5. Зависимости суммарной нормальной аэродинамической силы Уе(8) двух рулей и нормальной силы одного руля У (8) эквивалентной площади
6
2
0
силы по сравнению с силой, создаваемой одиночным диаметральным рулем, а использование взаимно перпендикулярной схемы при отклоненном вертикальном руле приводит к созданию управляющей силы на горизонтальной поверхности даже при нулевом угле 5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Осташов В.Г., Сандлер Л.Б. Глиссирующие снегоходы-амфибии. - Новосибирск, 1991.
2. Калугин В.Т., Неманов И.О. Особенности обтекания аэродинамических рулевых поверхностей в закрученном потоке // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность. - 2002. № 50. С. 85 - 100.
3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1991.
EXPERIMENTAL SIMULATION OF AERODYNAMIC RUDDERS FLOWING BY THE
SUBSONIC TWIRLED FLOW
Kalugin V.T., Chernukha P.A., Ghilingarov A.R.
The results of experimental research of aerodynamic rudders flowing by the subsonic twirled flow are given. Main flow structures are obtained. The laws or aerodynamic force coefficients change due to interference effects are revealed.
Сведения об авторах
Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 200 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
Чернуха Полина Алексеевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001), кандидат технических наук, ассистент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 20 научных работ, область научных интересов - отрывные, струйные течения и управление процессами обтекания летательных аппаратов.
Чилингаров Александр Рубенович, 1963 г.р., окончил МАИ (1986), заместитель главного конструктора ОАО "Туполев", автор 7 научных работ, область научных интересов - самолето- и вертоле-тостроение.
Рис. 6. Зависимости Су(8) для горизонтального руля при различных углах отклонения вертикального руля
