CC BY
79
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 125
УДК.533.6.011
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУЛЯ В ЗАКРУЧЕННОМ ПОТОКЕ ВИНТОКОЛЬЦЕВОГО ДВИЖИТЕЛЯ
П.А. ЧЕРНУХА, А.Р. ЧИЛИНГАРОВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Калугиным В.Т.
В работе экспериментально и теоретически исследовано обтекание системы "транспортное средство -винтокольцевой движитель - аэродинамический руль" с учетом интерференционных эффектов. Изучено влияние различных степеней затенения на распределение скоростей перед винтом и за ним, получены экспериментальные значения аэродинамических характеристик для различных углов отклонения рулевой поверхности. Предложен инженерный подход к определению расчетных значений управляющих силы и момента.
В последнее время широкое распространение получили транспортные средства (ТС) на воздушной подушке и аэросани. Они позволяют доставлять грузы и людей в районы, не предназначенные для движения техники на колесном или гусеничном шасси, и могут с успехом передвигаться по снегу, воде и суше при скоростях, соответствующих М¥<0,25. Управление такими аппаратами связано со значительными трудностями из-за малости скоростного напора набегающего потока. Традиционные аэродинамические органы управления малоэффективны и для создания необходимых управляющих усилий должны быть значительных размеров, а применение других, например, струйных, затруднительно. Одним из возможных вариантов является расположение управляющих поверхностей в спутной струе движителя, обладающей большей, по сравнению с набегающим потоком, энергией. Как правило, для повышения тяги движитель размещается в кольце. В свою очередь, в связи с ограниченными размерами транспортных средств управляющая группа "винт - кольцо - руль" располагается вблизи транспортного средства. Это приводит к сложному взаимодействию между винтокольцевой группой и корпусом, приводящему к изменению управляющих сил на руле.
Анализ существующих в настоящее время малоскоростных транспортных средств позволил классифицировать их по степени влияния конструкции судна на работу движителя.
По величине затенения выделяются конструкции со слабым затенением (величина затенения Бзат = Бзат /Бкан < 20 %); со средним затенением (Б зат = 20 % 50%) и со значительным
затенением (Б зат > 50 %), здесь 8зат - площадь затенения; Бкан - площадь входного сечения канала. По удаленности от входа можно выделить конструкции с близким расположением затеняющих элементов (расстояние Я = Я/Якан = 0 0,25); со средним удалением затеняющих элементов (Я = 0,25 0,5) и с удаленным расположением затеняющих элементов
(Я > 0,5) (где Я - текущее расстояние; Якан - радиус входной части канала).
Целью настоящей работы явилось экспериментальное и численное исследование влияния степени затенения и его удаления на аэродинамические характеристики системы "винт -кольцо - руль", определение закономерностей в управляющих силах и моментах при изменении скорости движения ТС и угла поворота руля.
Для моделирования влияния корпуса ТС была использована масштабная модель аэросаней АС-2 ОАО "Туполев" (рис. 1), а также плоские модели затенения, представляющие собой сегменты окружности с закруглением, равным радиусу входного сечения канала, и площа-
дью 8зат =10 %; 20 %; 30 %; 50 % и 70 %, которые размещались на различном удалении от входа в канал. Скорость потока в рабочей части аэродинамической трубы составляла У¥ =10 м/с 25 м/с. Рулевая поверхность представляла собой одиночную профилированную пластину толщиной с = с/Ь = 0,03 и размахом Ь = 300 мм, где Ь - хорда пластины.
Рис. 1. Модель аэросаней АС-2
На рис. 2 представлено распределение скорости за винтокольцевой группой при нулевой степени затенения входного сечения канала кольца и У¥ = 0, полученное в результате проведенных испытаний. Поле скоростей за винтом близко к симметричному относительно его оси.
Экстремумы скорости определяются геометрией винта, а минимум, находящийся в районе оси симметрии, связан с влиянием центральной втулки.
Скорость набегающего потока V
Рис. 2. Распределение скорости при 8 зат = 0
На рис. 3 показано распределение полного давления для различных степеней затенения входного канала. При малых значениях 8 зат появляется область разрежения, вызванная появлением зоны отрывного течения, которая увеличивается по мере возрастания 8 зат , внося тем самым сильную асимметрию в поток. Сделанный вывод был подтвержден с помощью визуализации потока методом шелковинок. Также было получено, что угол скоса потока перед рулевой поверхностью будет иметь различный знак по разные стороны от оси канала и каждое сечение рулевой поверхности будет обтекаться под углом а = 5 ± е, где 5 - угол отклонения руля; е - местный угол скоса потока. Это приводит к появлению момента крена, обусловленного различным значением управляющей силы на консоли рулевой поверхности.
Рис. 3. Распределение давления за винтом: а) - 8 зат = 30 %; б) - 8 зат = 50 %
Проведенные весовые эксперименты позволили получить интегральные характеристики аэродинамических сил и моментов, приложенных к системе "руль - кольцо" при изменении
угла поворота руля 5 для различных значений 8заТ и К.
При отсутствии внешнего потока (рис. 4) и К = 0 с увеличением степени затенения происходит существенное изменение характера зависимостей управляющих силы У и момента
М2. Для всех 8 зат значения У и М2 при 5 = 0 отлично от нуля. Для больших степеней затене-
ния (8 зат = 50 % и 70 %) сила У будет направлена в одну и ту же сторону при положительном и отрицательном углах отклонения руля, а момент М2 будет минимальным. По мере уменьшения расстояния К влияние затенения постепенно снижается.
а) б)
Рис. 4. Управляющие сила и момент системы "руль-кольцо" (К = 0)
На рис. 5 представлены зависимости аэродинамической силы и момента для различных значений 8зат , а также для модели аэросаней АС-2 при наличии внешнего потока
(У¥ = 20 м/с). Для больших значений затенения 8зат наблюдаются изменения в характере зависимостей кривых У(5) и М2(5). Из представленных данных видно, что искусственное затенение отображает реальный характер изменения аэродинамических характеристик.
Для получения расчетных значений аэродинамических характеристик аэросаней был использован комбинированный подход, сочетающий численное моделирование обтекания транспортного средства дозвуковым потоком, расчет поля скорости за винтом движителя по теории Н. Е. Жуковского и осреднение поля скорости на выходе кольцевого канала с использованием уравнения количества движения.
а) б)
Рис. 5. Управляющие сила и момент в присутствии модели аэросаней АС-2
Расчет профиля скорости перед входом в канал был проведен с использованием численного метода контрольного объема. Для этого была математически описана поверхность аэродинамических саней в плоскостях, совпадающих с плоскостями продольной и поперечной симметрии канала (рис. 6). В результате расчетов были получены неравномерные профили скорости перед входом в канал, которые аппроксимированы в зависимости от расстояния г между текущей точкой и осью вращения винта и угла у следующим соотношением:
10 (, . _20 .г /1 _ _ _30 .Л\ _/1 -50 .г \ Л
V (г, у)=
----(1 -5-є-20 г-(1 -1.2-є-30 г ))у+ 30-(1 -
Р
)° <У<|%
- -(u - 25
Р
+ є
- 20-г
)у+(50-u)-є 20-г,-Р<у<р.
где Увв(г) - профиль скорости в вертикальной плоскости симметрии кольца при у > 0, Увн(г) -профиль скорости в вертикальной плоскости симметрии для значений у < 0, Уг(г) - профиль скорости в горизонтальной плоскости симметрии кольца.
Рис. 6. Расчетная сетка
С учетом неравномерности профиля скорости в диффузоре винтокольцевого движителя по методу [1] определялись параметры потока перед аэродинамическим рулем.
Для расчета управляющей силы и момента крена поверхность делилась на две равные части, которые обтекались осредненным потоком. Считая, что У, создаваемая каждой половиной руля, приложена на расстоянии Ь/4 от концевой хорды руля, вычислялся момент пары сил, являющийся искомым моментом крена.
Результаты расчета показали, что численные значения аэродинамических характеристик, полученные с помощью данного подхода, дают удовлетворительное согласование с экспериментальными данными во всем рассмотренном диапазоне угла отклонения руля, соответствующего его безотрывному обтеканию (рис. 7).
е
Рис. 7. Сравнение расчетных и экспериментальных данных управляющей силы аэросаней
(V = 20 м/с)
Результаты исследований показали, что на характеристики управляющих устройств оказывает существенное влияние степень затенения набегающего на движитель потока. С увеличением степени затенения уменьшается эффективность рулевых поверхностей, причем интенсивность изменения силовых и моментных характеристик зависит от направления отклонения рулей. Определен эффект возникновения момента крена, возникающего за счет существенно неравномерного профиля скорости потока, взаимодействующего с рулевой поверхностью. Получены несимметричные зависимости управляющего момента относительно нулевого угла отклонения руля, объясняемые наличием углов скоса потока.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жуковский Н.Е. Вихревая теория гребного винта. - М-Л.: Г остехиздат, 1950.
INTERFERENCE INFLUENCE OF VEHICLE CONSTRUCTION ELEMENTS ON AERODYNAMICS CHARACTERISTICS OF CONTROL SURFACE IN TWIST STREAM FROM
MOVER RING PROPELLER
Chernukha P.A., Chilingarov A.R.
The interaction between several parts of the system "screw-ring" of the low-speed vehicle has been researched. The influence of different parts of the blanketing has been studied. Velocity distribution in front of control surface has been founded. Aerodynamics characteristics have been founded by using exhaust-and-forced method.
Сведения об авторах
Чернуха Полина Алексеевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001), кандидат технических наук, доцент 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 8 научных работ, область научных интересов - самолето- и вертоле-тостроение.
