CC BY
2Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 38
www.mai.ru/science/trudv/
УДК: 629.73.001.63
Методика расчетного анализа особенностей распространения реактивных струй при взрыве пневматика в нише шасси
Ю.А. Сорокин
Аннотация
В статье описывается разработанная автором методика для определения воздействие струи в случае взрыва шины в нише шасси. При анализе последствий такого взрыва важно знать общую картину растекания струй, параметры возникающих потоков и особенности их взаимодействия с преградами. Впервые в практике отечественных ОКБ предложен системный подход к анализу параметров упомянутых струйных течений на основе вычислительных методов газовой динамики. Автором проведена серия прикладных расчетов применительно к семейству самолетов ЯШ (8икЬо1 Бирег^ 100), результаты которых использованы при корректировке компоновки с целью обеспечения требований по безопасности полета, выдвигаемых как отечественными, так и зарубежными авиационными правилами.
Ключевые слова
Шина; взрыв пневматика; ниша шасси; вычислительные методы газовой динамики; безопасность полетов.
Введение
При проектировании пассажирских самолетов особое внимание уделяется их безопасности и надежности. Пункт 25.729(1) авиационных правил АП/С8/РЛЯ-25 требует, чтобы «оборудование, необходимое для безопасной эксплуатации самолета, установленное на шасси и расположенное в нишах шасси, должно быть защищено от повреждения вследствие: взрыва пневматика, ...». Угрозу при разрушении шины представляет высоконапорная реактивная струя, истекающая через отверстие,
образующееся при разрыве. При взаимодействии с элементами конструкции, агрегатами и трубопроводами в нише шасси струя оказывает на них силовое воздействие, что может привести к их повреждению или разрушению, кроме того, возникает повышение давления в нише шасси.. Сложность поставленной задачи определяется взрывным характером процесса (давление внутри шины достигает 2-3 Мпа), скоротечностью процесса истечения сверхзвуковой струи (десятые доли секунды) и сложностью структуры течения, состоящего из сверхзвуковых и дозвуковых зон.
В настоящее время методика определения соответствия требованиям авиационных правил только разрабатывается. Единственным документом, обобщающим имеющуюся информацию по данной научно-технической проблеме, является Certification Review Item (CRI) D-05, подготовленный European Aviation Safety Agency (EASA). Однако в данном документе приводится лишь рекомендация по определению зон распространения реактивных струй (рис. 1): струя воздуха принимается в форме конуса с углом 36 градусов с осью, перпендикулярной поверхности шины в точке возникновения повреждения. Пределы оси конуса принимаются равными ±100 градусов относительно плоскости симметрии колеса в центральной части шины, если только конструкция колеса и шины не образует меньшую величину угла диапазона. Имеются сведения о результатах некоторых экспериментальных работ, [1-4], однако имеющиеся в них данные не позволяет широко применять их результаты при решении рассматриваемой задачи.
Автором предложена методика определения воздействия реактивных струй, возникающих при разрыве шины, разработанная на основе численных расчетных исследований и включающая в себя следующие этапы (рис. 2):
1. Определение поражающих факторов, воздействующих на элементы ниши шасси
Рис. 1. Модель образования реактивной струи при разрушении шины.
в случае разрушения шины.
2. Построение трехмерных моделей для определения критических систем и их компонентов, попадающих в зоны возможного воздействия струи и влияющих на безопасную эксплуатацию самолета.
3. Определение параметров газа внутри шин и в нише шасси для заданных расчетных случаев.
4. Проведение расчетных исследований с целью определения параметров взаимодействия реактивной струи с элементами ниши шасси.
5. Анализ по результатам расчетных исследований последствий воздействия струи на работоспособность функциональных систем и на безопасную эксплуатацию самолета, определение возможных критических ситуаций.
6. Проведение мероприятий по обеспечению безопасности в случае возможного разрушения шин, заключающихся в уточнении компоновки компонентов систем с целью исключения критических ситуаций, проведении (при необходимости) расчетных оценок нагруженности компонентов систем, подверженных воздействию струи и организация их конструктивной защиты.
Рис. 2. Алгоритм расчетного анализа.
Течение, возникающее при разрушении шины, является трехмерным, вязким и турбулентным, состоящим из дозвуковых и сверхзвуковых зон, взаимодействующих как с твердыми стенками, так и с отраженными течениями. Поэтому в расчетных исследованиях с использованием инструментов вычислительной газовой динамики важное значение имеет выбор модели турбулентности. Проведенные различными авторами исследования показали [5], что картины течения, возникающие при взаимодействии струи и преграды, полученные экспериментально и численно, совпадают качественно и имеют хорошую количественную сходимость в случае моделирования трехмерного течения вязкого газа с применением модели переноса касательных напряжений - «SST к-ш модели» (SST - Shear-Stress Transport).
Р, KricM2 Л G ^ У/ -; 4 x ■
j
f f f ЛС LHJ.UUU и — — -t=0 025 с t=0 D50 с
/ f%
f I
i 0 .
1 5 . \
V __J C\
0 5 ■
-
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Ry(oT оси кон\са|,м
Рис. 3. Пример распределения давления на преграде.
Примеры результатов параметрических расчетных исследований распространения реактивных струй при разрыве шины в нише шасси, выполненных автором для типовых параметров шин пассажирских самолетов, представлены на рис. 3 и 4. Пример картины течения и распределения давления по преграде при угле встречи струи с преградой 60 градусов представлен на рис. 3. На основании полученных данных может проводиться анализ нагружения элементов ниши шасси с целью выдачи исходных данных для расчета на прочность и выдачи рекомендаций по проектированию ниши шасси.
С целью верификации расчетных исследований было проведено их сравнение с данными, полученными различными авторами. На рис. 4 наблюдается хорошая
сходимость при сравнении результатов (по максимальной величине давления на преграде при разном расстоянии до преграды) численного расчета с экспериментальными данными, представленными в [1]. Качественное сравнение полученных расчетных картин течения с результатами, полученными в ЦАГИ [3, 4], показало правильное отображение по результатам расчетов сложной структуры течения при натекании струи как по нормали к преграде, так и под углом к преграде (рис. 5).
Р., „„= 18.47 и7см;, Н=0. градус«. = 60 9 ии
Р. м'<-м"
-на осп струи А Данные эксперимента [3], приведенные к параметрам пневматика, использованным в численном исследовании автора
\
\
\
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Ц""
Рис. 4. Давление на плоской преграде при разных расстояниях до разрыва.
Рис. 5. Структура течения сверхзвуковой реактивной струи.
Заключение
• Разработана методика и составлен алгоритм расчетного анализа воздействия реактивных струй, возникающих при разрыве шины, на элементы конструкции и агрегаты систем в нише шасси.
• По результатам численного исследования выявлены особенности течения, возникающего при взаимодействии сверхзвуковой струи с преградой.
• Проведены параметрические расчеты и получены зависимости давления от времени, от расстояния между отверстием разрыва и преградой, от угла встречи струи с преградой.
• Показано, что результаты численного исследования удовлетворительно согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
Библиографический список
[1] Боброва Ю.В. Экспериментальная оценка воздействия газодинамического импульса на элементы конструкции при разрыве пневматика. //«Авиакосмическая техника и технология», №1, 2005 г.
[2] Боброва Ю.В. Расчет воздействия реактивной струи на стенки ниши шасси. //«Авиакосмическая техника и технология», №1, 2005 г.
[3] Мельникова М.Ф., Нестеров Ю.Н. Воздействие сверхзвуковой нерасчетной струи на плоскую преграду, перпендикулярную оси струи. // «Ученые записки ЦАГИ», т. II, №5, 1971 г.
[4] Анцупов А.В., Благосклонов В.И., Пимштейн В.Г. Взаимодействие перерасширенной струи газа с плоской преградой. //«Ученые записки ЦАГИ», т. IV, №1, 1973 г.
[5] Menter F. R., Kuntz M., and Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model //"Turbulence, Heat and Mass Transfer", №4, 2003
Сведения об авторе
Сорокин Юрий Анатольевич, инженер-конструктор ОАО "ОКБ Сухого" 117647, Москва, ул. Профсоюзная, 115-2-399, тел. +7(964) 796-52-81, Sorokin.Yu@gmail.com
