CC BY
68
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 125
УДК: 629.73.001.63
МЕТОДИКА РАСЧЕТНОГО АНАЛИЗА ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕАКТИВНЫХ СТРУЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РАЗРЫВЕ ШИНЫ В НИШЕ ШАССИ, НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ И АГРЕГАТЫ СИСТЕМ САМОЛЕТА
Ю.А. СОРОКИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье описывается алгоритм анализа воздействия струи, образующейся при разрушении шины, на элементы конструкции и агрегаты систем самолета, расположенные в нише шасси, с использованием программных комплексов вычислительной газовой динамики. Приводятся результаты параметрических исследований
При проектировании пассажирских самолетов особое внимание уделяется безопасности и надежности самолетов, их систем и элементов. Накопленный опыт эксплуатации самолетов и статистические данные о повреждениях и отказах различных агрегатов ложатся в основу требований авиационных правил. Пункт 25.729(f) авиационных правил An/CS/FAR-25 требует: "оборудование, необходимое для безопасной эксплуатации самолета, установленное на шасси и расположенное в нишах шасси, должно быть защищено от повреждения вследствие: взрыва пневматика, ..." [1 ].
Угрозу при разрушении шины представляет реактивная струя, истекающая через отверстие, образующееся при разрыве. Являясь высоконапорной, эта струя при взаимодействии с элементами ниши шасси оказывает на них силовое воздействие, что может привести к повреждению или разрушению элементов конструкции, агрегатов и трубопроводов. Сложность задачи по определению параметров и характера воздействия реактивной струи на элементы ниши шасси и размещенные в ней агрегаты определяется взрывным характером процесса (давление внутри шины достигает 20 кг/см2 - 30 кг/см2), скоротечностью процесса истечения сверхзвуковой струи (десятые доли секунды) и сложностью структуры течения, состоящего из сверхзвуковых и дозвуковых зон. Кроме того, причиной последующего повреждения элементов ниши шасси может стать возникающее при этом повышение давления в нише шасси.
В настоящее время не существует готовых методик или рекомендаций по определению параметров возникающих струй и их взаимодействия с элементами ниши шасси. Методика определения соответствия (МОС) требованиям авиационных правил в настоящее время только разрабатывается Межгосударственным Авиационным Комитетом. Единственным документом, обобщающим имеющуюся информацию по данной научно-технической проблеме, является Certification Review Item (CRI) D-05 [2], подготовленный European Aviation Safety Agency (EASA). Однако в данном документе приводится лишь рекомендация по определению зон распространения реактивных струй, без указаний по оценке их газодинамических параметров, определяющих их возможное силовое воздействие на элементы ниши шасси.
Публикации, посвященные данному вопросу, весьма немногочисленны. В частности, имеются сведения о результатах экспериментальных работ, проведенных в рамках сертификации самолета Ту-204 [3, 4], и работы ЦАГИ, в которых описаны экспериментальные исследования по взаимодействию струи с преградой [5, 6], что не позволяет широко применять их результаты при решении рассматриваемой задачи.
В данной работе предлагается методика определения воздействия реактивных струй, возникающих при разрыве шины, разработанная на основе численных расчетных исследований.
Расчетный анализ включал в себя следующие этапы:
1) Определение поражающих факторов, воздействующих на элементы ниши шасси в случае разрушения шины.
2) Построение трехмерных моделей разрушения шин в нише и определение критических систем и их компонентов, попадающих в зоны возможного воздействия струи в случае разрушения шин при убранном положении опор шасси 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) Проведение по результатам расчетных исследований анализа влияния последствий воздействия струи на работоспособность функциональных систем и на безопасную эксплуатацию самолета. Определение перечня возможных критических ситуаций.
6) Проведение мероприятий (по результатам пятого этапа) по обеспечению безопасной эксплуатации самолета при воздействии струи 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.
В соответствии с [2], разрыв шины во время полета рассматривается как результат предыдущего повреждения шины, которое могло возникнуть в любой выступающей точке поверхности шины. В принятой в [2] модели разрыва шины (рис. 1) струя воздуха принимается в форме конуса с углом 36° с осью, перпендикулярной поверхности шины в точке возникновения повреждения. Пределы оси конуса принимаются равными ±100° относительно плоскости симметрии колеса в центральной части шины, если только конструкция колеса и шины не образует меньшую величину угла диапазона. Необходимо отметить, что в [2] не указано, как учитывается толщина стенок шины (протектора). Однако размер и форма разрыва в разрезе определяют параметры возникающей струи и зависят от конечной толщины стенок. Проведенный автором анализ показал, что целесообразно принимать форму разрыва цилиндрической, с диаметром, соответствующим пересечению упомянутого конуса с внешней поверхностью шины.
Рис. 1. Модель образования реактивной струи при разрушении шины [2]
Задачу определения возникающих при разрушении шины нагрузок можно решить как экспериментальным, так и расчетным путем. Во втором случае представляется необходимым провести параметрические расчетные исследования, позволяющие выявить особенности течения и определить типовые распределения давления при разном расстоянии и взаимном положении струи и элементов ниши шасси. Дорогостоящие экспериментальные исследования, требующие специального оборудования, необходимо проводить при проверочных испытаниях принятых конструктивных решений.
Алгоритм, объединяющий все этапы расчетного анализа воздействия реактивных струи при разрыве шины внутри ниши шасси, представлен на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм расчетного анализа воздействия реактивных струй при разрыве шины в
нише шасси
На первом этапе собираются необходимые для проведения расчетного анализа газодинамические и геометрические исходные данные (1), к которым относятся параметры газа в шине и в нише шасси (2), а также компоновка ниши шасси и геометрия шины (3), соответственно.
Параметры газа в шине и в нише шасси определяются следующими величинами: внутренним объемом шины; первоначальным (зарядным) давлением в шине; температурой зарядки шины; максимальной температурой возможного нагрева шины; давлением и температурой в нише шасси для заданных условий полета. Геометрия шины позволяет определить размеры отверстия, образующегося при разрушении шины (4), а компоновка ниши шасси задает взаимное положение элементов ниши и отверстия разрыва шины.
Расчет параметров газа внутри шины (5) определяет величины давления и температуры внутри шины с учетом нагрева. На основании этих параметров проводится расчет зависимости давления в шине от времени (6). Сведения об объемах и параметрах газа внутри шины и ниши определяет изменение давления в нише при разрыве шины (7).
Для проведения анализа воздействия возникающей при разрыве реактивной струи на элементы и агрегаты ниши шасси необходимо определить возможные зоны воздействия этой струи (8). После определения геометрических параметров, характеризующих расположение зон воздействия относительно отверстия разрыва, выполняется построение математических моделей поверхности шины и преграды (9) и расчетных сеток для различных расстояний и углов встречи струи с преградой (10). Расчетные сетки используются для проведения расчетов (11) с использованием одной из программ вычислительной газовой динамики (Fluent, StarCD, CFX и др.).
Полученные в результате расчетов распределения параметров потока при взаимодействии с преградами (линии тока, поля полных и статических давлений, поля скоростей) используются для анализа картин растекания струй (12) и получения исходных данных для расчетов на прочность (13), а также, при необходимости, для корректировки компоновки и конструкции ниши шасси (14). Кроме того, результаты анализа могут использоваться при планировании экспериментальных исследований (15).
Поражающих факторов при разрушении шины два: локальное силовое воздействие реактивной струи и повышение давления в нише шасси. Их влияние на элементы конструкции зависит от величины давления торможения струи, вытекающей из отверстия при разрыве шины, на поверхности критического элемента системы (в течение расчетного периода времени истечения газа из шины) и величины избыточного давления в нише шасси после разрыва шины, соответственно. Изменение давление в шине при образовании разрыва определяется по известному соотношению [7, 8] для истечения струи из замкнутого объема. Предполагается, что процесс истечения является адиабатическим.
Совокупность возможных вариантов конусов образующейся реактивной струи для каждой из шин в нише шасси определяет зоны возможного воздействия струи на элементы конструкции. В этих зонах выделяются системы и агрегаты, попадающие под возможное воздействие поражающих факторов в случае разрушения шин. Среди этих систем и их компонентов определяются критические системы и их компоненты, влияющие на безопасную эксплуатацию самолета.
При истечении струи из поврежденной шины в нише шасси происходит повышение давления, что может привести к повреждению элементов ниши, особенно подвижных (створки, люки и т.п.). Для оценки уровня повышения давления в нише шасси необходимо знать: свободный от агрегатов и элементов конструкции объем ниши; внутренний объем шины; начальные давления в нише шасси и в шине. В первом приближении ниша шасси считается герметичной, хотя на практике по кромкам створок ниши шасси имеются щели, и реальное давление в нише будет меньше расчетного. Разница между расчетным и реальным давлением в нише зависит от геометрических параметров негерметичности.
В связи с обширностью зоны возможного воздействия струи, разной ориентации струй в пространстве целесообразно проводить как расчетные исследования конкретных зон, попадающих под воздействие реактивной струи, так и параметрические расчетные исследования.
Для проведения параметрических расчетов потребовалось создание набора математических моделей расчетных областей с разными расстояниями Ь от центра разрыва шины до места встречи струи с преградой (по оси струи) и разными углами встречи струи с преградой ф (рис. 3).
Рис. 3. Определение взаимного положения разрыва шины и плоской преграды
Расчетные сетки отражали заданную геометрию всех входящих в расчетные области элементов и позволяли выявлять все особенности возникающих течений, т.е. обеспечивали разрешение особенностей течения, особенно в местах, где предполагается возникновение больших градиентов - в разрыве и вблизи него, в месте взаимодействия струи и преграды. Границы расчетной области были удалены на (40 50) радиусов отверстия разрыва от кону-
са струи. Это было необходимо сделать, чтобы свести к минимуму искажения течения струи из-за влияния граничных условий на границах расчетной области.
Для более рационального использования вычислительных ресурсов учитывалась симметрия задачи. При этом размер расчетной области в задаче с плоской преградой уменьшался в два раза, а в случае натекания струи на стенку по нормали - в 4 раза.
При проведении расчетных исследований важно правильно задать граничные условия, которые должны соответствовать физической сущности и параметрам задачи.
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 важное значение имел выбор модели турбулентности. Проведенные различными авторами исследования и сравнения расчетных и экспериментальных данных показали [9], 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 k-w модели" (SST - Shear-Stress Transport).
Примеры результатов расчетных исследований распространения реактивных струй при разрыве шины в нише шасси представлены на рис. 4 - 8. Они получены при параметрических расчетах, выполненных для типовых параметров шин пассажирских самолетов. Заданные расчетные параметры в шине (максимальная температура при уборке в нишу и, соответственно, расчетное максимальное давление) являлись типовыми для пассажирских самолетов. Внутри ниши шасси (с учетом негерметичности отсека) приняты параметры, соответствующие параметрам Международной Стандартной Атмосферы (МСА) для двух расчетных высот: полет у земли и на высоте.
р, кг/см2 р = X(t)
\
\
\
\
\
\
V
\
О, 30 О, Э5 О, 10 О, 15 о,:
Рис. 4. График изменения давления в шине
Пример изменения давления в шине представлен на рис. 4. Видно, что время сверхзвукового истечения струи в соответствии с типовыми исходными данными составляет 0,15-0,25 с, а давление в шине с течением времени быстро падает и стремится к давлению в нише шасси, близкому к атмосферному давлению на заданной высоте.
Р, кг/см‘
Рис.5. Пример распределения давления на преграде при угле встречи струи с преградой 90°
Примеры распределения давления по преграде при разной ориентации преграды относительно струи представлены на рис. 5, 6. Там же, на рис. 6 показана картина течения в струе. Видно, что с удалением от центра струи давление на преграде быстро падает в радиальном направлении. Эти результаты (и аналогичные им) используются при определении нагрузок на элементы конструкции.
Рис. 6. Пример распределения давления на преграде при угле встречи струи с преградой 60° (в продольном сечении эллипса пересечения "конуса" струи и плоской преграды)
По результатам расчетных исследований определены зависимости давления на плоской преграде от расстояния до преграды (рис. 7) для двух расчетных условий полета: у земли (Н = 0) и на высоте. По мере роста высоты полета давление в нише шасси уменьшается, т.е. растет располагаемый перепад давления в струе, истекающей через отверстие разрыва, возрастает скорость в потоке и, как следствие, возрастают потери полного давления в системе скачков, возникающих как в свободной струе, так и при ее встрече с преградой. Как следствие - снижается максимальное давление на преграде. Поэтому в качестве основного расчетного случая был выбран случай полета у земли.
Р, кг/см2 20
Ро ппеса- 18.47 кг/см‘, Н=0, ф=90 градусов, Р!„= 50.9 мм
Максимальное значение на оси струи ▲ Данные эксперимента [3], приведенные к параметрам пневматика, использованным в численном исследовании автора -
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 мм
Рис. 7. Давление на плоской преграде при разных расстояниях до отверстия разрыва шины
Зависимость максимального давления на преграде от расстояния до разрыва шины при натекании струи по нормали к плоской преграде при высоте полета Н = 0 изображена на рис. 7. Величина давления по оси струи падает по мере удаления преграды от отверстия разрыва шины. Однако по мере удаления преграды от отверстия максимум давления может смещаться от оси струи к периферии области взаимодействия струи с преградой. Давление на преграде в центре струи может оказываться меньше, чем по периферии зоны контакта струи с преградой при уменьшении давления газа в шине в процессе истечения струи. Этот факт объясняется образованием пространственных скачков уплотнения ("бочек") и сложной структурой смешанного (сверхзвукового и дозвукового) течения, возникающего при взаимодействии сверхзвуковой струи и преграды.
С целью верификации расчетных исследований было проведено их сравнение с данными, полученными различными авторами. Качественное сравнение полученных расчетных картин течения с результатами, полученными в ЦАГИ [5, 6], показало правильное отображение по результатам расчетов сложной структуры течения при натекании струи как по нормали к преграде, так и под углом к преграде (рис. 8).
Рис. 8. Структура течения сверхзвуковой реактивной струи при взаимодействии с преградой (ф = 90°) по экспериментальным данным [6] и по результатам расчета автора (распределение
чисел М)
Было проведено также сравнение результатов численного расчета с данными экспериментов, представленными в [3]. Сравнение (рис. 7) проводилось при условии приведения всех данных к одной и той же величине давления в шине и к одинаковым размерам разрыва шины. Наблюдается удовлетворительная близость результатов по величине максимального давления на преграде по оси струи при угле встречи ф = 90°. Однако выявлено и расхождение в распределении давления на преграде, полученном по результатам экспериментальных и расчетных исследований. Выявленные в расчетах зоны пониженного давления (рис. 5) в образующихся "бочках" при растекании струи вдоль преграды получены также и в экспериментах ЦАГИ [5, 6]. Проведенный анализ показал, что причиной такого расхождения результатов эксперимента [3] и данных численного расчета автора и эксперимента [5, 6] могут являться некоторые погрешности в постановке эксперимента [3]: недостаточный размер преграды (радиус преграды в эксперименте соизмерим с размером первой образующейся "бочки"); малое количество датчиков (из 5 установленных датчиков в зоне пониженного давления оказывался только один датчик) и, возможно, погрешности датчиков, не позволившие измерять с достаточной точностью давление ниже атмосферного.
По результатам расчетных исследований определены зависимости максимального давления на преграде от ее расстояния до отверстия, от угла встречи со струей, от времени. 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.
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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. / Межгосударственный авиационный комитет, ЛИИ им. Громова. 1994.
2. Certification Review Item (Wheel & Tyre Model) D-05. European Aviation Safety Agency (EASA).
3. Боброва Ю.В. Экспериментальная оценка воздействия газодинамического импульса на элементы конструкции при разрыве пневматика // Авиакосмическая техника и технология. 2005. №1.
4. Боброва Ю.В. Расчет воздействия реактивной струи на стенки ниши шасси // Авиакосмическая техника и технология. 2005. №1.
5. Мельникова М.Ф., Нестеров Ю.Н. Воздействие сверхзвуковой нерасчетной струи на плоскую преграду, перпендикулярную оси струи // Ученые записки ЦАГИ. 1971. Т. II, № 5.
6. Анцупов А.В., Благосклонов В.И., Пимштейн В.Г. Взаимодействие перерасширенной струи газа с плоской преградой // Ученые записки ЦАГИ. 1973. Т. IV, № 1.
7. Давидсон В.Е. Основы газовой динамики в задачах. - М., Высшая школа, 1965.
8. Лашков Ю.А., Самойлова Н.В. Об изотермическом и адиабатическом истечении совершенного газа из емкости // Ученые записки ЦАГИ. 1973. Т. IV, № 5.
9. Menter F. R., Kuntz M., and Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Turbulence, Heat and Mass Transfer. 2003. №4.
METHOD OF COMPUTATION ANALYSIS OF IMPACT JET BLAST EMANATING FROM THE TYRE FAILURE IN THE WHEEL BAY ON THE ELEMENTS OF AIRCRAFT STRUCTURE AND
PARTS OF PLANE SYSTEMS
Sorokin YuA.
Creation of principles of computation (using CFD) analysis of impact jet blast emanating from the tyre failure in the wheel bay on the elements of aircraft structure and parts of systems. Some results of parametric investigations are stated.
Сведения об авторе
Сорокин Юрий Анатольевич, 1981 г.р., окончил МАИ (2004), аспирант кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), автор более 10 научных работ, область научных интересов - газовая динамика и аэродинамика летательных аппаратов.
