Некоторые особенности околозвукового обтекания профилей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Т о м XI 1 9 8 0 №2

УДК 533.6.011.5:629.7.025.73

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОКОЛОЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ПРОФИЛЕЙ

В. Д. Боксер

На примере обычного и сверхкритического профилей экспериментально исследованы некоторые особенности в поведении суммарных аэродинамических характеристик и развитии местной сверхзвуковой зоны при околозвуковых скоростях.

Появление скоростной дозвуковой авиации в послевоенные годы сопровождалось всесторонним исследованием особенностей околозвукового обтекания скоростных профилей, впоследствии названных обычными профилями. В настоящее время наряду с усовершенствованными обычными профилями появились так называемые сверхкритические профили [1, 2], позволяющие

существенно продвинуться по скорости без прироста сопротивления.

Целью настоящей работы является исследование некоторых наиболее характерных особенностей околозвукового обтекания двух типов профилей: обычного и сверхкритического с одинаковой максимальной относительной толщиной с = 9% (рис. 1), геометрия которых приводилась ранее в работах [1, 3]. Оптическими [1] и пневмометрическими исследованиями развитого закритичес-кого (Мсо>Мкр) обтекания верхней поверхности сверхкритического профиля установлено существенно более заднее положение скачка уплотнения при меньшей его интенсивности и интенсивности вызванного им отрыва потока по сравнению с обычным профилем.

Важной особенностью околозвукового обтекания сверхкритического профиля является существенное по сравнению с обычным профилем улучшение несущих свойств (С“ , Суа доп) (рис. 1). На примере режима Суа^Суа доп, характеризующего возникновение заметной нелинейности у зависимости Суа(а), поясним причины отмеченной выше закономерности. Измерениями распределения давления по профилю установлено, что причина существенного улучшения несущих свойств сверхкритического профиля при развитом закритическом обтекании заключается не в более заднем, чем у обычного профиля, расположении скачка уплотнения, как можно было бы предположить, а в более сильном разрежении на передней части верхней поверхности (см. рис. 1). Причиной более сильного разрежения на передней части верхней поверхности сверхкритического профиля является смещение звуковой точки 5 непосредственно к передней кромке вследствие меньшей по сравнению с обычным профилем кривизны поверхности (см. рис. 1).

У сверхкритического профиля вследствие специфической формы хвостового участка его нижней поверхности на режимах докритического обтекания наблюдается большее значение отрицательного коэффициента продольного момента при нулевой подъемной силе (тг0) по сравнению с обычным профилем (рис. 2).

М<~=0,Ы)

Рв Ж и М Су а ~ С у а доп

Сверхкритический профиль

М^-0,6

0.8

Ф приращение тг0 на пикирование © ” ” на кабрирование

Рис. 2

Однако при этом характерной особенностью сверхкритического профиля является слабое (в отличие от сильного у обычного профиля) изменение величины mz0 при переходе от докритического (например, М^ = 0,6) к закритическому (например, №^ = 0,8) обтеканию вследствие возникновения у него интенсивной местной сверхзвуковой зоны на нижней поверхности, создающей момент на кабрирование (см. рис. 2).

При закритическом обтекании профиля наряду с известным понятием критического числа Мкр, соответствующего первичному появлению звуковой скорости на профиле, Карманом [4] было введено понятие верхнего критического

числа М® , соответствующего появлению скачка уплотнения в конце местной

сверхзвуковой зоны. Таким образом, существует диапазон „бесскачкового",

изоэнтропического обтекания профиля АМкр = М®р — Мкр. На основе оптических

и пневмометрических исследований удалось построить зависимость АМкр(Суй)

для обычного и сверхкритического профилей (рис. 3). Поскольку у обычного профиля при положительной подъемной силе волновой кризис имеет место лишь на верхней поверхности, то область бесскачкового обтекания у него расширяется с ростом значений Суо. В случае сверхкритического профиля зависимость

ДМкр(Суа) имеет минимум, обусловленный перемещением волнового кризиса

с нижней на верхнюю поверхность, о чем более подробно будет сказано ниже.

Анализом эпюр давлений установлено, что величина АМкр зависит от типа

эпюры давлений на режимах Мкр и М®р. Малые значения ДМкр реализуются при сохранении близкого к „плоскому- характера эпюры давлений как на режиме М^ — Мкр, так и на режиме Мот = М®р (см. рис. 3, Суа ^ 0,15). Большие значения АМКр достигаются при изменении характера эпюры давлений от „пикового* ПРИ Mqo = Мкр к „плоскому- при Моэ = М®р (см. рис. 3, Суа ^ 0,30).

Важной особенностью околозвукового обтекания сверхкритического профиля является тот факт, что при малых положительных значениях Суа волновой кризис у него (возникновение волнового сопротивления и волнового отрыва, обусловленного скачком уплотнения), в отличие от обычного профиля, имеет место на нижней поверхности. Наглядное представление о роли верхней и нижней поверхности в развитии волнового кризиса на сверхкритическом профиле дает важнейшая с практической точки зрения зависимость Мкр (Суа). Под величиной М*р понимается начало резкого возрастания сопротивления, количественно определяемое согласно работе [5] из соотношения, приведенного на рис. 4. Если у обычного профиля при положительной подъемной силе значение мкр уменьшается с ростом значений Суа вследствие наличия волнового кризиса лишь

на верхней поверхности, то у сверхкритического профиля зависимость Мкр (Суа) имеет максимум при Суа^> 0 (см. рис. 4). Левая ветвь этой зависимости — увеличение М* с ростом Суа — обусловлена волновым кризисом на нижней поверхности, правая ветвь ее — уменьшение М*р— является следствием волнового кризиса на верхней поверхности, как и у обычного профиля. При значениях Суа —

0,4 -f- 0,6 выигрыш в величине Мкр у сверхкритического профиля по сравнению с обычным профилем (при с = const) достигает, например, значений ДМ* « 0,04 -4- 0,07.

Представленные в качестве иллюстрации на рис. 5 эпюры давлений, соответствующие режиму М^ ^ М*р при малом положительном значении Су ^ 0,2,

наглядно показывают определяющую роль нижней поверхности с точки зрения возникновения волнового кризиса на сверхкритическом профиле. У обычного профиля при этих условиях волновой кризис обусловлен верхней поверхностью. Анализ эпюр давления у сверхкритического профиля при больших положительных значениях Суя на режиме Мкр указывает, как и в случае обычного профиля, па определяющую роль верхней поверхности в развитии волнового кризиса. Однако при этом интенсивность скачка на верхней поверхности сверхкритического профиля заметно ниже, чем у обычного профиля. Анализ результатов оптических исследований околозвукового обтекания также выявил роль нижней и верхней поверхности в возникновении волнового отрыва на сверхкритическом профиле (резкое смещение вперед точки отрыва пограничного слоя, начиная с некоторого значения числа М^).

Обычный профиль

Характерной особенностью дозвукового обтекания сверхкритического профиля является существенная роль нижней поверхности (ее хвостовой части) в создании подъемной силы (рис. 5).

При развитом закритическом обтекании профиля на его по-

верхности наблюдается приближенное выполнение явления стабилизации течения

р

-0,50

-0,25

О

Р

-0,50

-0,25

О

0,25

в местной сверхзвуковой зоне (т. е. М ^ const), начиная с некоторого значения числа Мм, называемого в дальнейшем Мсх. Это явление, впервые экспериментально обнаруженное на обычных профилях при фиксированном угле атаки [6], получило в дальнейшем название „закона стабилизации". В последние годы закон стабилизации получил теоретическое обоснование в работе [7]. Условием стабилизации местных чисел М в развитой сверхзвуковой зоне является малое смещение звуковой точки на поверхности с ростом числа М^. Величина смещения звуковой точки с ростом числа зависит от места ее расположения на поверхности. Чем ближе звуковая точка расположена к области больших наклонов поверхности (носок профиля), где ускорение сверхзвукового потока максимально, тем в более широком диапазоне чисел М^ проявляется действие закона стабилизации. Настоящие экспериментальные исследования подтвердили закон стабилизации не только для ускоренного, как показано в работе [6], но и для замедленного местного сверхзвукового течения на поверхности сверхкритического профиля.

Поскольку целесообразно сравнивать распределенные и суммарные характеристики профилей различного типа при фиксированном значении коэффициента подъемной силы, представляет интерес полученное в работе подтверждение закона стабилизации течения в местной сверхзвуковой зоне на поверхности обычного и сверхкритического профиля при фиксированном значении Суа. Объяснение этого экспериментально обнаруженного факта, подтвержденного и многочисленными расчетами, выполненными на основе метода релаксации, предложенного в работе [8], заключается в малом изменении угла атаки (при Суа = = const) в случае развитого закритического обтекания (М^^Мст). Благодаря приближенному выполнению закона стабилизации при Суа = const удалось построить экспериментальные и расчетные зависимости МСт(Суа) для обычного и сверхкритического профилей (рис. 6). Эти зависимости позволяют выявить влияние формы поверхности и коэффициента подъемной силы на значение Мст.

Рис. 5

Верхняя поверхность Г ' Оіїьічньїй профиль

\

IЖ _ 1" ''

1/ Сдерхкритический профиль \ "К

25 I 1 - ~0 Л Р«р Г \Х.%\

Мст

ом

0,80

О’5

'О 0,2 О,* 0,6 0,8

Рис. 6

Видно, что уменьшение кривизны верхней поверхности при переходе от обычного к сверхкритическому профилю (см. рис. 1) приводит к возрастанию значения Мсх (сужению области стабилизации) из-за уменьшения чисел М в местной сверхзвуковой зоне. Увеличение значений Суа, наоборот, снижает значение Мст (расширяет область стабилизации) для обоих типов профилей вследствие смещения при этом звуковой точки к носку профиля (в область больших наклонов поверхности). Расчетные и экспериментальные зависимости Мст (Суа) качественно согласуются между собой (см. рис. 6). Количественные расхождения между ними обусловлены главным образом неучетом вязкости в расчетах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Свище в Г. П. Научное наследство Н. Е. Жуковского и авиация. .Ученые записки ЦАГИ“, т. 3, № 1, 1972.

2. Whitcomb R. Т. Airfoil shape for flight at supercritic speeds. N AC A-Case-LAR-10585, 1971.

3. Боксер В. Д., Гадецкий В. М., К н и в е л ь В. Г., Макаревич И. В. Околозвуковое обтекание профиля при больших числах Рейнольдса. „Ученые записки ЦАГИ“, т. И. № 1, 1980.

4. К arm an Т. Supersonic aerodynamics-principles and applications. „J. Aeron. Sciences", 1947, N 7.

5. Wallace R. E. Recent transonic airfoil developments and some business aircraft implications. Report SAE, N 680201, 1968.

6. Гальперин В. Г. Горский И. П., К о в а л е в А. П., X р и-

стианович С. А. Физические основы околозвуковой аэродина-

мики. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 5, № 5, 1974.

7. ДиесперовВ. Н., Л и ф ш и ц Ю. Б., Рыжов О. С. Об обосновании закона стабилизации для крыловых профилей. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 5, № 5, 1974.

8. Л и ф ш и ц Ю. Б. К теории трансзвуковых течений около

профиля. .Ученые записки ЦАГИ“. т. 4, № 5, 1973.

... ■ — ■ 1 Верхняя паверхноа ч. Vb 1

Обы^нь/и / профиль Ч Ч, "Ч .4 /Сверх* с,/ npi I питичеснии филь

'чч I расчет ; ^ о • эксперимент ' ■ ' область стабилизаиии _1_ .... __ .... J

Рукопись поступила Щ VIII 1978 г.