CC BY
74
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 111
УДК 553.65.11.32:681.3:629.7.015
О МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АЭРОДИНАМИКИ ВЕРТОЛЕТА ПРИ ЕГО ПРИМЕНЕНИИ ВБЛИЗИ ПРОИЗВОЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННОЙ
ГРАНИЧНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
(краткое сообщение)
А.А. НОВИКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Барзиловичем Е.Ю.
Излагается подход к моделированию аэродинамики вертолета вблизи произвольно ориентированной отражающей поверхности.
Моделирование аэродинамики вертолета при его полете вблизи экранирующей поверхности основано на нелинейной теории несущего винта (НВ), изложенной в монографии [1]. Постановка задачи по определению нестационарных аэродинамических характеристик НВ заключается в следующем. Винт движется в идеальной несжимаемой среде. Ограничений на форму лопастей и на характер их деформаций при работе винта не накладывается. Рассматриваются прямые задачи аэродинамики, в которых форма несущих поверхностей задана в виде функций координат и времени или определяется из решения задачи движения лопастей под действием заданных или найденных сил. Кинематические параметры движения также считаются известными.
При решении задачи по определению нестационарных аэродинамических характеристик НВ:
- используется граничное условие непротекания поверхности лопасти, требующее обращения в нуль нормальных составляющих относительных скоростей среды в точках поверхности;
- на вихревой пелене, образующейся за винтами, выполняется условие непрерывности давления, в соответствии с которым вихревая пелена движется вместе со средой. Это позволяет определить пространственную форму вихревой пелены;
- на бесконечном удалении от винта и следа возмущения, вызванные ими, затухают;
- используется гипотеза Чаплыгина-Жуковского о конечности скоростей на острых задних или боковых кромках лопастей;
- используется также условие постоянства циркуляции по замкнутому контуру, проведенному через одни и те же частицы в любом из сечений поверхности.
Для винта маневрирующего летательного аппарата, особенно вблизи отражающей поверхности, вихревая пелена, форму которой невозможно предсказать, проходя вблизи винта, а в ряде случаев и через винт, оказывает существенное влияние на его аэродинамику. При этом достоверны только методы расчета, основанные на нелинейной теории винта, когда вихревая пелена выстраивается одновременно с определением аэродинамической нагрузки на винте.
При моделировании движения вертолета вблизи произвольно ориентированной отражающей поверхности взаимное расположение плоскости винта и отражающей поверхности характеризуется двумя параметрами: Н - расстоянием от крайней точки винта до отражающей поверхности; у - углом наклона плоскости винта к плоскости отражающей поверхности (рис. 1).
Принимается, что на бесконечном удалении среда по обе стороны граничной поверхности неподвижна.
При решении задачи наличие поверхности раздела приводит к двум дополнительным условиям:
- кинематическому условию совместимости течений; оно состоит в равенстве нормальных составляющих скорости с разных сторон поверхности раздела:
W1n=W2n (1) Рис. 1. Несущий винт у экрана
г
я Х^н У
/\н /
О г \/ ж *
- динамическому условию равенства давлений с разных сторон поверхности раздела:
р1 = р2 . (2)
В [2] показано, что система основных и зеркально отраженных от поверхности раздела вихрей позволяет построить решение задачи по определению аэродинамических характеристик несущего винта над граничной поверхностью.
Таким образом, используя указанный подход, можно моделировать работу главного элемента вертолета - НВ у граничной поверхности. В летной эксплуатации вертолета наиболее характерными режимами полета у граничной поверхности являются режимы висения: 1) у горизонтально расположенной земной поверхности; 2) у наклонной поверхности; 3) у вертикальной стенки.
Для вертолетного винта, работающего вблизи горизонтально расположенной граничной поверхности, характерным является изменение его аэродинамических характеристик. Основное влияние земли на аэродинамические характеристики вертолетного винта сводится к увеличению тяги, повышению коэффициента полезного действия при сохранении постоянным угла установки лопастей. Причина этого повышения заключается в торможении потока в струе отражающей граничной поверхностью. Так как поток в струе винта дозвуковой, то возмущения при его торможении землей передаются вверх по струе и уменьшаются индуктивные скорости в плоскости вращения винта (рис. 2а). Местные углы атаки увеличиваются, увеличивается тяга винта. При этом увеличивается и потребный крутящий момент, но так как из-за уменьшения индуктивных скоростей уменьшаются скосы потока, то увеличение крутящего момента за счет влияния земли происходит не так сильно, как увеличение тяги. По мере приближения к земле эффект торможения усиливается и изменение аэродинамических характеристик происходит сильнее. Явление улучшения аэродинамических характеристик несущего винта при работе его у земли получило название эффект "воздушной подушки”.
в г
Рис. 2. Поле скоростей в окрестности НВ при различных углах наклона отражающей поверхности
Другая картина имеет место при работе винта у вертикальной стенки. В этом случае возникает так называемый сопловой эффект. Физическую картину влияния боковой стенки на распределенные и суммарные аэродинамические силы винта поясняет поле скоростей в диаметральном сечении винта. Характерными являются деформации потока у стенки (рис. 2г) и увеличение вертикальных со-
ставляющих скоростей в плоскости вращения винта, что приводит к уменьшению местных углов атаки и аэродинамической нагрузки на лопастях, проходящих вблизи вертикальной стенки.
Исследования показали, что по мере приближения винта к стенке характер переходного процесса в целом остается тем же — происходит уменьшение коэффициента тяги. При уменьшении расстояния до стенки, когда Н = 0 сила тяги уменьшается на 8,5 %, при этом стенка начинает оказывать влияние на винт, начиная с Н/Я = 0,6 0,7. Момент, который возникает при этом, направлен на стенку.
В случае работы винта у наклонной поверхности необходимо рассмотреть диапазон изменения угла наклона поверхности к винту от 0° до 90° (угол 0° - "воздушная подушка", угол 90° - вертикальная стенка). Анализ зависимостей отношения коэффициентов силы тяги винта при работе у отражающей поверхности СТН и при работе в безграничном пространстве СТ от угла наклона отражающей поверхности у (рис. 3) показывает, что от 0° до 45° основное воздействие на винт будет оказывать режим "воздушной подушки" (рис. 2б, у = 30°), около 45° "воздушная подушка" компенсируется "сопловым" эффектом стенки. От 45° до 90° основное воздействие на винт будет оказывать стенка (рис. 2в, у = 60°). Зависимости построены для 2-х значений расстояний от винта до отражающей поверхности Н/Я = 0,25 и Н/Я = 0,5, откуда видно влияние расстояния от винта до поверхности на аэродинамические характеристики несущего винта. С увеличением расстояния до препятствия влияние его на винт ослабевает.
Таким образом, используя модель аэродинамики несущего винта вертолета при его полете вблизи экранирующей поверхности, основанную на нелинейной теории несущего винта, можно моделировать широкий диапазон режимов полета вертолета вблизи препятствий, на площадках ограниченных размеров, в непосредственной близости от склонов, в ущельях и в других случаях, когда появляется влияние экранирующей поверхности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоцерковский С. М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. -М.: Наука, 1978.
2. Белоцерковский С. М., Локтев Б. Е., Ништ М.И. Исследование на ЭВМ аэродинамических и аэроупругих характеристик винтов вертолетов. - М.: Машиностроение, 1992.
3. Гайдаенко В.И., Желанников А.И., Крицкий Б. С. Математическое моделирование в аэрогидродинамике: Учебное пособие. Вып. 2. - М., 1994.
ABOUT MATHEMATICAL MODEL OF AERODYNAMICS OF THE HELICOPTER AT ITS APPLICATION OF CLOSE ANY WAY FOCUSED REFLECTING SURFACE
Novikov A.A.
The approach to modeling aerodynamics of the helicopter close is stated to any way focused reflecting surface.
Сведения об авторе
Новиков Алексей Алексеевич, 1972 г.р., окончил Сызранское ВВАУЛ (1994) и ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1998), генеральный директор МОАКФ, автор 5 научных работ, область научных интересов -аэродинамика вертолетов, авиационная безопасность в чрезвычайных ситуациях.
Рис. 3. Влияние угла наклона отражающей поверхности и удаления от нее
