CC BY
15
www.sibac.mto
Естественные и математические науки в современном мире ___________________________________№ 11-12 (35), 2015 г.
СЕКЦИЯ 3. ФИЗИКА
3.1. АКУСТИКА
ОСОБЕННОСТИ ТРАНСЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ МОТОГОНДОЛЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УГЛА АТАКИ
Бабарыкин Константин Валентинович
канд. физ.-мат. наук, инженер, Санкт-Петербургский государственный университет,
РФ, г. Санкт-Петербург E-mail: konst20@mail.ru
CHARACTERISTICS OF TRANSONIC FLOW OVER AN ENGINE NACELLE WITH THE ATTACK ANGLE VARIATION
Konstantin Babarykin
candidate of Science, engineer, Saint-Petersburg State University,
Russia, Saint-Petersburg
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 13-0800288).
Исследования проведены с использованием вычислительных ресурсов Ресурсного Центра "Вычислительный центр СПбГУ" (http://cc.spbu.ru).
АННОТАЦИЯ
Проведено численное исследование трансзвукового обтекания мотогондолы. В расчетах использовалась вычислительная программа Ansys-14 Fluent. В серии 2d расчетов изучена картина формирования
90
Естественные и математические науки в современном мире № 11-12 (35), 2015 г____________________
и слияния местных сверхзвуковых зон вокруг гондолы при увеличении числа Маха набегающего потока. В трехмерном моделировании исследовано влияние угла атаки набегающего потока на процесс слияния сверхзвуковых областей.
ABSTRACT
A numerical investigation of transonic flow over a nacelle is carried out. The well-known solver Ansys-14 Fluent is used. A series of 2d computations has made it possible to analyze the pattern of local supersonic zones formation and merging over the nacelle with increasing freestream Mach number. In the three-dimensional simulations the influence of the angle of attack on the process of merging supersonic zones is examined.
Ключевые слова: трансзвуковое течение; мотогондола;
сверхзвуковая зона; бифуркация.
Keywords: transonic flow; nacelle; supersonic zone; bifurcation.
Введение. Постановка задачи.
Целью настоящей работы является изучение картины течения около гондолы при числах Маха набегающего потока M„ > 0,8, когда может наблюдаться формирование нескольких сверхзвуковых зон вблизи тела. Внутреннее течение в гондоле в отличие от [2] не исследуется, вместо этого ставится выходное условие в горле канала. Истечение выхлопной струи моделируется постановкой входного условия на части задней поверхности с соблюдением примерного равенства расходов на участках горла и струи. В [1] тестируется программа осесимметричного расчета течения при Ы„ = 0,8, однако геометрия модели в нашем случае несколько иная, и формирование сверхзвуковых областей происходит при больших M„.
Численное моделирование осуществлено известной программой ANSYS Fluent 14. Поиск числа Маха, при котором происходит слияние сверхзвуковых зон, проводится в серии 2d расчетов в осесимметричной постановке. 3d расчеты проведены при фиксированном M„ с изменяющимся углом атаки. Набегающий поток равномерный, со слабой турбулентностью, его параметры соответствуют условиям стандартной атмосферы, давление p„ = 1 атм, температура T„ = 300 K. В расчетах использовалась модель турбулентности SST &-ю. Таким образом, условия обтекания приближены к условиям в трансзвуковой аэродинамической трубе. Представление о модели мотогондолы дает рис. 1 б; ее длина равна 0,9 м, максимальная толщина составляет 0,26 м, нижняя граница является осью компоновки.
Расчетная область представляет собой полукруг с радиусом 46 длин модели (рис. 1а). Такая удаленность внешней границы
СибАК
www.sibac.info
91
www.sibac.mto
Естественные и математические науки в современном мире __________________________________№ 11-12 (35), 2015 г.
позволяет минимизировать влияние внешней границы, и дает возможность ставить на ней стандартное для Fluent граничное условие дальнего поля. Сетка для двумерных осесимметричных расчетов строится с учетом последующего ее преобразования в трехмерную, и содержит около 46 тыс. ячеек. Необходимая точность решения обеспечивается сгущением сетки в небольшой окрестности тела (рис. 1б).
Рисунок 1. 2d сетка, общий вид (а), сетка в окрестности компоновки (б)
Такой способ построения сетки дает возможность получить адекватное численное решение и избежать больших вычислительных затрат.
Результаты расчетов.
Результаты осесимметричного расчета представлены на рис. 2 в виде распределения числа Маха вокруг компоновки для различных чисел Маха набегающего потока. Как показывают расчеты, при обтекании модели гондолы формирование сверхзвуковых зон начинается при гораздо больших значениях М„, нежели в случае профиля или крыла, что обусловлено влиянием осесимметричности задачи. Видно, что в нашем случае при М„ = 0,82 заметны лишь небольшие сверхзвуковые области на боковой поверхности гондолы, классические сверхзвуковые зоны с замыкающей ударной волной наблюдаются при приближении М„ к 0,9. Отметим, что из-за наличия весьма протяженного участка боковой поверхности с нулевой кривизной местные сверхзвуковые области расположены вблизи носовой и кормовой части компоновки, что согласуется с [1]. Быстрый рост размеров сверхзвуковых зон происходит при М„ > 0,9, причем из-за наличия протяженного плоского участка рост продольных размеров не столь интенсивен по сравнению с ростом радиальных. Слияние сверхзвуковых областей в одну большую область с заметным прогибом звуковой линии происходит примерно при М„ = 0,945.
92
Естественные и математические науки в современном мире № 11-12 (35), 2015 г_____________________________
СибАК
www.sibac.info
Рисунок 2. Поля числа Маха при различных значениях Мю
Трехмерная сетка получается экструдированием исходной двумерной вокруг оси. Эта процедура производится вращением сетки на 180° с шагом 2°. Полученная сетка имеет форму полусферы, вид полученной в виде полуцилиндра компоновки представлен на рис. 3. Количество элементов составляет более 4 млн. Таким образом, модель гондолы "разрезается" пополам плоскостью симметрии, что дает возможность вести расчет под углом атаки, сэкономив вычислительные ресурсы.
Эволюция картины течения при увеличении угла атаки исследуется при значении М„ = 0,943, предшествующем слиянию сверхзвуковых зон на нулевом угле атаки (осесимметричное течение). Результаты расчетов представлены в виде распределений числа Маха на плоскости симметрии при указанном числе Маха набегающего потока для различных значений угла атаки а (рис. 4). Для сравнения приведена картина течения для двумерного осесимметричного варианта, показывающая приемлемость выбранного способа построения трехмерной сетки.
93
www.sibac.mto
Естественные и математические науки в современном мире __________________________________№ 11-12 (35), 2015 г
Рисунок 3. 3d сетка мотогондолы
Рисунок 4. Поля числа Маха. 2d расчет (а); а = 0° (б), а = 2°(в),
а = 5° (г)
94
Естественные и математические науки в современном мире № 11-12 (35), 2015 г____________________
Как показывает расчет, зон при увеличении угла атаки (поперечная составляющая вектора скорости направлена вверх) на нижней стороне гондолы происходит уменьшение радиальных размеров сверхзвуковых областей и увеличение продольных, а на верхней стороне продольные размеры несколько уменьшается. Соответственно, при увеличении угла атаки слияние сверхзвуковых зон начинается на нижней стороне.
Этот результат несколько необычен, так как известно, что при обтекании трансзвуковым потоком профиля или крыла увеличение угла атаки приводит к увеличению местных сверхзвуковых на верхней части и способствует их слиянию. На нижней части, как правило, наблюдается обратная картина, с расщеплением сверхзвуковой зоны на более мелкие. Видимо, полученное в настоящей работе отличие в картине обтекания мотогондолы объясняется осесимметричностью компоновки. Это подтверждается результатами [3], где аналогичная эволюция картины течения была получена для случая трехмерного расчета обтекания снаряда при различных значениях угла атаки.
Заключение
Проведено численное исследование трансзвукового обтекания гондолы авиадвигателя. В расчетах использовалась вычислительная программа Ansys-14 Fluent. В серии 2d расчетов изучена картина формирования местных сверхзвуковых зон вокруг гондолы при увеличении числа Маха набегающего потока от 0,82 до 0,95. Выявлено, что их слияние происходит при М„ ~ 0,945. В трехмерном моделировании исследовано влияние угла атаки набегающего потока на процесс слияния сверхзвуковых областей при М„ = 0,943. Выявлено аномальное (по сравнению с плоским обтеканием профилей) слияние сверхзвуковых зон на нижней стороне гондолы при увеличении угла атаки.
Список литературы:
1. Приходько А.А. Численное моделирование обтекания трансзвуковым потоком мотогондолы авиационного двигателя // Вестник двигателестроения. Запорожье, - 2009. - № 3. - С. 77-81.
2. Савельев А.А. Влияние поддерживающего устройства на характеристики модели двухконтурного сопла // Аэромеханика. Труды МФТИ, - 2014. -Том 6, - Вып. 3. - С. 20-26.
3. Kuzmin A. Sensitivity of transonic flow to small changes of airfoil shape: The 48-th Intern. Symp. of Applied Aerodynamics, Saint-Louis, 25-27 March 2013, -FP11-2013-kuzmin.
СибАК
www.sibac.info
95
