CC BY
51
2011
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 172
УДК 533.6.011
РЕЗУЛЬТАТЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ ПАССИВНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУЗОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Е.Б. КИНДЯКОВ, Е.Г. СТОЛЯРОВА, П.А. ЧЕРНУХА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Калугиным В.Т.
Проведено численное моделирование обтекания грузов контейнеров на внешней подвеске летательных аппаратов с применением различных устройств пассивной стабилизации (щитки, перфорированные конусы), определены их аэродинамические характеристики и даны рекомендации по применению.
Ключевые слова: численное моделирование, обтекание контейнера, внешняя подвеска, пассивная стабилизация.
Задача повышения скоростных режимов полета вертолетов с переносимыми на внешней подвеске грузами-контейнерами остается актуальной и требует разработки новых и совершенствования существующих устройств стабилизации, позволяющих повысить их устойчивость в полете. Известно, что активные методы стабилизации, предполагающие непосредственное участие пилотирующего состава, требуют использования дорогостоящего оборудования, в то время как пассивные методы [1, 2] с применением аэродинамических средств являются более простыми и легкими в эксплуатации.
Целью работы явилась оценка возможности управления аэродинамическими характеристиками грузов с помощью системы пассивной аэродинамической стабилизации (СПАС), включающей аэродинамические щитки (стабилизаторы) или жесткие перфорированные конуса. Как показали экспериментальные исследования [3, 4], выбор той или иной системы стабилизации определяется геометрическими параметрами груза-контейнера.
На рис. 1 и 2 представлены схемы исследуемых устройств пассивной аэродинамической стабилизации и их основные геометрические параметры. Здесь Ь, а, Ь - соответственно длина, высота и ширина груза-контейнера; Ищ, Ьщ - высота и ширина щитка; 8кр - угол отклонения щитка (стабилизатора). Для системы с перфорированным конусом: рк - угол полураствора конуса; И, 1 - высота надстройки для крепления конуса и длина крепления. Для характеристики перфорации
вводится пара- У ''
метр Б - степень
перфорации,
Введение
ЕБота - суммарная площадь всех отверстий перфорации; Бк - площадь поверхности конуса.
к
а
Рис. 1. Схема СПАС со стабилизирующими щитками
Рис. 2. Схема СПАС с перфорированным конусом: 1 - щитки; 2 - надстройка для крепления конуса; 3 - перфорированный конус
Математическая модель
Расчет грузов-контейнеров со СПАС проводился в коммерческом пакете Fluent (лицензия № LA 18-03-03) с использованием k-s и DES моделей турбулентности. Для решения данной задачи предварительно была построена комбинированная расчетная сетка, сочетающая тетраэдры во внешнем потоке и элементы в форме усеченных пирамид в области пограничного слоя. Граница расчетной области представляет собой параболоид вращения. Его размер выбран с учетом того, чтобы вихри в следе за моделью полностью разрушались, а давление и скорость выравнивались до величин набегающего потока (±5 %). В зависимости от геометрии модели, количество тетраэдров составило от 2 млн. до 4 млн.
Для обоснования выбора модели турбулентности был проведен ряд поверочных расчетов тел параллелепипедной формы, моделирующих обтекание контейнеров без системы стабилизации в зависимости от угла скольжения в, при скорости потока Vœ = 25 м/с. Результаты тестовых расчетов даны на рис. 3. Видно, что лучшее совпадение с экспериментальными данными обеспечивает модель DES (Detached Eddy Simulation).
с* „ ШР>
г2,5 2 1,5 1
0,5 0
10 15 20 25
DES —H—эксперимент
30
я °
Рис. 3. Результаты поверочных расчетов обтекания модели контейнера без стабилизирующих устройств при использовании к-8 и БЕБ-моделей турбулентности
Результаты расчета
Структуры, соответствующие обтеканию контейнеров с длиной 0,5Ь; 0,75Ь; Ь и различными системами стабилизации, представлены на рис. 4.
Результаты аэродинамического расчета устройств пассивной стабилизации грузов... 51
При обтекании контейнеров малой длины без СПАС отрывная зона охватывает всю поверхность (рис. 4 а). В этом случае щитки находятся практически полностью в области отрывного возмущенного течения (рис. 4 в) и повышают неустойчивость системы. Для стабилизации таких контейнеров рекомендуется использовать перфорированный конус, вынесенный за пределы области возмущенного потока (рис. 4 д).
д е
Рис. 4. Линии тока вокруг контейнеров различного удлинения при наличии стабилизирующих устройств и без них: Уда = 25 м/с; а = 0°; в = 0°; а, в, д: 0,5Ь; б, г, е: 1,0Ь
Следует отметить, что система стабилизации с перфорированным конусом может быть применима также для грузов произвольной геометрической формы, перевозимых на внешней подвеске вертолета. С увеличением длины контейнера при неизменном поперечном сечении, поток присоединяется на поверхности груза (рис. 4 б), и в этом случае перед аэродинамическими щитками формируется локальная область отрыва, не оказывающая существенного влияния на устойчивость системы. Для контейнеров с промежуточной длиной 0,75Ь наблюдаются пульсации области отрыва.
Зависимости аэродинамических коэффициентов продольной Сх, поперечной С2, сил и момента рыскания ту от угла скольжения в для трех различных длин показаны на рис. 5. Для СПАС с аэродинамическими щитками в диапазоне малых углов в наибольшим сопротивлением обладают контейнеры малого удлинения 0,5Ь. Это связано с воздействием на щиток повышенного динамического давления, обусловленного формированием отрывного течения в носовой части. Коэффициенты поперечной силы и момента рыскания контейнеров со щитками в зависимости от угла в практически одинаковы для всех исследуемых удлинений. При углах скольжения в > 10° наибольшим моментом рыскания обладает контейнер с 0,5Ь.
Для системы с перфорированным конусом были проведены параметрические исследования влияния длины плеча надстройки 1 на характер обтекания и аэродинамические характеристики груза. Результаты расчета представлены на рис. 5 б, г, е.
ту
0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6
Контейнеры 0,5Ь 0,75Ь 1Ь со щитками
1
• 1
1 1 5 4С
*.....* У
Л'
Рис. 5. Аэродинамические характеристики контейнеров различного удлинения при наличии стабилизирующих устройств и без них (У,ю= 25 м/с,а = 0°) а, в, д: - 0,5Ь; - 0,75Ь; —■— - 1,0Ь; ■ - 1,0Ь эксперимент;
б, г, е: - 0,5Ь с длиной 1 = 0,2 м; - 1,0Ь с 1 = 0,2 м;
1,0Ь, 1 = 0,1 м
б
а
в
г
д
е
Результаты аэродинамического расчета устройств пассивной стабилизации грузов.
53
Коэффициент продольной силы в отличие от системы стабилизации со щитками слабо зависит от удлинения контейнера. Зависимость коэффициента поперечной силы носит линейный характер и определяется местоположением конуса относительно точки подвеса. Стабилизирующий момент рыскания возрастает с увеличением в, при этом чем меньше удлинение, тем больше ту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Паршенцев С.А. Научные основы и практические методы проведения экстренных авиационных работ с применением внешней подвески вертолетов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2010.
2. Калугин В.Т., Киндяков Е. Б., Столярова Е.Г. Обтекание и стабилизация контейнерных устройств на внешней подвеске летательных аппаратов // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2007. - № 111. - С. 105 - 109.
3. Киндяков Е.Б., Луценко А.Ю., Столярова Е.Г. Исследование аэродинамических характеристик контейнера на внешней подвеске с системой стабилизации типа "поворотный щиток" // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2008. - № 125. - С. 98 - 102.
4. Калугин В.Т., Киндяков Е. Б., Чернуха П.А. Особенности обтекания перфорированных устройств системы стабилизации грузов на внешней подвеске летательных аппаратов // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2010. - № 151. - С. 23 - 27.
AERODYNAMIC CALCULATION RESULTS OF PASSIVE SYSTEMS OF CARGO STABILIZATION ON AIRCRAFT SLUNG LOAD
Kindyakov E.B., Stolyarova E.G., Chernukha P.A.
Numerical simulation of slung loads with different passive systems of stabilization were carried out. Aerodynamic coefficients were detected and recommendations on their usage were given
Key words: numerical simulation, flow around a container, slung load, passive stabilization.
Сведения об авторах
Киндяков Евгений Борисович, 1983 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006), аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор 4 научных работ, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
Столярова Елена Глебовна, окончила МАИ (1971), кандидат технических наук, доцент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 50 научных работ, область научных интересов - нестационарная аэродинамика, отрывные и струйные течения.
Чернуха Полина Алексеевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001), кандидат технических наук, доцент кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 30 научных работ, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
