Усовершенствование методики определения донного давления в весовом эксперименте Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXV 1994 № 3-4

УДК 533.6.071.08:531.787

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОННОГО ДАВЛЕНИЯ В ВЕСОВОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

М. И. Григорьев, В. Ф. Кваша, Л. Ф. Пономарев

Экспериментально исследованы влияние формы донной камеры (ЦК) на кормовом срезе модели и на мотогондолах, положение обтекателя донной державки, а также установки различной проницаемости диафрагм, закрывающих ДК модели, на распределение донного давления при весовых испытаниях моделей.

Аэродинамические характеристики моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах ЦАГИ определяются, как правило, при условии приведения давления на дне модели к статическому давлению невозмущенного потока. При проведении испытаний измеряется давление на дне модели или в ДК. В простейшем случае, когда дно модели не занято державкой, эти действия сводятся к введению поправки:

где сха = -^-срд = -^§-———, Рд, Ра — давление на дне модели и о д

статическое давление невозмущенного потока, £д, — площадь дна и

характерная площадь модели, сх д — поправка на донное сопротивление.

Достоверное определение поправки на донное сопротивление является неотъемлемой частью методики аэродинамического эксперимента (см., например, [1—4]). Величина этой поправки может достигать 60% от измеряемой величины лобового сопротивления.

Принятая методика определения донного сопротивления моделей летательных аппаратов в целом обеспечивает получение достоверных результатов для моделей простой компоновки в диапазоне углов атаки до 30°. Однако в ряде случаев для моделей со сложной формой ДК, с протоками воздуха через нее, а также при испытаниях моделей на донных державках на больших углах атаки или скольжения возникают

систематические погрешности в определении поправок на донное сопротивление по результатам измерения давления в одной-двух точках. По1решности вызваны тем, что в подобных случаях давление в ДК неравномерно. Поэтому для достоверного определения весовых характеристик необходимо знать полную эпюру давления по площади донной камеры, что технически выполнить достаточно сложно, а в ряде случаев — невозможно. На практике решение этой задачи сводится к тому, чтобы обеспечить близкое к постоянному давление по торцу модели с использованием различных технических средств.

В настоящей статье описываются методы решения такой задачи. Рассмотрено четыре случая реализации донного давления на конкретных моделях при испытании в аэродинамических трубах ЦАГИ в диапазоне чисел М = 0,5 1,7 и углов атаки а = -10 + 90е.

1. Некоторые особенности определения поправок на донное сопротивление модели с ДК сложной формы исследованы на модели самолета нормальной схемы со стреловидным 1фылом и двухкилевым вертикальным оперением. Она имела два протока, моделирующих воздухозаборники. Испытания показали, что давление в ДК (рис. 1), образованной наплывом под донную державку и соплами мотогондол, различно в разных точках площади дна, на которую следует распространять давление. Струи из протоков создают большее разреже-

М=0,8 ДК йез перегородок

Поток

ДК

0

/Г *

ДК с перегородками

___,____________\_________________|_____________

О 10° «.

Перегородка

Рис. 1. Давление в донной камере модели с протоком

воздуха

ние вблизи сопл, чем в наплыве под державку. Это может привести к погрешности в определении поправок ка донное сопротивление модели до величины схд *8% в зависимости от выбора местоположения приемника донного давления. Разделение ДК перегородками на характерные секции локализует область воздействия этих давлений, что в целом благоприятно сказывается на точности определения донного сопротивления. При этом в аэродинамические характеристики вводится дополнительная поправка, вызванная реализацией разных по величине давлений с обеих сторон перегородки по сравнению с донной камерой без перегородок. Величина поправки в моменте тангажа может достигать 1%.

2. Одна из закономерностей реализации донного давления выявилась при исследовании аэродинамических характеристик двух близких по компоновке моделей с мотогондолами, расположенными на крыльях (рис. 2). Поджатие потока в мотогондолах моделей на выходе из сопла осуществлено по-разному. Одна из моделей имеет кольцевую ДК, обтекаемую как наружным потоком, так и внутренним, что приводит к дополнительному разрежению в ДК модели. Другая модель имеет ДК на центральном теле, которое обтекается только внутренним потоком, проходящим через мотогондолу.

Испытания показали, что в первом случае реализуется существенно большее (в 1,5—3 раза) разрежение. С учетом площади ДК это обстоятельство определяет уровень поправок на донное сопротивление, который при а = 0 в двух мотогондолах первой модели составляет схд = 33 + 45% от измеряемого весами сопротивления модели с'х а для

второй модели — только схд = 9-5-13%.

Исходя из условия, что величина поправки относительно уровня суммарной измеряемой нагрузки должна быть минимальна, можно рекомендовать выполнять мотогондолы с ДК на центральном теле.

3. В этом разделе рассмотрено техническое решение, позволяющее существенно повысить равномерность донного давления при испытаниях на внутримодельных тензовесах.

На углах атаки, не превышающих 20—30°, равномерность донного давления достаточно высока. На больших углах атаки, прежде всего из-за наличия хвостовых поддерживающих устройств, реализуется неравномерное донное давление. На рис. 3 приведено распределение давления по дну одной и той же модели при различных состояниях ее хвостовой части без ДК, с ДК без диафрагмы, с диафрагмой проницаемостью 13% и со сплошным диском, закрывающим ДК (а = 83е). Наиболь-

М~0,8; рс *; вертикальное сеченщлабетренная сторона

дез донной данная намера диафрагма на диен на дер-

намеры без диафрагмы модели,/-13% жабке,

Рис. 3. Распределение давления по донной камере при различных ее конфигурациях

шая неравномерность на дне имеет место у модели без ДК. Сплошной диск на державке обеспечивает равномерное давление по дну ДК. В этом случае реализуется эффект замкнутой полости в ДК.

На рис. 4 представлена диаграмма, характеризующая допустимость испытаний моделей с различным состоянием ее кормовой части при

рьі(к*1Ґ}

1 Донная камера (л-33°) <

Диафрагма на модели (х=51°)

_________Непроницаемый диск на ОертаЬке {о.-83°)

Рис. 4. Неравномерность давления в донной камере

различных углах атаки модели. По оси ординат отложен средний перепад измеренного давления по площади дна модели:

где сртах{гп) и сртш(ги) — максимальное и минимальное значения коэффициента давления при фиксированном значении полярной координаты (радиуса), и — количество дренажных точек на горизонтальном или вертикальном радиусе.

По оси абсцисс отложены границы диапазонов углов атаки модели, в которых допустимо проведение испытаний моделей, подобных методической, с измерением донного давления одним приемником на державке вблизи торца модели. В случае модели без ДК этот диапазон ограничен углом атах ~ 12°, для модели с открытой ДК атах ~ 33°. Если ДК закрыта проницаемой диафрагмой (с проницаемостью 10-25%), диапазон допустимых углов атаки увеличивается до угла атах=с5Г, установка на ДК непроницаемого диска позволяет расширить этот диапазон до 83°, а возможно и выше.

4. При испытаниях моделей на электромеханических весах, в отличие от тензометрических, получить равномерное давление значительно сложнее. Это связано с наличием вторичного течения в донную камеру

ос.

ной капе

модели из камеры давления по каналу между державкой и ее обтекателем, капотирующим внешнее течение. Распределение давления в ДК является суммарным воздействием внешнего обтекания кормового среза модели и вторичного течения из-под обтекателя. Равномерное давление в ДК при испытании моделей на электромеханических весах можно получить, если свести к минимуму течение воздуха из-под обтекателя, например, за счет уменьшения зазора между торцами ДК и обтекателя.

Изменение зазора с 8 = 12 мм до минимально допустимой величины 5 = 0,1 ч- 0,5 мм позволяет выравнить давление в ДК (перепад давления уменьшается в два — четыре раза). При этом касание модели с обтекателем отсутствует. При столь малых зазорах также реализуется эффект замкнутой полости под обтекателем державки, и распределение давления по торцевой поверхности ДК вне обтекателя выравнивается.

Весовые испытания показали, что для достоверного определения донного сопротивления при малых зазорах достаточно иметь два приемника давления на торце ДК модели: один — вне контура обтекателя, другой — внутри (допускается на державке). Донное давление внутри и вне контура обтекателя при малых зазорах близко к равномерному. Перепад давления в области обтекателя, при малой его толщине, происходит скачкообразно (рис. 5). При этом систематические поправки на

М=1,7; оь=

вертикальная подветренная сторона 1^} » наветренная »

^1}горизонтальное сечение Рис. 5. Распределение давления в донной камере модели

обдув конической части державки и центрального узла стойки подвески схп практически исключаются (рис. 6).

Методом масляно-сажевых точек, наносимых на горизонтальный экран, заходящий в ДК модели, выполнена визуализация спектров течений методической модели при а = 0 и М = 1,7 (см. рис. 6). При обычном положении обтекателя (8 = 12 мм) течение в ДК модели имеет сложный характер и является результатом взаимодействия струи, вытекающей из канала между державкой и ее обтекателем, со следом за моделью. При этом струя из-под обтекателя практически не распространяется до торца ДК модели. Однако она формирует циркуляцию потока в ДК. При малых зазорах (8 <, 0,5 мм) интенсивность струи существенно ослабевает, что приводит к выравниванию давления по дну ДК вне обтекателя модели.

0,1

М=1,7і а =0

0,05

О

0,05

Ь=В,1 мм

<

Рис. 6. Поправки на обдув державки и визуализация спектров течения в донной области модели

Установка диафрагм различной проницаемости от 6 до 35% или диска не дает существенного преимущества в выравнивании давления по сравнению с ДК без диафрагм даже при малом зазоре 5 . Неэффективность диска при испытании на электромеханических весах объясняется тем, что для обеспечения отсутствия касания диафрагмы с моделью значительно увеличен зазор между ними по сравнению с аналогичным зазором при испытании на внутримодельных тензомет-рических весах, и эффект замкнутой полости в полном объеме не реализуется.

Таким образом, повышение точности весового эксперимента и упрощение измерений донного давления достигаются путем следующих конструктивных решений:

— при испытании моделей на внутримодельных тензометрических весах, особенно на больших углах атаки, на державке устанавливается диск, закрывающий донную камеру с минимальными зазорами между моделью и диском;

— при испытании моделей на электромеханических весах устанавливается минимальный зазор между обтекателем державки и дном камеры (5 = 0,2 — 0,5 мм). При этом измерение донного давления осуществляется в двух полостях, разделенных обтекателем;

— донная камера сложной конфигурации разбивается на характерные секции, имеющие свои приемники давления;

— мотогондолы выполняются с донной камерой на центральном теле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондаренко P.M. Исследование донного давления за осесимметричными телами при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях // Труды ЦАГИ.-1986. Выл! 2295.

2. Пономарев Л. Ф., Григорьев М. И. и др. // Сб.: Труды IV научно-технической конференции по технике и методике эксперимента в аэродинамических трубах.— ЦАГИ, 1990.

3. Швец А. М., Швец И. Т. Газодинамика ближнего следа.—Киев: Наукова думка, 1976.

4. Исследование течений за донным срезом тел, обтекаемых потоком газа // Обзор ОНТИ ЦАГИ.-1974, № 452.

Рукопись поступила 18/ХІ1993 г.