Анализ временных зависимостей аэродинамических сил и моментов, измеренных при статических испытаниях прямоугольного крыла на режимах гистерезиса Текст научной статьи по специальности «Физика»

__________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXXI 2 00 0

№1 — 2

УДК 629.735.33.015.3.025.1.016.82

АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ И МОМЕНТОВ, ИЗМЕРЕННЫХ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ПРЯМОУГОЛЬНОГО КРЫЛА НА РЕЖИМАХ ГИСТЕРЕЗИСА

И. В. Колин, В. Л. Суханов, Т. И. Трифонова, Д. В. Шуховцов

Приведены результаты экспериментальных исследований коэффициентов аэродинамических сил и моментов модели прямоугольного крыла с удлинением X = 5 с включением временных зависимостей, измеряемых на больших углах атаки. Анализируются спектральные характеристики этих зависимостей. Приводятся структуры течений, полученные методом шелковинок. Показано, что измеряемые временные зависимости, их спектральные характеристики и структуры течений на поверхности крыла являются неоднозначными на углах атаки, где имеет место статический гистерезис.

Проводившиеся ранее в ЦАГИ и в других НИЦ исследования в аэродинамических трубах аэродинамических характеристик профилей, крыльев с небольшими углами стреловидности, а также компоновок с подобными крыльями, показали, что в широком диапазоне чисел Рейнольдса при варьировании угла атаки величины коэффициентов аэродинамических сил и моментов, полученных при увеличении управляющего параметра (например, угла атаки а), могут не совпадать с соответствующими значениями при его уменьшении — возникает гистерезис в стационарных аэродинамических характеристиках модели [1] — [12].

Важную роль в исследовании сложных отрывных течений на таких моделях играют методы визуализации течений. Так, в работах [4], [5] различными методами визуализации были получены структуры течений на прямоугольном крыле большого удлинения при малых числах Рейнольдса, которые различаются для процессов увеличения и уменьшения угла атаки а, и подтверждены результаты весовых испытаний, свидетельствующие о не-

единственности структуры обтекания модели и наличии гистерезисных петель в стационарных аэродинамических характеристиках.

В данной статье приведены результаты совместного анализа структур обтекания модели прямоугольного крыла с удлинением Х = 5 при числе Яе = 0,33-106, полученных методом шелковинок, величин статических коэффициентов Су, тг, тх в зависимости от угла атаки а, временных реализаций Су(0, тг(0, щ(1), измеренных за конечный промежуток времени при фиксированных углах атаки, а также спектров су{/), да,(/), тх{[)

этих реализаций. Измерения аэродинамических сил и моментов проводились с помощью внутримодельных тензометрических весов, закрепленных на хвостовой державке установки ОВП-Ю2Б в АДТ Т-103. Результаты измерений представлены в связанной системе координат. Исследования по визуализации картины обтекания верхней поверхности модели с использованием метода шелковинок проводились с учетом особенностей, изложенных в работе [10]. По фотографиям крыла с шелковинками в потоке приближенно оценивалось расположение границ отрывного и безотрывного

Из рис. 1 видно, что аэродинамические зависимости су = су(а),

т2=т2{ а) на углах атаки

13°<а<18° имеют вид простого гистерезиса, т. е. реализуются внешние границы области гистерезиса; внутренние границы при этом отсутствуют [8]. Зависимость тх -тх(а) практически однозначна и близка к нулю во всем исследуемом диапазоне углов атаки а = 0 н- 26° [11].

На рис. 2 приведена схематическая картина обтекания модели исследуемого крыла, полученная по данным визуализации методом шелковинок для угла атаки а = 10° в процессе возрастания угла атаки (а>0). Видно, что на данном угле атаки течение на верхней поверхности крыла имеет безотрывный характер (условное обозначение | показывает положение шелковинок по потоку). Временные процессы т2(7),

тх(1), измеренные на неподвижной модели и приведенные на том же рис. 2, имеют регулярный характер. Спектры по каналам су, т2, тх являются

практически плоскими, за исключением малых по амплитуде спектральных линий, соответствующих собственным частотам колебаний, что свидетельствует о наличии стационарного режима обтекания модели. С ростом угла

Су ,

Яе=0,33-70в

_|_

тъ 0,025

0\

~°’025~5° о 5° 70° 75° 20° 25° а

Рис. 1

її і і І ї ї і і і і І І I І і I І І і і I І І і І І І І І І І I I | область безотрывного течения (ОБТ) | | [

1,С

'У

0р5

ор&

- ■

о г во 15 юо

/Гц

ар

О 25 5 ГЯ Ю

І,с

т

г

от одв

.Ь.

я мо/ Гц

тх

1,С

Щ

щи

арсв

Лік.

Рис. 2

Я *»/ Гц

атаки в области задней кромки крыла появляется симметричная область отрывного течения (ООТ), увеличивающаяся по размаху и по хорде крыла по направлению к передней кромке крыла [12]. Временные процессы су{1),

тг(г), тх(1) имеют регулярный характер, их спектры остаются плоскими. При осреднении временных процессов на данных углах атаки реализуются

У

и ^||и I

О 2,5 5 7,5 Ю

(,с

У

асб

0 Яы!^

о г а? ж кп

IГц

т,

<225

¥

т,

ао1

аах

> II .ЫИ|41и1М Ы ш» и +• I шЙ

я> 75 т/ Гц

1,с

тх

т

аою

Рис. 3

статические коэффициенты аэродинамической силы су и момента т2, соответствующие верхней границе области статического гистерезиса (см. рис. 1). При дальнейшем увеличении угла атаки в статических зависимостях су(а), тг = т2(а) реализуется скачкообразный переход на нижнюю

"У У

границу области гистерезиса. Из данных визуализации, приведенных на рис. 3, видно, что на угле атаки а = 20° при прямом ходе изменения угла

атаки (<х>0) граница области отрывного течения смещается к передней кромке крыла. Область отрыва охватывает практически 80% крыла вдоль размаха. При этом отрывное течение остается симметричным относительно середины крыла. Характерной особенностью является сохранение безотрывного течения лишь вдоль боковых кромок крыла (наличие вихревых жгутов). В спектре сигналов по каналам су и тх в области низких частот появляется сплошная шумовая компонента, по своему характеру близкая к непрерывному спектру. Наличие такой субструктуры указывает на то, что временные процессы су((), тх(() являются нерегулярными (хаотическими) [5]. Математическим образом таких процессов является понятие странного аттрактора [13]. Спектр сигнала по каналу т2 остается плоским.

При обратном изменении угла атаки модели (а < 0) в области гистерезиса реализуются аэродинамические силы и моменты, соответствующие нижней границе гистерезиса. С уменьшением угла атаки безотрывное течение в области боковых кромок изменяется незначительно, а линия отрыва размещается у передней кромки крыла [12]. Временные процессы су(/),

т2(0, гпх{1) являются нерегулярными. Спектры сигналов по всем исследуемым каналам су, т2, тх характеризуются наличием заметного низкочастотного компонента. Следует отметить, что при обратном изменении угла атаки модели (сс < 0) в спектре сигнала по каналу т2 появляется область высоких частот А/ = 90-И 00 Гц. При дальнейшем уменьшении угла

атаки до а = 15 -13° область безотрывного течения у боковых кромок увеличивается, а граница области отрывного течения всегда располагается вблизи передней кромки крыла (см. рис. 4, 5). Временные процессы су(О,

/и2(0, тх(0 остаются нерегулярными. Спектры сигналов су(1), т2(О, от*(0, полученные при а<0, показывают, что интенсивность спектральных линий на собственных частотах (/ = 10 и 15 Гц) заметно увеличивается, по сравнению с данными спектров на угле атаки а = 20° (см. рис. 3). На угле атаки а » 12° при обратном отклонении модели (а < 0) в статических зависимостях су=су(а), т2 = т2(а) реализуется второй скачок с переходом на верхнюю границу статического гистерезиса (см. рис. 1). При этом в процессе обратного изменения угла атаки восстанавливается картина течения, которая наблюдалась на том же угле при а > 0. На данном угле атаки течение становится практически безотрывным [12], область отрыва смещается к задней кромке крыла. Временные процессы су(1), т2{1), отх(/) становятся регулярными, а их спектры су(/), т2(/'), тх{/) близки к спектрам, полученным при прямом ходе изменения угла атаки (см. рис. 2).

Таким образом, при данном числе Рейнольдса в статических зависимостях су = су(а), т2 - т2(а), полученных для модели прямоугольного крыла

с удлинением А, = 5, существует простой гистерезис. Верхняя граница области простого гистерезиса в зависимостях су =су(а), т2 =т2(а) характеризуется тем, что с ростом углов атаки область отрывного течения развива-

с,.

7,5 Ю

ис

"У

щ

'1

0 мЮмИш

ц1н и■ —) Ли

25 30 75 Ю0

/Гч

т.

м|*|»

Р

1,С

т

г

ор\

0р05

|у^Ц|^Ё)|м^муаМЦ^у||^|й

25 го

* **>/, Гц

1,с

Щ(

ар

оря

Ч.Гц

Рис. 4

ется в окрестности задней кромки крыла, увеличиваясь в размерах по размаху и по хорде крыла, но не доходит до передней кромки крыла. Временные процессы ^(О, Щ^), соответствующие верхней границе области статического гистерезиса, а также процессы тх{1) имеют регулярный харак-

I I

I I

I I

I I 1

у 'РИ'фР4™

О 2у> 5 7,5 Ю I

"У

905

9025

ш [!>

0 ДИгЯнй

, . МЛ.,. ,..---------1 ------ . ■_

О 25 50 75 т £ Рц

-^35

/,С

т.

ар

оря

р1и1 III |1Н1|И1иВ»||м1««>|||1)»»|||||»11^»]|

бо я т {Гц

0 2р 5 55 10 [ С

тх

ар<

У к*

0 25 33 75

Рис. 5

т/Гц

тер, а спектры сигналов по каналам являются плоскими (аттрактор — точка), что свидетельствует о наличии на крыле стационарного режима обтекания. Нижняя граница области статического гистерезиса характеризуется тем, что область отрывного обтекания уменьшается при обратном изменении угла атаки а (а < 0), но линия отрыва всегда размещается у передней

кромки крыла. Измеренные на этих углах атаки временные процессы с^(г), т2(г), тх(0 имеют нерегулярный (хаотический) характер. В спектрах сигналов су{/), т2(/'), тх(/) в области низких частот появляется сплошная

шумовая компонента, что говорит о существовании на этих режимах странного аттрактора. Кроме того, заметно возрастает интенсивность спектральных линий на собственных частотах колебаний модели. При этом необходимо отметить, что наряду с гистерезисом в статических зависимостях °у =су(а)’ тг = т2(а) существует неоднозначность спектральных характеристик су{/), т2(/) при прямом и обратном изменении угла атаки, а однозначная зависимость тх-тх(а) характеризуется гистерезисом в спектре «*(/)■

Приведенные в работе результаты исследований временных зависимостей аэродинамических сил и моментов, полученных при статических испытаниях модели, показывают, что на больших углах атаки эти зависимости представляют собой сложные динамические процессы, которые, кроме среднего значения, имеют ненулевые спектральные характеристики. Поэтому при проведении статических испытаний в аэродинамических трубах необходим анализ временных реализаций для получения дополнительной информации при математическом моделировании коэффициентов аэродинамических сил и моментов на режимах отрывного обтекания.

ЛИТЕРАТУРА

1. К у р ь я н о в А. И., С т о л я р о в Г. И., Штейнберг Р. И. О гистерезисе аэродинамических характеристик // Ученые записки ЦАГЙ. — 1979. Т. 10,

№3.

2. Петров Е. Г., Табачников В. Г. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик прямоугольных пластин различного удлинения в широком диапазоне углов атаки // Труды ЦАГИ. — 1974. Вып. 1621.

3. Столяров Г. И., Табачников В. Г. Некоторые особенности аэродинамики крыльев большого удлинения при малых числах Рейнольдса //

Труды ЦАГИ. — 1985. Вып. 2290.

4. К о л м а к о в Ю. А., Рыжов Ю. А., С т о л я р о в Г. И., Т а б а ч -ников В. Г. Исследования структуры обтекания прямоугольного крыла ^ = 5 на больших углах атаки // Труды ЦАГИ. — 1985. Вып. 2290.

5. Головкин М. А., Горбань В. П., С и м у с е в а Е. В., С т р а -тонович А. Н. Обтекание прямого крыла при стационарных и квазистацио-нарных внешних условиях // Ученые записки ЦАГИ. — 1987. Т. 18, № 3.

6. Табачников В. Г. О гистерезисе стационарных аэродинамических характеристик при скольжении // Труды ЦАГИ. — 1985. Вып. 2290.

7. Караваев Ю. А., Прудников Ю. А., Часовников Е. А. Особенности формирования статического гистерезиса аэродинамических характеристик прямоугольного крыла // Ученые записки ЦАГИ. — 1986. Т. 17,

№ 6.

8. К о л и н И. В., Т р и ф о н о в а Т. И., Ш у х о в ц о в Д. В. Множественный гистерезис стационарных аэродинамических сил и моментов прямоугольного крыла = 5. — 1996. ЦАГИ. Препринт № 87.

9. Колин И. В., Мамров В. П., Святодух В. К.. Трифонова Т. И., Шуховцов Д. В. Множественный гистерезис стационарных аэродинамических характеристик самолета с прямым крылом большого удлинения при малых числах Рейнольдса. — 1996. ЦАГИ. Препринт № 87.

10. Колин И. В., Т р и ф о н о в а Т. И., Лацоев К. Ф., Шухов-ц о в Д. В., Я к о в л е в В. А. Неединственность течений на моделях при малых дозвуковых скоростях. — 1996. ЦАГИ. Препринт № 87.

11. Ж у к А. Н., К о л и н ь к о К. А., М и ат о в О. Л., X р а б р о в А. Н. Экспериментальные исследования нестационарных аэродинамических характеристик изолированных крыльев в условиях срыва потока. — 1997. ЦАГИ. Препринт № 86.

12. Колин И. В., Лацоев К. Ф., Тр и ф о н о в а Т. И., Шухов-ц о в Д. В. Исследование течений на прямоугольном крыле с шероховатостями. — 1998. ЦАГИ. Препринт № 114.

13. Б е р ж е П., ГІ о м о И., В и д а л ь К. Порядок в хаосе. — М.: Мир. —

1991.

Рукопись поступила 1/УІІ1999 г.