CC BY
57
УДК 629.576
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДЛИНЕНИЯ КРЫЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭКРАННОГО ЭФФЕКТА АМФИБИЙНОГО СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ РАЗГРУЗКОЙ
А. В. Февральских
NUMERICAL INVESTIGATION OF WING IN GROUND EFFECT ASPECT RATIO INFLUENCE ON MOTION CHARACTERISTICS OF WIG HOVERCRAFT
А. V. Fevralskikh
С использованием методов численного моделирования экранной аэродинамики, реализованных в программном обеспечении ANSYS Fluent, исследуются компоновочные варианты судна нового архитектурно-конструктивного типа - амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР). Особенностью АСВП с АР является возможность крейсерского хода как на статической воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа, так и в режиме экранного полета после трансформации носового и кормового ограждения воздушной подушки. Для определения влияния удлинения крыла на характеристики ходкости и устойчивости движения АСВП с АР под действием экранного эффекта выбраны четыре подобных компоновочных варианта, отличающихся формой крыльев в плане. Результаты численного моделирования экранной аэродинамики на различных высотах движения, выраженных в долях средней аэродинамической хорды крыла соответствующей компоновки, показывают, что применение крыла большого удлинения в компоновке АСВП с АР способствует повышению аэродинамического качества судна при движении на режиме экранного полета.
В то же время использование в компоновке АСВП с АР крыла со значением удлинения более четырех-пяти единиц приводит к существенному снижению абсолютной величины производной коэффициента подъемной силы по высоте движения над экраном, рассматриваемой в качестве характеристики влияния экранного эффекта. Тем самым применение в компоновке АСВП с АР крыла со сравнительно большим значением удлинения может повлечь ухудшение характеристик продольной статической устойчивости экранного полета. Определенная по результатам численного моделирования экранной аэродинамики зависимость характеристики влияния экранного эффекта от удлинения крыла компоновки может быть использована в ходе разработки технического предложения и эскизного проекта перспективного АСВП с АР.
амфибийное судно на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой, проектирование, экранный эффект, численное моделирование
Using methods of numerical simulations of ground effect aerodynamics realized in ANSYS Fluent software the layout variants of the new kind of vehicle design type -wing-in-ground effect hovercraft - are investigated. The specialty of wing-in-ground effect hovercraft is the possibility of cruising both on a static air cushion with flexible balloon-like seal, and on ground effect motion mode after transformation of the bow and stern seal. To investigate the effect of wing aspect ratio on the characteristics of propulsion and stability of wing-in-ground effect hovercraft movement under the action of the ground effect, four similar layout variants were chosen, differing in the shape of the wing plane. The results of numerical simulation of ground effect aerodynamics at different heights of movement, expressed in fractions of the average aerodynamic chord of the corresponding layout, are presented here. The results show that the use of a wing with the high value of aspect ratio in the layout of wing-in-ground effect hovercraft contributes to increase the aerodynamic lift-to-drag ratio of the vessel when driving on ground flight mode. At the same time, the use in the layout of wing-in-ground effect hovercraft a wing with the aspect ratio value of more than four to five units leads to a significant decrease in the absolute value of the derivative of the lift coefficient with respect to height of movement above the ground, considered as a parameter of the screen effect. Thus, the use in the layout of wing-in-ground effect hovercraft a wing with a relatively large aspect ratio value can lead to deterioration of the characteristics of the longitudinal static stability of ground effect motion. The characteristic dependence of the ground effect influence parameter on the wing aspect ratio of the layout determined from the results of numerical simulation of ground effect aerodynamics can be used during the development of a technical proposal and draft design of a promising layout wing-in-ground effect hovercraft.
wing in ground effect hovercraft, vehicle design, numerical investigation
ВВЕДЕНИЕ
Среди многообразия архитектурно-конструктивных типов судов для обеспечения транспортной доступности отдаленных районов Сибири и Дальнего Востока, а также освоения Арктики наибольший интерес вызывают суда на воздушной подушке (СВП) и экранопланы [ 1].
Анализ ограничений существующих типов судов с аэродинамическими принципами поддержания - СВП и экранопланов - привел к идее разработки новой концепции амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР) [2]. В отличие от других судов с аэродинамическим поддержанием, АСВП с АР имеет возможность крейсерского хода как на статической воздушной подушке, так и на режиме экранного полета. При использовании в компоновке АСВП с АР воздушной подушки с баллонетным ограждением возможно достижение преимуществ наиболее популярных в России скоростных амфибийных судов - баллонетных СВП. К преимуществам последних относится маневренность движения на воздушной подушке на малых скоростях, экономичность, безопасность, пониженные в сравнении с объектами авиации и другими видами скоростного флота требования к техническому обслуживанию и условиям базирования. На режиме экранного полета АСВП с АР может обладать высоким аэродинамическим качеством за счет влияния экранного эффекта и, соответственно, большей, чем у СВП, дальностью движения (рис. 1).
Рис. 1. Самоходная модель АСВП с АР проекта «Тунгус» Fig. 1. Self-propelled model of wing-in-ground effect hovercraft of «Tungus» project
Однако для создания этого нового типа судов с аэродинамическим поддержанием необходимо решить ряд задач концептуального проектирования, в том числе - разработать рациональную аэрогидродинамическую компоновку. Поскольку концепция АСВП с АР получила воплощение сравнительно недавно (2013 - 2015 гг.) и существует лишь в нескольких проектах, то ощущается недостаток исходных данных для построения оптимизационных многокритериальных зависимостей, актуальных для использования в проектировании перспективных образцов. Такими данными могли бы стать результаты испытаний натурных или масштабных моделей АСВП с АР различных проектов, представленные в виде пространства зависимостей аэродинамических характеристик от параметров компоновки (размерений, углов установки и других характеристик) на различных режимах движения. Однако экспериментальные исследования с масштабными моделями судов обладают известными ограничениями [3], среди которых можно выделить высокую стоимость изготовления моделей и проведения испытаний, их трудоемкость и длительность. В качестве одного из альтернативных подходов к определению аэродинамических характеристик судна, использующего влияние экранного эффекта, применяется численное моделирование экранной аэродинамики, реализованное в программном обеспечении автоматизированного проектирования ANSYS. Этот подход успешно зарекомендовал себя в ряде работ [4-6], и его использование может рассматриваться в качестве оптимального инструмента проектных исследований в ходе разработки технического предложения и эскизного проекта перспективного АСВП с АР.
УДЛИНЕНИЕ КРЫЛА ЭКРАНОПЛАНА И АСВП С АР Одним из важнейших конструктивных параметров, влияющих на аэродинамические характеристики движения судна под действием экранного эффекта, является удлинение крыла. В классических компоновках экранопланов с поддувом маршевых движителей на стартовом режиме удлинение крыла Я не превышало 2-3 единиц [7; 8]. При использовании статической воздушной подушки, ор-
ганизованной под частью нижней поверхности крыла с помощью пневмооболо-чечного ограждения и поддерживаемой работой нагнетающих вентиляторов, становится возможным применение в аэродинамической компоновке составного крыла с развитыми консолями. В общем, известно, что с ростом удлинения аэродинамического крыла повышается его аэродинамическое качество при прочих равных условиях. В случае с АСВП с АР, осуществляющего движение под действием экранного эффекта и обладающего нетрансформируемыми элементами ограждения воздушной подушки (а именно бортовыми пневмобаллонетами), вопрос об эффективности большого (по сравнению с традиционными экраноплана-ми) удлинения крыла остается открытым. Кроме того, представляется актуальным установить зависимость между величиной удлинения крыла и характеристикой
влияния экранного эффекта ску (производной коэффициента подъемной силы по
высоте движения над экраном), с использованием которой определяются характеристики продольной статической устойчивости движения судна под действием экранного эффекта [9]. Критерии продольной статической устойчивости движения экраноплана, предложенные Иродовым [9], выражены в соотношениях (1).
ЬХр = Xк - ХРа < 0 ;
У а 1
аХтр = X - X к, < о .
(1)
Координаты аэродинамического фокуса по высоте X^ и аэродинамического фокуса по углу атаки X^ , а также координата положения центра тяжести
ХТ в долях средней аэродинамической хорды крыла в направлении от носа к корме экраноплана определяются по соотношениям (2).
X =дш1/ду = ту ; ;
У дсу / дУ 2 у — дт / да а . а
X= —2-= та / са ПЛ
а дсу / да 2 у. (2)
В соотношениях (2) т2 - коэффициент момента тангажа; су - коэффициент
подъемной силы; а - угол атаки; У - высота движения над экраном в долях средней аэродинамической хорды, определяемая как расстояние от экранирующей по" У „У верхности до задней кромки крыла; тУ и с - производные аэродинамических
коэффициентов по высоте; та и сау - производные по углу атаки.
В целях выявления влияния удлинения крыла на аэродинамическое качество АСВП с АР с использованием технологий численного моделирования выполнено исследование экранной аэродинамики четырех компоновочных вариантов. Принимается обращение движения. Постановка задачи численного моделирования экранной аэродинамики включает построение геометрических моделей исследуемых областей течения с гипотезой симметрии течения относительно диаметральной плоскости судна. Использовались гексаэдрические сеточные модели с количеством контрольных объемов около 5 млн. единиц. Для замыкания
системы уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, принималась модель турбулентности Ментера SST. Все геометрические и сеточные модели выполнены полноразмерными, что исключает влияние масштабного эффекта на результаты определения коэффициентов аэродинамической подъемной силы. Число
^ у
Рейнольдса аэродинамического течения Re~10 . Расчетная модель области аэродинамического течения, выбранная в форме параллелепипеда, показана на рис. 2. Расстояние от нижней грани параллелепипеда (экрана) до судна определяется выбранным значением высоты движения над экраном к в долях САХ. Объем судна вычитается из объема параллелепипеда, и таким образом задача определения аэродинамических сил, действующих на судно, сводится к задаче определения сил, действующих со стороны аэродинамического течения внутри параллелепипеда на поверхности, соответствующие поверхностям судна: вместо судна в параллелепипед включена непроницаемая полая область.
Рис. 2. Расчетная модель экранной аэродинамики АСВП с АР Fig. 2. Calculation model of ground effect aerodynamics of wing-in-ground effect
hovercraft
Для минимизации влияния границ параллелепипеда на результаты численного моделирования расстояние от поверхности исследуемого компоновочного варианта до носовой и верхней граней параллелепипеда составляет не менее пяти длин средней аэродинамической хорды (САХ) крыла; до боковой грани не менее 10 длин САХ. Кормовая грань параллелепипеда отнесена от поверхности компоновочного варианта не менее чем на 20 длин САХ. На носовой грани выбирается граничное условие проникновения аэродинамического течения в параллелепипед с заданной скоростью (условие типа Inlet) с точностью до знака соответствующей скорости движения АСВП с АР под действием экранного эффекта; на кормовой грани - условие свободного истечения из параллелепипеда с нулевым перепадом давления (типа Outlet). На боковой и верхней гранях задано условие свободного проникновения воздуха из и внутрь параллелепипеда, также без перепада давления (тип Opening). На экранирующей поверхности задано условие твердой стенки без прилипания с проскальзыванием (тип Wall). Границе симметрии присвоен со-
ответствующий тип граничного условия Symmetry. На поверхности судна условие типа Wall принимается без прилипания и без проскальзывания.
Один расчетный случай моделирования аэродинамического течения с заданным положением компоновочного варианта по безразмерной высоте h относительно экрана включает построение CAD-геометрии области течения и генерацию контрольно-объемной сеточной модели в программном пакете ANSYS ICEM CFD, передачу ее в препроцессор ANSYS CFX-Pre, численное решение уравнений Навье-Стокса с использованием программы ANSYS CFX-Solver, анализ результатов решения в программе ANSYS CFD-Post. Для автоматизации численных исследований использовалась общая блочная топология для всех компоновочных вариантов, подгружаемая в ANSYS ICEM CFD, с заданным разбиением ребер блоков. Поверхностям области аэродинамического течения различных расчетных случаев присваивались одинаковые наименования в ANSYS ICEM CFD, что способствовало автоматизации задания граничных условий для разных сеточных моделей в ANSYS CFX-Pre (общий файл препроцессора). И также один файл настроек анализа результатов использовался в ANSYS CFD-Post. Структурная схема (алгоритм) численного исследования с учетом использованных возможностей автоматизации на уровне обмена файлами настроек между отдельными процессами представлен на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема (алгоритм) численного исследования Fig. 3. Structural scheme (algorithm) of numerical research
Всего по представленной на рис. 3 схеме выполнены численные исследования для более чем двадцати расчетных случаев. При этом площадь крыла и удлинение центроплана, под которым расположена воздушная подушка, у исследованных компоновочных вариантов АСВП с АР имеют одинаковые значения. Размеры рубки, баллонетов и оперения компоновок также одинаковы. Удлинения
крыла принятых к исследованию компоновочных вариантов АСВП с АР Л имеют значения 2.6; 5; 6.4; 8.3. Результаты численного моделирования экранной аэродинамики в виде зависимостей аэродинамического качества К компоновок от безразмерного зазора между задней кромкой крыла и экраном к для движения с дифферентом а=0°, а также зависимость Съу от удлинения крыла Л для к = 0.2 приведены на рис. 4, 5.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Результаты численных исследований показывают, что аэродинамическое качество К компоновочных вариантов АСВП с АР с удлинением крыла Л > 5 выше, чем аэродинамическое качество компоновки с Л = 2.6, примерно в 1.8 раза и достигает значения К=29 единиц (рис. 4).
Рис. 4. Зависимости аэродинамического качества компоновочных вариантов АСВП с АР с различными значениями удлинения крыла Л от безразмерной
высоты движения h
Fig. 4. Dependences of the lift-to-drag ratio of wing-in-ground effect hovercraft layout variants with different values of the wing aspect ratio Л on ground clearance h
Рис. 5. Зависимость характеристики влияния экранного эффекта (производной коэффициента подъемной силы по высоте движения над экраном, вычисленной в долях средней аэродинамической хорды) от удлинения крыла Л компоновочных
вариантов АСВП с АР для h = 0.2 Fig. 5. Dependences of the ground impact characteristic (the derivative of the lift
coefficient for the height of motion above the ground, calculated in fractions of the average aerodynamic chord) on the wing aspect ratio Л of wing-in-ground
effect hovercraft layout variants for h = 0.2
Высокое аэродинамическое качество компоновочных вариантов АСВП с АР с удлинением крыла Л > 5 объясняется, с одной стороны, снижением аэродинамического сопротивления компоновки за счет устранения концевых шайб (рис. 1) и замены их на винглет, обладающий собственным значением аэродинамического сопротивления Сх вингл ~ 0 (а при некоторых углах установки винглета
наблюдались значения С вингл < 0 - винглет «работал» на тягу). С другой стороны, с ростом удлинения крыла имеет место снижение индуктивной составляющей аэродинамического сопротивления, которая, несмотря на квадратичную зависимость от коэффициента подъемной силы, не превышает 5-10% величины полного аэродинамического сопротивления. При этом согласно результатам численного моделирования при увеличении удлинения Л крыла АСВП с АР на 40% коэффициент подъемной силы С растет примерно на 15%, т. е. резкий прирост аэродинамического качества компоновочных вариантов с винглетами вместо концевой шайбы связан в большей степени с изменением полного аэродинамического сопротивления.
В то же время с ростом удлинения Л наблюдается значительное снижение влияния экранного эффекта на характеристики движения АСВП с АР. В отличие от экранопланов c крылом Л = 2...4, с приближением к экрану крыла большого удлинения с Л > 5 происходит менее интенсивный рост подъемной силы. Это
свойство иллюстрируется зависимостью С hv (Л) (рис. 5), которая имеет вид, близ-
кий к линейному. Для устойчивых по высоте режимов движения экранопланов характерны значения С < — 1 на режимах с к > 0.2. Анализ соотношений (1) и (2) показывает, что при гипотетически независимом от других аэродинамических коэффициентов неограниченном увеличении Ску критерии Иродова не выполняются. Фактически же связанность поступательного и вращательного движения экраноплана в продольной плоскости зависит от ряда свойств компоновки и определяется в ходе проектирования по результатам расчета динамики движения. Следовательно, при проектировании аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР, обладающего продольной статической устойчивостью, в соответствии с критериями Иродова и результатами настоящего численного исследования рационально выбирать крыло с удлинением X < 4. Конкретное значение удлинения крыла проектируемого АСВП с АР определяется в процессе формирования технического предложения с учетом принятых характеристик управляемости, а также технико-экономических показателей: достигаемой дальности хода, тяговооружен-ности и водоизмещения. Полученные в ходе настоящего исследования зависимости аэродинамического качества и характеристики влияния экранного эффекта рекомендуются для использования в разработке перспективных вариантов аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполнено численное исследование аэродинамических характеристик компоновочных вариантов судна нового архитектурно-конструктивного типа -амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР). Получены зависимости аэродинамического качества от высоты движения над экраном для подобных компоновочных вариантов АСВП с АР, отличающихся значениями удлинения крыла. Определена характерная зависимость
параметра влияния экранного эффекта Су от удлинения крыла проектируемого
судна: ее вид близок к линейному. Показано, что увеличение удлинения способствует повышению аэродинамического качества, с одной стороны, и снижению
абсолютной величины Су -с другой. Таким образом, в ходе проектирования
аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР необходимо искать баланс между требуемыми значениями аэродинамического качества, которые определяют ожидаемые характеристики дальности хода и тяговооруженности, и характеристиками продольной статической устойчивости, вычисляемыми через аэродинамическую производную коэффициента подъемной силы по высоте движения над
С к
________ у .
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Роль перспективных воздушных амфибий в развитии транспортной системы России, включая приморские регионы страны / В. П. Морозов [и др.] // Теория и практика морской деятельности - 2013. - № 24. - С. 42-60.
2. Кальясов, П. С. Математическое моделирование аэрогидродинамики амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой на режиме хода на воздушной подушке / П. С. Кальясов, А. В. Февральских,
B. В. Шабаров // Проблемы прочности и пластичности - 2014. - № 76 (3). -
C. 263 - 268.
3. Сравнительный анализ двух подходов к разработке аэрогидродинамической компоновки скоростного амфибийного судна / М. П. Лобачев [и др.] // Морской вестник. - 2017. - № 3(63). - С. 22 - 27.
4. Сайфуллин, Т. И. Численное моделирование аэродинамики экраноплана с учетом волнения / Т. И. Сайфуллин // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. -2013. - № 78 (362). - С. 69-74.
5. Применение методов вычислительного эксперимента для определения аэродинамических характеристик экраноплана на крейсерском режиме движения / В. Н. Блохин [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2012. - № 3. - С. 147-154.
6. Применение механизации крыла в виде закрылка и предкрылка на взлетных режимах экранопланов со статической воздушной подушкой / П. С. Кальясов [и др.] // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. -№ 2 (36). - Т. 2. - С. 9 - 15.
7. Экранопланы: транспортные суда XXI века / А. И. Маскалик [и др.]. -Санкт-Петербург: Судостроение, 2005. - 576 с.
8. Rozhdestvensky, K.V. Wing-in-ground effect vehicles / K.V. Rozhdestven-sky // Progress in aerospace sciences. - № 42. - 2006 - pp. 211-283.
9. Иродов, Р. Д. Критерий продольной устойчивости экраноплана при полете с постоянной скоростью вблизи экрана / Р. Д. Иродов // Ученые записки ЦАГИ. - 1970. - № 4. - Т. 1. - С. 63-74.
REFERENCES
1. Morozov V. P., Sokolyanskiy V. P., Zakharchenko YU. A., Dolgopolov A. A. Rol' perspektivnykh vozdushnykh amfibiy v razvitii transportnoy sistemy Rossii, vklyuchaya primorskie regiony strany [Role of perspective aeroamphibians in the development of Russian transport system]. Teoriya ipraktika morskoy deyatel'nosti, 2013, no. 24, pp. 42-60.
2. Kal'yasov P. S., Fevral'skikh A. V., Shabarov V. V. Matematicheskoe mod-elirovanie aerogidrodinamiki amfibiynogo sudna na vozdushnoy podushke s aero-dinamicheskoy razgruzkoy na rezhime khoda na vozdushnoy podushke [Mathematical modeling of aerohydrodynamic of amphibious air-cushion vehicle with aerodynamic unloading on cushion regime]. Problemy prochnosti i plastichnosti, 2014, no. 76 (3), pp. 263-268.
3. Lobachev M. P., Kal'yasov P. S., Luk'yanov A. I., Fevral'skikh A. V., Shabarov V. V. Sravnitel'nyy analiz dvukh podkhodov k razrabotke aerogidrodinamich-eskoy komponovki skorostnogo amfibiynogo sudna [Comparative analysis of the two approaches to the development of the aero-hydrodynamic layout of a high-speed amphibious vehicle]. Morskoy vestnik, 2017, no. 3(63), pp. 22-27.
4. Sayfullin T. I. Chislennoe modelirovanie aerodinamiki ekranoplana s uchetom volneniya [Numerical simulation of wing-in-ground effect vehicle aerodynamics with waves]. Trudy TSNIIim. akad. A. N. Krylova, 2013, no. 78 (362), pp. 69-74.
5. Blokhin V. N., Prokhorov V. M., Kal'yasov P. S., YAkimov A. K., Tumanin A. V., Shabarov V. V. Primenenie metodov vychislitel'nogo eksperimenta dlya opre-deleniya aerodinamicheskikh kharakteristik ekranoplana na kreyserskom rezhime dvizheniya [The application of computer simulation for the determination of wig craft aerodynamic characteristics in a cruising regime]. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Lobachevskogo, 2012, no. 3, pp. 147-154.
6. Kal'yasov P. S., Luk'yanov A. I., Fevral'skikh A. V., Shabarov V. V. Primenenie mekhanizatsii kryla v vide zakrylka i predkrylka na vzletnykh rezhimakh ekrano-planov so staticheskoy vozdushnoy podushkoy [Mechanization of wing by flaps and slats on takeoff motion modes of ground effect vehicles with static air cushion]. Mor-skie intellektual'nye tekhnologii, 2017, no. 2 (36), vol. 2, pp. 9-15.
7. Maskalik A. I. Ekranoplany: transportnye suda 21 veka [Wing-in-ground effect vehicle: transport vessels of 21th century]. Saint-Petersburg, Sudostroenie, 2005, 576 p.
8. Rozhdestvensky K. V. Wing-in-ground effect vehicles. Progress in aerospace sciences, 2006, no. 42, pp. 211-283.
9. Irodov R. D. Kriteriy prodol'noy ustoychivosti ekranoplana pri polete s post-oyannoy skorost'yu vblizi ekrana [Criteria of the Longitudinal Stability of the Ekrano-plan]. Uchenye zapiski TSAGI, 1970, vol. 1, no. 4, pp. 63-74.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Февральских Андрей Владимирович - закрытое акционерное общество «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», г. Москва; кандидат технических наук; ведущий инженер по гидрогазодинамике; E-mail: [email protected]
Fevralskikh Andrey Vladimirovich - CADFEM CIS, Moscow; PhD in Technical Sciences; Lead Engineer in Aerohydrodynamics; E-mail: [email protected]
