CC BY
63
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 533.6.011
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ПЛОСКИХ И ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ПЕРФОРИРОВАННЫХ ТЕЛ
В.Т. КАЛУГИН, П.А. ЧЕРНУХА, А.Ю. БЕЗУСЯК
Исследовано влияние перфорации на структуру течения вблизи осесимметричных и плоских тел. Получены структуры обтекания и найдены некоторые аэродинамические характеристики таких тел, выявлены закономерности их изменения в зависимости от степени перфорации.
Введение
Одним из методов управления процессами обтекания является использование проницаемых поверхностей в качестве элементов конструкции летательных аппаратов. Применение такого метода позволяет предотвратить нежелательные явления, связанные с отрывом и не-стационарностью обтекания. Проницаемость поверхности может быть получена ее перфорацией, что позволяет в широком диапазоне скоростей обеспечить лучший управляющий или стабилизирующий эффект.
Экспериментальные исследования
В качестве моделей для проведения экспериментальных исследований были выбраны жесткий перфорированный конус и пластина. Углы полураствора конуса составляли в = 15°; 30°; 45°; использовались конуса с различными вариантами перфорации (рис. 1).
Вид А (увеличено)
а) б)
Рис. 1. Экспериментальные модели конусов с различной степенью перфорации: а - полная перфорация; б - вертикальные протоки; в - горизонтальные протоки
в)
Пластина имела удлинение Ь=Ь/Ь=4. Степень перфорации для конического тела $ к = 8 отв /8к »0,45, для пластины 8 пл = 8пер /8пл »0,13. Для сравнения аэродинамических характеристик проводились испытания с аналогичными непроницаемыми моделями. Здесь Ь, Ь - соответственно, размах и длина пластины; 8отв - суммарная площадь отверстий перфорации конуса; 8пер - суммарная площадь отверстий перфорированной пластины; 8пл, 8к - площадь непроницаемой пластины, конуса.
В экспериментах скорость потока в рабочей части трубы изменялась в диапазоне У¥ = 20 м/с ^ 40 м/с. Полученные значения аэродинамических характеристик сравнивались с соответствующими значениями для непроницаемых тел.
Результаты исследований
При проведении экспериментальных исследований на моделях конических тел по результатам измерения скоростного напора в невозмущенном потоке, а также в области следа, было рассчитано поле скоростей для перфорированного и непроницаемого конусов, которое позволило выявить особенности структуры обтекания модели с перфорацией, а также, используя метод импульсов, получить оценочные значения коэффициента продольной силы сх при нулевом угле атаки.
Анализ представленных на рис. 2 профилей скорости в области ближнего следа позволил установить, что перфорированный конус за счет массообмена через боковую поверхность имеет более устойчивую структуру течения за кормовым срезом без области возвратного течения и срыва потока в донной части (рис. 3).
а) б) в)
Рис. 2. Профили скоростей в донном следе непроницаемых и перфорированных конусов:
-----профиль скорости за непроницаемым конусом; — профиль скорости за перфорированным конусом; а - в = 15°, б - в = 30°, в - в = 45°
Рис. 3. Структура обтекания непроницаемого и перфорированного конуса
На рис. 4 представлены графики зависимости коэффициента лобового сопротивления перфорированного и непроницаемого конусов при различных углах полураствора в, полученные на основе проведенных экспериментальных исследований.
Видно, что характер зависимости сх(Ь) одинаков как для перфорированных, так и для непроницаемых конусов. При этом коэффициент сх во всем исследованном диапазоне углов в для конуса с перфорацией выше, чем при ее отсутствии, что связано с дополнительным сопротивлением, обусловленным течением в отверстиях перфорации.
Результаты исследования по влиянию степени перфорации и ее размещения на структуру обтекания и значение коэффициента осевой силы приведены на рис. 5.
Рис. 4. Зависимость коэффициента сх от угла полураствора конуса: 1 - перфорированный конус; 2 - непроницаемый конус
Степень перфорации, %
Рис. 5. Коэффициент лобового сопротивления конуса в зависимости от степени перфорации конуса (в = 30°)
Установлено, что уменьшение количества протоков относительно исходного значения
Б к = 0,45 в два раза, независимо от их направления, приводит к снижению скорости вблизи оси симметрии конуса и, по всей видимости, формированию в донной области возвратного течения, что, в свою очередь, вызывает линейное уменьшение значения сх.
Анализ структур течения вблизи пластины показал, что отрыв потока на подветренной поверхности перфорированной пластины достаточно устойчив, колебание линейных размеров области отрыва в поперечном направлении несущественно.
По результатам проведенных весовых испытаний на моделях непроницаемой и перфорированной пластин были построены зависимости коэффициента нормальной силы от угла атаки. В качестве характерной площади выбрана площадь непроницаемой части пластины (рис. 6).
Анализ этой зависимости позволил сделать вывод, что, начиная с некоторых значений а, соответствующих отрывному течению, эффективность использования перфорированной пластины будет выше, чем непроницаемой.
a°
Рис. 6. Зависимость коэффициента су для пластин от угла атаки (Уда = 25 м/с):
—♦------непроницаемая пластина, —▲-------перфорированная пластина
Вывод
Наличие перфорации на осесимметричных и плоских телах позволяет получить более устойчивую структуру обтекания за счет массообмена через проницаемую поверхность. Эффект перфорации повышает сопротивление и стабилизирующие свойства конических тел, а так же удельную нагрузку на плоскую обтекаемую поверхность при больших закритических углах атаки.
EXPERIMENTAL MODELLING OF SUBSONIC FLOW AROUND AXISYMMETRICAL AND
TWO-DIMENSIONAL PUNCHING BODIES
Kalugin V.T., Chernukha P.A., Bezusyak A.U.
Various types of punching and its influence on axisymmetrical and two-dimensional bodies were investigated. Different flow structures and aerodynamic characteristics were obtained.
Сведения об авторах
Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 250 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
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.
Безусяк Андрей Юрьевич, 1987 г.р., студент кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
