CC BY
31
УДК 533.682
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОД ВХОДНЫМ УСТРОЙСТВОМ САМОЛЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУХОЗАБОРНИКА
А.С.Салтыков1, М.М.Федотов2
Иркутское высшее военное авиационное инженерное училище (Военный институт), 664009, г. Иркутск, ул. Советская, 176.
Рассмотрены условия, которые могут привести к возникновению вихревого движения под входным устройством боевого самолета. Рассмотрена методика проведения визуализации. Представлены экспериментальные исследования на основе визуализации вихревого течения под входным устройством на различных высотах. Произведен замер циркуляции на основе теоретических положений по Г.Ф. Бураго, и построена вихревая характеристика изолированного входного устройства на различных высотах. Ил. 5. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: оценка эффективности образцов вооружения (самолет); исследование образцов вооружения и военной техники; тактические характеристики; эксплуатационные характеристики.
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE PROCESS OF VORTEX FORMATION IN FRONT OF THE AIRCRAFT INPUT DEVICE WITH THE USE OF EDDY CHARACTERISTICS OF THE INLET A.S. Saltykov, M.M. Fedotov
Irkutsk Military Aviation Engineering Higher School (Military Institute) 176 First Soviet St., Irkutsk, 664009
The authors examine conditions that can cause vortex motion under the input device (inlet) of a battle-plane. They consider the procedure of visualization. They present experimental studies based on the visualization of vortex motion under the input device (inlet) at different altitudes. They have measured circulation on the basis of G.F. Burago's theoretical statements and designed eddy characteristics of an isolated input device at different altitudes. 5 figures. 6 sources.
Key words: estimation of the efficiency of the armament samples (an aircraft); study of armament samples and military machines; tactical characteristics; operational characteristics.
Одним из основных направлений совершенствования системы эксплуатации авиационной техники (АТ) является снижение затрат для летательных аппаратов, не подлежащих глубокой модернизации, например, боевых самолетов четвертого поколения. В связи с этим, проблема досрочно снятых двигателей (ДСД) [1] становится более актуальной, так как восстановительный ремонт авиационных двигателей (АД) очень трудозатратный и дорогой.
Одной из причин попадания посторонних предметов (ПП) на вход в силовую установку (СУ) боевых самолетов является наличие интенсивного вихревого движения между входным устройством (ВУ) и поверхностью аэродрома. Интенсивность вихревого движения существенно зависит от наличия ветровых возмущений на поверхности взлетно-посадочной полосы. Действительно, при скорости ветра или руления самолета (до 5-7 м/с) и работе газотурбинных двигателей (ГТД) на аэродроме на входе ВУ силовых установок возникают мощные вертикальные вихри (рис. 1) [2]. Учитывая огромные площади и открытые стоянки, на которых размещены боевые самолеты, можно сме-
ло говорить о постоянном присутствии ветра, обусловленного состоянием атмосферы.
Несмотря на многообразие применяемых способов защиты ВУ, которые в свою очередь делятся на эксплуатационные и технические, а также средств борьбы с вихреобразованием, количество ДСД из-за попадания ПП с поверхности аэродрома составляет 44,5% от общего количества ДСД за период с 1995 по 2000 г. [1]. Необходимо понимать и учитывать то обстоятельство, что помимо снижения боеготовности АТ данная проблема влияет и на безопасность полетов. Например, защитные сетки, устанавливаемые на входе в ВУ самолета Су-27 (рис. 2) и предназначенные для защиты проточной части ГТД, зачастую сами становятся причинами авиационных инцидентов и происшествий. Все дело в их обледенении при эксплуатации в осенне-весенний период. Обледенение защитных сеток приводит к существенному снижению расхода воздуха через них, что в свою очередь может привести к неустойчивой работе осевого компрессора и снижению тяги двигателя. Особенно это опасно на ответственных этапах полета, а именно при взлете и
1Салтыков Александр Сергеевич, старший лейтенант, адъюнкт кафедры авиационных двигателей, тел.: (3952)702234, e-mail: [email protected]
Saltykov Alexander Sergeevich, a senior lieutenant, an adjunct of the Chair of Aero-engines, tel.: (3952)702234, e-mail: [email protected]
2Федотов Максим Михайлович, подполковник, преподаватель кафедры авиационных двигателей, тел.: (3952)702234, e-mail: [email protected]
Fedotov Maxim Mihailovich, a lieutenant colonel, a lecturer of the Chair of Aero-engines, tel.:
(3952)702234, e-mail: [email protected]_
посадке. Поэтому для разработки новых, более эффективных способов и мероприятий по защите СУ следует произвести ряд экспериментальных исследований для понимания сущности вихреобразования перед ВУ.
В данной работе представлена методика проведения экспериментальных исследований процесса вихреобразованию перед ВУ с получением качественной и количественной картины протекания процесса.
Рис.1. Вертикальный вихрь под ВУ самолета Ту-22М3
Сочетание ряда условий может привести к возникновению вихревого движения под ВУ и формированию одного вихревого жгута, а именно:
- ГТД с достаточно большим расходом воздуха 6в обеспечивает забор воздуха из окружающей среды;
- высота Н расположения нижней кромки воздухозаборника над поверхностью аэродрома соизмерима с эквивалентным диаметром воздухозаборника Оэкв на входе в канал его проточной части
(£>экв = А * В)/ п , где А, В - длина и ширина
сторон ВУ соответственно);
- наличие точки торможения или точки мнимого стока является обязательным условием образования вихревого жгута (рис. 1) [3].
Если анализировать компоновочную схему современных боевых самолетов, нетрудно предположить, что при достаточно низком расположении ВУ относительно поверхности земли (около метра) двигатели современных боевых самолетов имеют большой расход воздуха 6В для обеспечения высокой тяги двигателя опять же при достаточно большом йэкв. Действительно, при соблюдении этих условий возникают вихревые течения под ВУ, которые приводят к досрочному снятию двигателей с эксплуатации. Поэтому представляют определенный интерес исследования структуры втекающего воздушного потока в ВУ на высотах его расположения от 0,6 до 1,2 м. Данные исследования были проведены экспериментальными и расчетными методами.
С целью получения качественной картины течения и определения циркуляции вихревого движения под
ВУ на различных высотах были проведены экспериментальные исследования. В качестве объекта исследования выступает изолированное ВУ самолета типа МиГ-29. Модель ВУ сварена из металла толщиной 2 мм. Выход газа через сопло не моделировался, защитная решетка во ВУ не устанавливалась, верхний вход отсутствовал. Модель ВУ была выполнена в масштабе 1:10. Скорость на входе в модель ВУ соответствовала скорости в реальном воздухозаборнике ЛА. В течение проведения эксперимента расход газа Gв через модель ВУ оставался неизменным и соответствовал максимальному режиму работы АД.
Рис. 2. Защитная сетка самолета Су-27 (убрана)
Исследования качественной картины были выполнены на экспериментальной установке, которая реализована на станции испытания авиационных двигателей Иркутского ВВАИУ(ВИ) и подробно описана в [4].
Отличие заключалось в том, что на модели поверхности аэродрома для визуализации вихревых течений, возникающих под ВУ, был помещен водный раствор, в котором в качестве подкрашивающей жидкости использовалась концентрированная тушь. При переходе исследований от газа к жидкости также были соблюдены и обеспечены газодинамические условия подобия течений: геометрическое подобие, которое было соблюдено при изготовлении модели ВУ; кинематическое подобие, которое заключается в сохранении законов распределения скорости на натурном образце и модели; динамическое подобие. В качестве критериев подобия использовались подобия по числу Маха М и числу Рейнольдса Re. В ходе экспериментов было выявлено положение отрывных областей, зафиксирована пространственная вихревая зона между поверхностью аэродрома и ВУ, зафиксированы площадь ометания вихря и точка (ее координаты на плоскости) зарождения вихря, а также определены области и условия разрушения вихря под ВУ. Подробнее опыт визуализации вихревых течений перед ВУ описан в [5]. Методика проведения эксперимента состояла из следующих этапов:
- определение области возникновения вихрей под ВУ посредством метода визуализации;
- непрерывность картины течения регистрировалась в реальном времени в цифровой формат (велась видеосъемка с частотой 25 кадров в секунду);
- посредством программного обеспечения покадровой обработки изображений производился анализ полученных данных.
На рис. 3 представлена качественная картина течения под изолированным ВУ. По результатам визуализации можно сделать следующие выводы:
- на высотах Н=0,12 м (рис. 3,а) интенсивность вихря достаточно слабая. Процесс вихреобразования носит случайный характер: то возникает, то исчезает. Вихрь блуждает по поверхности экрана. Ядро вихря находится не под срезом ВУ, а на некотором удалении впереди. Значения максимальных горизонтальных скоростей воздушного потока под ВУ V тах, измеренных с помощью термоанемометра, достаточно малы (не более 0,69 м/с);
- при уменьшении высоты H (рис. 3,б) заметно, что вихрь устойчив, мало меняет свое местоположение, иногда срываются капли воды во ВУ, устойчива и площадь ометания вихря;
- по мере дальнейшего уменьшения высоты H (рис. 3,в) скорости V тах начинают возрастать и отмечено устойчивое вихревое движение, капли воды с некоторой интенсивностью по спирали улетают в канал ВУ;
- на малой высоте Н представлена следующая
картина: скорости V тах достигли своего максимального значения, интенсивность засасывания воды достигла своей максимальной интенсивности (видна картина течения из водяного столба вихря), площадь ометания немного уменьшилась (рис. 3, г).
Таким образом, после получения качественной картины течения потока следующим этапом становится количественное экспериментальное определение циркуляции под ВУ и построение ее характеристик. В [3,6] представлены теоретические положения по определению циркуляции вихря Г. Для наших исследований будем использовать следующий алгоритм. Установим ВУ на заданной высоте Н над поверхностью экрана. В нижней части экрана проведем простой замкнутый контур l произвольной формы. В нашем случае это окружность с центром в ядре вихря. Разобьем ее на конечное число элементов контура dl, как показано на рис. 4. Таких окружностей выберем три с радиусами г1, г2, г3 . Измерим длины дуг секторов, равные конечному числу элементов dl. В середине назначенных секторов установим воображаемые точки для замера величины V тах. Скорость V тах в середине элемента dl обозначим через с. Угол между вектором скорости с и касательной к данной окружности на элементе dl обозначим через а. Производим запуск установки и задаем режим работы ВУ. Расход воздуха 6в через ВУ составил 2 кг/с, температура окружающего воздуха ^ составила 15° С, значение среднего ат-
ВУ
касательная
Рис. 4. Схема для проведения замера тангенциальной скорости с и определения циркуляции Г
мосферного давления было в пределах 710-720 мм рт. ст. Измеряем скорость с при помощи термоанемометра ТТМ-2. Замеры проводим на фиксированной высоте Н, на окружностях r1, r2, r3 для полноты получения картины. Необходимо отметить роль щупа с подвешенным на нем маркером в виде пенопластового шарика на закрепленной нити, который показывал направление движения потока. С помощью видеосъемки отслеживалось перемещение маркера под ВУ, и посредством программы покадровой обработки видеоизображения определялся угол а. Далее определяем тангенциальную скорость по формуле сТ = с■ cosa.
Согласно закону Био-Савара вычислить циркуляцию Г для одного и того же момента времени по всему замк-
n
нутому контуру l можно по формуле Г = ^ (cTdl)i.
i=1
Затем изменяется высота (она может быть увеличена
или уменьшена) и серия замеров продолжается с помощью вышеописанного алгоритма.
На основе проведенных экспериментальных исследований было определено значение циркуляции скорости Г у поверхности аэродрома на различных окружностях Г1, г2, г3 в зависимости от высоты Н, что позволяет ввести понятие вихревая характеристика ВУ.
Вихревая характеристика ВУ - это зависимость циркуляции скорости потока Г по замкнутому контуру I от высоты Н расположения ВУ (расхода воздуха 6в через ВУ, наличия бокового ветра, формы ВУ, внешних условий) при постоянном расходе воздуха 6в в заданный момент времени. Вихревая характеристика ВУ способна определить склонность его к вихреобра-зованию.
На рис. 5 представлена графическая зависимость циркуляции Г от высоты Н. На основании представленной диаграммы можно сделать вывод о том, что на
0,35 Г, м2/с 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
Г1
r2
-kr- Гз
0,04 0,06 0,08 0,1 Н, м 0,14
Рис. 5. Зависимость циркуляции Г от высоты Н на различных окружностях
—
Транспорт
минимальных высотах циркуляция Г имеет свои максимальные значения, которые уменьшаются при увеличении высоты Н.
Полученные результаты, а также изменение гра-йГ
диентов - свидетельствуют о необходимости про-
йН
должения дальнейшей работы путем проведения расчетных исследований (например, методом дискретных вихрей) для сравнения циркуляции Г, полученной экспериментальным путем, с данными, выводимыми программой, проведения экспериментальных исследований по получению вихревых характеристик и расчета циркуляции Г для других ВУ, а также поиска эффективного средства для подавления вихревых течений под ВУ с целью предотвращения ДСД с эксплуатации. Одним из таких средств подавления интенсивных вихревых течений, по нашему мнению, может быть использование выдвижной, отклоняющейся панели из-под нижней кромки ВУ. Предполагается использование выдвижной панели и расчет ее эффективности с применением данной методики.
Библиографический список
1. Чемарев В.Н. Досрочное снятие двигателей самолетов фронтовой и дальней авиации из-за попадания посторонних предметов и птиц в 1995-2000 гг. // Мат-лы научно-техн. се-
минара «Росавиакосмос», состоявшегося в ЛИИ им. М.М. Громова 30.12.02 г. М.: ЛИИ им. М.М. Громова, 2003.
2. Даниленко Н.В., Кривель П.М. Эксплуатация реактивных летательных аппаратов с учетом вихревых особенностей от суточного вращения земли // Материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока. Иркутск: ИВВАИУ(ВИ), 2003. Ч. II. С. 165-168.
3. Исследование вихревых течений потока перед воздухозаборниками авиационной силовой установки с газотурбинными двигателями/ Даниленко Н.В. [и др.] Иркутск: ИВВА-ИУ(ВИ), 2008. 440 с.
4. Пахомов С.В., Салтыков А.С., Пашталян М.В. Установка для проведения экспериментальных исследований, моделирующая вихревые течения перед входным устройством боевого самолета// Научные труды Иркутского ВВАИУ(ВИ). Иркутск, 2008. Вып. 7.
5. Пахомов С.В., Салтыков А.С., Савельев А.В. Визуализация вихревых образований перед входным устройством боевого самолета// Научные труды Иркутского ВВАИУ(ВИ). Иркутск, 2008. Вып . 7.
6. Бураго Г.Ф. Аэродинамика. Основы теоретической аэродинамики и аэродинамика крыльевых профилей. М.: Типография ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1957. Ч.1. 350 с.
УДК 656.142
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЗАДЕРЖЕК ПЕШЕХОДОВ НА РЕГУЛИРУЕМЫХ ПЕШЕХОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ
Н.А.Скульбеденко1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены наиболее распространенные модели расчета средней задержки пешеходов на регулируемых пешеходных переходах. Ил. 3. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: организация безопасности движения транспортных и пешеходных потоков.
METHODS TO CALCULATE PEDESTRIAN DELAYS AT THE REGULATED PEDESTRIAN CROSSINGS N.A. Skulbedenko
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The author studies widely spread models to calculate average pedestrian delay at the regulated pedestrian crossings. 3 figures. 5 sources.
Key words: organization of safe movement of traffic and pedestrian flows.
Выбор оптимального варианта организации движения или проекта планировки пересечения предполагает как обязательную процедуру оценку суммарного ущерба от задержек транспортных средств и пешеходов. Для выполнения этой оценки необходимы соответствующие методы расчета задержек. Сразу отметим, что в нашей стране все еще используется расчет задержек транспортных средств по формуле Вебстера, а расчеты задержек пешеходов не выполняют-
ся. В этой связи представляется интересным рассмотреть наиболее распространенные методы оценки средней задержки пешеходов на регулируемых пешеходных переходах, применяемые в зарубежной практике.
Светофорное регулирование на пешеходных переходах осуществляется двумя способами:
• применением жесткого режима регулирования;
1Скульбеденко Надежда Анатольевна, аспирант, тел.: (3952)671417, e-mail: [email protected] Skulbedenko Nadezhda Anatoljevna, a postgraduate, tel.: (3952)671417, e-mail: [email protected]
