Интерференция крыла и струи в сносящем потоке Текст научной статьи по специальности «Физика»

Том I

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

то

№ 3

УДК 629.735.33.014.16.015.3

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ КРЫЛА И СТРУИ В СНОСЯЩЕМ ПОТОКЕ

В. Н. Арнольдов, М. Г. Гордон, А. А. Савинов

Приводятся результаты экспериментального исследования влияния струй, вытекающих под углом 90° к нижней поверхности крыла, на аэродинамические характеристики изолированных крыльев вдали от экрана и вблизи от него. На основе расчетов и результатов экспериментального исследования взаимодействия струй различной формы начального сечения с крыльями различных относительных размеров и формы в плане дается анализ причин, обусловливающих изменение эффективной тяги струй при увеличении скорости набегающего потока и уменьшении расстояния крыла до экрана. Показано, что вдали от экрана внешнее обтекание струи играет основную роль в изменении аэродинамических характеристик крыла при увеличении скорости набегающего потока, а вблизи от экрана существенное благоприятное влияние оказывает вихревой вал, возникающий на поверхности экрана.

Интерференция крыла и струи, вытекающей под некоторым углом к его нижней поверхности, приводит, как известно, к образованию на крыле отрицательной подъемной силы, которая уменьшает величину эффективной тяги струи. Одновременно претерпевают значительное изменение и другие аэродинамические характеристики крыла. Эти из-ЖШШ азроддммнческих характеристик получаются особенно существенными при уменьшении расстояния крыла до экрана и увеличении скорости набегающего потока. Потери тяги струи, возникающие при отсутствии набегающего потока, обусловлены силами вязкости. Струя в этом случае, вовлекая в движение окружающий воздух, создает возмущенное течение около крыла. Вследствие этого на нижней поверхности крыла возникают разрежения, уменьшающие эффективную тягу струи. Вдали от экрана эти потери невелики. Значительное увеличение потерь при уменьшении расстояния крыла со струей до экрана связано с образованием веерной струи, обладающей значительно большей эжекцион-ной способностью, и приближением крыла к этому источнику возмущений [1] — [3].

Увеличение потерь подъемной силы и изменение других аэродинамических характеристик крыла со струей при увеличении скорости набегающего потока связано, во-первых, с возмущениями, возникающими при обтекании струи, и, во-вторых, возможно, с некоторым изменением ее подсасывающих свойств в сносящем потоке.

На фиг. 1 показано экспериментальное распределение давления, которое возникает на плоской поверхности при обтекании жесткого цилиндра и реальной струи, нормальных к этой поверхности, и расчетное распределение давления, полученное при замене струи системой рас-

иояоженных на ее оси стоков в предположении, что интерференция крыла и струи ¡вызвана только подсасывающим действием струи [4]. сравнение показывает, что распределение давления в окрестности |*еальной струи по характеру расположения зон повышенного и пониженного давления качественно аналогично распределению давления вокруг жесткого цилиндра и противоположно расчетному распределению давления.

Уо«1Гр^ = 0,25

Жесткий Струя Замена струи

цилиндр (эксперимент) системой стокоВ

(экс перимент ) [4 ] (рас чет )

Фиг. 1

Однако величины дополнительной подъемной силы, которые возникают от реальной струи и жесткого цилиндра, существенно отличаются друг от друга. Эти отличия получаются особенно значительными в диапазоне сравнительно малых значений приведенного отношения скорости набегающего потока к скорости струи

^^ — V<х>У. Реальная струя, изгибаясь и расширяясь,

ттриобретает в сносящем потоке сложную пространственную форму, весьма далекую от цилиндра [5]. Характерно, что самое значительное изменение размеров струи в сносящем потоке (в отличие от струи в затопленном пространстве) происходит на ее начальном участке и может вызывать существенные возмущения на поверхности крыла.

На фиг. 2 приведены некоторые результаты приближенных расчетов, которые были выполнены для случая идеальной жидкости с целью качественной оценки приращения подъемной силы (в долях тяги струи), индуцируемой на плоской поверхности цилиндром и расширяющимся твердым телом, имитирующим размеры и форму струи. Расчеты показывают, что расширяющееся тело, имеющее эллиптическую фор* му поперечного сечения с отношением полуосей 1 :4 и поперечный размер Ъ, взятый по экспериментальным данным [5], вызывает по сравнению с цилиндром во много раз большую по величине силу, особенно в диапазоне сравнительно малых значений приведенного отношения скорости набегающего потока к скорости струи. Это свидетельствует

о том, что форма струи и ее изменение по мере увеличения скорости набегающего потока играют важную роль при интерференции крыла и

струи. Более того, анализ этих данных показывает, что при небольших значениях приведенного отношения скоростей основные возмущения на крыле создаются участком струи большой протяженности, обладающим несущими свойствами подобно некоторому крылу малого удлинения, расположенному под большим углом атаки по отношению к поверхности основного крыла. По мере увеличения изгиба струи несущие свойства ее удаленных участков уменьшаются вследствие уменьшения их угла атаки, и все большее значение начинают играть возмущения, обусловленные обтеканием начального участка струи как плохо обтекаемого тела, близкого по форме к цилиндру непосредственно у поверхности крыла. Поэтому, например, уменьшение начального угла наклона струи

Рс^0,01

-0,2

-0,4

-0,5

Рс

• — Цилиндр ~~~

. Рй сширя тел шщееся 9

Струя ^ (знсперимел '777 [б])

Фиг. 2

к плоскости крыла приводит к существенному уменьшению потерь тяги во всем диапазоне изменения приведенного отношения скоростей, а при очень больших его значениях, когда, казалось бы, струя наиболее далека по своей форме от цилиндра, поле давлений, индуцируемых круглой струей, как показано в работе [6], уже мало чем отличается не только качественно, но и количественно от поля давлений в окрестности жесткого цилиндра.

Экспериментальные исследования были проведены на моделях прямоугольных крыльев с удлинением Я = 2 при угле атаки а = 0. Исследовалась интерференция крыльев со струями, имевшими в начальном сечении форму круга (круглые струи) и эллипса (эллиптические струи), большая ось которого могла располагаться перпендикулярно и параллельно вектору скорости набегающего потока. В дальнейшем для удобства будем называть эллиптическую струю в зависимости от положения ее большой оси эллиптической струей поперек потока и эллиптической струей по потоку.

Вдали от экрана на крыле, имеющем достаточно большие размеры по сравнению с размерами начального сечения струи

— 0,001641 , наиболее значительные потери тяги дает

эллиптическая поперек потока струя, а струи круглой и эллиптической по потоку формы дают близкие по величине потери (фиг. 3). На фиг. 3 показано также влияние формы начального сечения струи на приращение продольного момента крыла.

Эллиптическая поперек потока струя (отношение полуосей равно

1 : 10) является плохо обтекаемой в начальных сечениях, но наиболее изогнутой, т. е. представляет собой плохо обтекаемое препятствие, рас-

положенное на поверхности крыла. Уже при сравнительно небольших скоростях набегающего потока основные возмущения на крыле создаются ее начальным участком в виде обширных зон повышенного давления перед струей и разрежения за струей. Спектры шелковинок на поверхности крыла показывают, что перед струей происходит торможение потока и характерный отрыв пограничного слоя, а за струей образуется обширная зона отрыва (фиг. 4).

Фиг. 4

Эллиптическая по потоку струя хорошо обтекаема на начальном участке (узкий след, отсутствие видимой зоны подпора перед струей). Но эта струя интенсивно расширяется в поперечном направлении и является наименее изогнутой. Опыты в затопленном пространстве показывают, что характерной особенностью распространения эллиптической струи является весьма неравномерное ее расширение по большой и малой осям эллипса. По малой оси получается приблизительно в шесть раз более интенсивное расширение, чем по большой. При обтекании струи сносящим потоком происходит дополнительная деформация формы ее сечений. На лобовой поверхности струи возникает избыточное давление, а на боковых поверхностях и сзади—разрежение. Благодаря этому наиболее значительное расширение происходит в направлении,

перпендикулярном направлению скорости набегающего потока, и эллиптическая по потоку струя на некотором удалении от поверхности крыла приобретает форму, которая вносит значительные возмущения в поток. Основные возмущения на поверхности крыла создаются именно этими участками струи. Они проявляются преимущественно в образовании зон разрежения около струи и носят значительно более однородный характер, чем возмущения от эллиптической поперек потока струи.

Фиг. 5

Обращаясь вновь к результатам испытаний прямоугольного крыла со струями различной формы, вытекающими под углом 90° к его нижней поверхности (см. фиг. 3), следует отметить, что они соответствуют представлению о роли различных участков струи ,в образовании потерь по мере увеличения скорости набегающего потока. Придание начальному участку струи обтекаемой формы не приводит к уменьшению потерь тяги в обследованном сравнительно узком диапазоне изменения приведенного отношения скоростей. Струи круглой и эллиптической по потоку формы вызывают близкие по величине потери тяги. Следовательно, на этих режимах важна не столько форма начального сечения струи, сколько полная пространственная форма струи, которая образуется в сносящем потоке. А она получается близкой у обеих струй, судя по тому, что на расстоянии пяти калибров от поверхности крыла они дают уже приблизительно одинаковый след на сетке шелковинок (фиг. 5).

Влияние формы начального сечения струи (или взаимного расположения нескольких струй) на аэродинамические характеристики крыла существенно зависит от отношения площади начального сечения струи к площади крыла. Потери тяги на прямоугольном крыле малых размеров со струями эллиптической поперек потока и круглой формы

^0 = 0,01) сначала увеличиваются при увеличении приведенного отношения скоростей, а затем, достигнув наибольшего значения, умень-

д )'

щаются и в конце концов —р— меняет знак (фиг. 6). При этом прирост

продольного момента достигает значительных величин. Эллиптическая с*груя по потоку на малом крыле, как и на большом, вызывает потери тяги, которые увеличиваются при возрастании приведенного отношения скоростей.

Резкое качественное изменение аэродинамических характеристик крыла со струями круглой и эллиптической поперек потока формы, происходящее при уменьшении относительных размеров крыла, связано с тем, что на малом прямоугольном крыле часть зоны существенных возмущений, вызываемых струями, оказывается вне пределов крыла. При некотором значении приведенного отношения скоростей, когда возникают положительные приращения подъемной силы, превалирующее значение приобретает зона повышенного давления перед струей, а зона разрежений, возникающая за струей, находится частично вне крыла. Измерения распределения давлений на поверхности крыла (например, [6]) показывают, что по мере увеличения скорости набегающего потока постепенно развивается зона подпора перед струей при одновременном уменьшении размеров и смещении вниз по потоку зоны разрежений. Возможно, к тому же сказывается и влияние струи на обтекание верхней поверхности крыла.

При уменьшении размеров крыла с эллиптической по потоку струей эти явления не имеют существенного значения благодаря особенностям возмущений, возникающих при обтекании такой струи, о чем говорилось выше.

Эллиптическая поперек потока струя (или расположение струй в ряд поперек потока) имеет на малом прямоугольном крыле существенные преимущества по сравнению с эллиптической по потоку струей (или расположением струй в ряд по потоку). Значительно больший прирост продольного момента, получаемый на крыле с этой струей, позволяет при некотором заданном положении центра тяжести сместить эллиптическую поперек потока струю ближе к задней кромке крыла и

получить за этот счет дополнительные преимущества по сравнению с эллиптической по потоку струей. Круглая струя также обладает существенными преимуществами по сравнению с эллиптической по потоку струей при достаточно больших значениях приведенного отношения скоростей.

Изменение формы струи или компоновки струй на крыле позволяет на прямоугольных крыльях, имеющих близкое к реальному отношение площади сопла к площади крыла (/”’с ^ 0,01), не только существенно уменьшить потери тяги, но и весьма значительно увеличить эффективную тягу струи. Это согласуется с результатами исследования различных вариантов расположения девяти струй на прямоугольном крыле, приведенными в работе [7].

-ол

-0,4

-0,6

-0,8

гс=0, 00164 /

\ / /

Л / 0,01

\ 4 О !

Л-= Ъ = 0,3 Од

У^т/Р^--0,05

Положение дихре-дого дола

Фиг. 7

Возможности использования зоны повышенного давления для уменьшения потерь тяги на крыльях ограниченных размеров зависят от формы крыла в плане и положения струй на крыле. Так, например, вследствие особенностей геометрии треугольного крыла положительное действие подпора, возникающего перед струей, не используется, и влияние областей разрежения доминирует, определяя изменение суммарных аэродинамических характеристик. Поэтому на треугольном крыле при сравнительно переднем положении струй эллиптическая поперек потока струя вызывает значительно большие потери тяги, чем струи круглой и эллиптической по потоку формы. По тем же причинам смещение круглой струи к передней кромке крыла вызывает существенное увеличение потерь тяги при больших значениях приведенного отношения скоростей.

Таким образом, вдали от земли внешнее обтекание струи является важным фактором, который определяет изменение аэродинамических характеристик крыла при увеличении скорости набегающего потока. Изменение формы струи или расположения струй на крыле позволяет уменьшить вредную интерференцию крыла и струи в сносящем потоке.

Близость земли значительно усложняет картину взаимодействия крыла и оказывает существенное влияние на аэродинамические ^{рктеристики крыла со струей. Из многообразия факторов, определяющих интерференцию крыла и струи вблизи земли, целесообразно уделить три основных явления, которые последовательно могут иметь $есто при увеличении скорости набегающего потока.

; Во-первых, образование веерной струи, обладающей значительно большей эжекционной способностью, чем свободная струя, и приближение крыла к этому источнику возмущений, обусловливающее увеличение ротерь тяги. Этот эффект является основным при скорости набегающего потока, равной нулю, и играет существенную роль при сравнительно малых значениях приведенного отношения скоростей.

| Г,'г0,00164 О О,} 0,2

Во-вторых, образование вихревого вала, возникающего при торможении веерной струи набегающим потоком. Смещение вала при увеличении скорости набегающего потока приводит, начиная с некоторого значения приведенного отношения скоростей, к уменьшению потерь тяги, так как перед валом при его обтекании возникает зона повышенного давления, а подсасывающее действие веерной струи уменьшается вследствие уменьшения ее размеров. Если сопоставить положение вихревого вала с изменением потерь тяги при увеличении приведенного отношения скоростей, то нетрудно установить, что уменьшение потерь тяги наступает тогда, когда более или менее значительная часть крыла оказывается в зоне подпора перед валом (фиг. 7). Естественно, что при уменьшении относительных размеров крыла или увеличении Т7с положительное влияние вихревого вала проявляется менее значительно. Этот эффект зависит также от формы крыла в плане, положения струи на крыле и угла отклонения струи.

И, наконец, в-третьих, обычное влияние близости земли, которое становится основным эффектом при достаточно большой скорости набегающего потока, когда струя изгибается настолько, что вихревой вал не возникает. В качестве примера можно привести результаты испытаний прямоугольного крыла с эллиптической поперек потока струей (фиг. 8). В диапазоне малых значений приведенного отношения скоростей наблюдаются те же особенности протекания зависимости

-ц- (^оо УРк), что и в рассмотренных ранее примерах (потери сначала увеличиваются, достигают максимума и затем уменьшаются). При дальнейшем увеличении приведенного отношения скоростей достигается минимум потерь тяги, связанный с ликвидацией вихревого вала на поверхности земли. Значение приведенного отношения скоростей, при котором происходит ликвидация вихревого вала, увеличивается при уменьшении относительного расстояния крыла до земли.

Таким образом, существенное изменение аэродинамических характеристик крыла со струей вблизи земли, происходящее при увеличении скорости набегающего потока, связано с возникновением, смещением и, наконец, ликвидацией вихревого вала. Благоприятное влияние вала может быть использовано для уменьшения вредной интерференции крыла и струи вблизи земли.

* *

*

ЛИТЕРАТУРА

1. Sei bold W. Untersuchungen über die von Hubstrahlen an Senkrechtstarten erzeugten Sekundärkräfte. Jahrbuch 1962 der WGLR, 1963.

2. Wу att L. A.. Static tests on ground-eUed on planiorm iitted

with a centrally-located round lifting jet. ARC CP, № 749, 1962.

3. Яковлевский О. В., Секундов А. Н. Исследование

взаимодействия струи с близко расположенными экранами. Изв. АН СССР, Сер. «Механика и машиностроение», № 1, 1964.

4. Таганов Г. И. К теории подсасывающего действия струи в поперечном потоке. Труды ЦАГИ, вып. 1172, 1969.

5. П а л а т н и к И. Б., Темирбаев Д. Ж. Закономерности распространения осесимметричной воздушной струи в сносящем однородном потоке. Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики, вып. 4, 1967.

6. В г a d b и г у L. J. S., W о о d М. N. Pressure distribution around

a circular jet exhausting normally from a plane wall into an airstream.

ARC CP, № 822, 1965.

7. W i 11 i a m s J., W о о d M. N. Aerodynamic interference effects with jet-lift V'/STOL aircraft uder static and forwardspeed conditions. ZFW, Hf. № 7, 1967.

Рукопись поступила 4JVII 1969 г.