Особенности сверхзвукового обтекания двух тел и их аэродинамические харiактеристики в режиме разделения Текст научной статьи по специальности «Физика»

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Т о м XX 19 8 9

№ 4

УДК 629.7.015.075.6 533.6.074.08

ОСОБЕННОСТИ СВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ДВУХ ТЕЛ И ИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В РЕЖИМЕ РАЗДЕЛЕНИЯ \

Р. И. Виноградов, В. В. Трофимов, И. Р. Якубов

На основе аналогового моделирования в условиях «мелкой воды» выявлены особенности аэродинамики обтекания двух непрерывно разделяющихся тел, одно из которых расположено в следе другого. Получены теневые картины обтекания и аэродинамические характеристики разделяющихся тел. Показано существенное влияние непрерывного разделения.

Среди особенностей сверхзвукового обтекания двух тел, одно из которых расположено в следе другого, — существование критического расстояния между ними, при котором происходит перестройка течения. Этому вопросу посвящены работы [1—4].

Очевидно, что перестройка существенно зависит от параметров течения, а также геометрических и кинематических параметров разделения, таких, как форма и отношение поперечных размеров тел, относительное удаление, относительная скорость разделения (расхождения или схождения) и др. Важными факторами являются также траектория непрерывного относительного движения и ориентировка тел относительно потока и друг друга (при их одновременном линейном и угловом смещении).

Настоящая статья посвящена задаче определения влияния траектории относительного движения отделяемого тела на перестройку сверхзвукового течения между телами и их аэродинамические характеристики. Используется метод гидравлического аналогового моделирования, основанный на газогидравлической аналогии Н. Е. Жуковского [5, 6].

Аналоговым устройством является гидроканал, в котором реализуется прямое движение испытываемой модели в слое «мелкой» воды. Координатный механизм обеспечивает непрерывное перемещение заднего тела относительно переднего по заданной траектории в плоскости я, у, а также разворот его относительно г.

Аналоговые испытания проведены при числах М в диапазоне Моо = 1,4 ... 2,1.

Переднее тело имело форму затупленного клина. Оно крепилось на самостоятельной державке. Отделяемое тело представляло собой цилиндр, ось которого параллельна оси движения. Цилиндр крепился на державке, соединенной с координатным механизмом. Обе державки находились вне потока «мелкой» воды, но в поле съемки картины обтекания.

Система из двух моделей выводилась на режим по числу М с помощью подвижной тележки аналогового устройства, а с определенного момента координатный механизм обеспечивал непрерывное перемещение разделяемого тела относительно переднего по заданной траектории и с заданной скоростью. Развитие процесса во времени фиксировалось на кинопленку, а необходимые результаты получались после обработки кинограмм.

На рис. 1 приведены схемы, выполненные по кинограмме, и отдельные фотоотпечатки с кинограмм, отражающие различные стадии процесса разделения тел по заданным траекториям: первый ряд — непрерывное перемещение разделяемого тела относительно переднего вдоль оси х; второй — перемещение отделяемого те-

ла относительно переднего с уводом вдоль оси у, третий — перемещение отделяемого тела относительно переднего с уводом по прямой траектории, т. е. одновременным движением его вдоль осей координат х и у, четвертый — перемещение отделяемого тела назад — вниз, а затем вперед вдоль оси х\ фотоотпечатка — непрерывное разделение с одновременным вращением отделяемого тела.

Схема «а» соответствует случаю 1<1кр, схема «б» —/>/кр (причем 7кр=/кр/й, где (1 — поперечный размер переднего тела). Такие схемы обтекания возможны в случае выполнения маневров расхождения или сближения двух тел только в направлении оси х. По схеме «в», соответствующей небольшим значениям г/, перед выступающей кромкой отделяемого тела возникает скачок уплотнения (параметры х и у отнесены

к размеру а). По мере увеличения у схема «в» переходит в схему «г», в соответствие с которой скачок уплотнения перед разделяемым телом замыкается на поверхность переднего тела и взаимодействует с головным скачком уплотнения. С дальнейшим ростом у реализуется схема «б», которая характеризуется тем, что головной скачок перед отделяемым телом взаимодействует только с головным скачком от переднего тела. Схема «е» характеризуется взаимодействием головных скачков уплотнения от обоих разделяющихся тел с появлением отраженного скачка уплотнения. Схема «ж» аналогична схеме «г» для случая перемещения разделяемого тела только вдоль оси координат у. По схеме «з» головной скачок уплотнения перед отделяемым телом взаимодействует с хвостовым скачком от переднего тела. По схеме «к» головной скачок от второго тела взаимодействует с нижней ветвью хвостового скачка головного тела. Схема «л» — головной скачок перед отделяемым телом взаимодействует с хвостовым скачком от переднего тела и претерпевает наибольшие деформации в области следа.

В случае разделения двух тел, сопровождающегося вращением отделяемого элемента, также существует схема обтекания, которая характеризуется наличием «открытой» и «закрытой» отрывных зон между телами (см. рис. 1,6). Однако помимо основных скачков уплотнения, присущих этим схемам обтекания, в данном случае возникают дополнительные скачки уплотнения на кромках, расположенных сзади тел в области течения за головным скачком уплотнения. Дополнительный скачок уплотнения возникает в той фазе движения системы разделяющихся тел, когда проекция скорости отделяемого тела на ось х совпадает по направлению со скоростью основного движения всей системы. По мере вращения отделяемого тела возникающий дополнительный скачок уплотнения из присоединенного переходит в отсоединенный и в дальнейшем сливается с головным скачком уплотнения, увеличивая величину отхода от отделяемого тела. Сравнение картины обтекания, полученной при позиционных испытаниях и при непрерывном разделении двух тел со скоростью, имеющей составляющие их, иу, показывает существование явления «запаздывания» в формировании той или иной схемы течения.

В процессе непрерывного разделения двух тел цри перемещениях отделяемого тела вдоль оси х наглядно проявляется гистерезис.

График зависимости /кр=/:(Моо) при различных значениях Vх иллюстрирует отмеченную выше особенность (рис. 2). Из графика видно, что величина /кр> при которой происходит переход от одного типа обтекания к другому, зависит от скорости сближения или расхождения тел. Восстановление «открытой» отрывной зоны между телами при 1<1Кр в случае сближения тел возможно лишь тогда, когда происходит слияние вихревых зон в областях отрыва за передним и перед задним телами и образование возвратного течения из области сжатия перед отделяемым телом в область отрыва за головным телом.

Отметим еще одну особенность обтекания. При реализации второй схемы обтекания двух разделяющихся тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью, за передним телом устанавливается изолированное течение, а отделяемое тело обтекается неравномерным сверхзвуковым потоком* вызванным следом от переднего тела. Неравномерность сверхзвукового потока в следе вызывает деформацию скачка уплотнения перед отделяемым телом в области оси следа. «Выпучивание» скачка уплотнения хорошо наблюдается при моделировании в условиях «мелкой» воды (см. рис. 1,6) и подтверждается численным расчетом обтекания затупленного плоского тела неравномерным

Рис. 2

сверхзвуковым потоком идеального газа типа следа. Численный расчет выполнен одним из автором настоящей статьи.

Качественно различный характер течения между телами определяет различия в распределении давления по поверхностям разделяющихся тел (в качестве примера на рис. 3 приведены эпюры распределения давления для одного из рассмотренных сочетаний определяющих параметров).

В испытаниях зафиксировано снижение значений коэффициентов давления по лобовой и боковым поверхностям разделяющихся тел при его непрерывном перемещении вдоль оси х, оси у и вдоль осей х и у одновременно по сравнению с коэффициентами давления, полученными при позиционных испытаниях при равнозначных величинах параметров х и у.

По эпюрам распределения глубин «мелкой» воды с учетом специфики применяемого метода были рассчитаны суммарные аэродинамические характеристики.

На рис. 4 приведены коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления отделяемого тела в зависимости от координат взаимного расположения и перемещения тел. На этом рисунке с„ . сг —коэффициенты подъемной силы и лобового со-

■уа’ а

противления в поточной системе координат, а2 — угол атаки разделяемого тела; величина сх складывается из составляющих волнового, профильного и донного сопротивлений. Так как поперечные размеры разделяющихся тел одинаковы, то заднее из них оказывается до определенных расстояний изолированным от воздействия внешнего потока. Поэтому при расстоянии 1<1Кр сопротивление отделяемого тела изменяется незначительно, его возрастание связано с началом разрушения спутного течения и переходом ко второй схеме течения, когда перед разделяемым телом формируется головной отсоединенный скачок уплотнения. При углах атаки, не равных нулю, характер изменения сопротивления в функции параметра х качественно такой же, как при а2=0. Производная дс х 1да2 с ростом х уменьшается.

В характере зависимостей с„ = / (а2. х) проявляется нелинейность, а также

-'а _ _

увеличение производной дсу /да2 с ростом параметров х и у.

При интерпретации приведенных в настоящей работе особенностей сверхзвукового обтекания двух разделяющихся тел следует иметь в виду следующее обстоятельство, касающееся влияния коэффициента адиабаты у.

ср х = ч,0

• . %12

.О .<Г~~ \ $

-а.ч -а,г у

г Х-60

О 0,2 у

“Р

о

'0,2

-04

&

Г° [_________________________I_ь_

0,8 11 1,6 2,0 х

ьхр

Рис. 3. Распределения давления по лобовой и боковым поверхностям разделяющихся тел:

-позиционное положение;

— непрерывное перемещение

*=-

Рис. 4. Зависимости с., =/(а2» У) и с' =/(рг2, х, у): уа

а—перемещение вдоль оси х, б—перемещение вдоль оси у, в—перемещение вдоль оси х и у

Рис. 5. Геометрическая характеристика донного течения:

/ — расстояние от донного среза до рорла следа; т — радиус горла следа; 0 — угол сужения следа, град

В работе [7] приведены результаты экспериментального изучения (испытания в баллистической установке) влияния на параметры донного течения таких параметров, как Ие, М, у.

Согласно этим результатам, например, угол наклона линии тока, ограничивающей отрывную зону за дном тела малого удлинения, при фиксированном значении числа М изменяется на 2—3° при изменении у о,т 1,14 до 1,67. В то же время, как указано в работе [5], при реальном гидравлическом моделировании свехзвуковых течений, аналоговые результаты больше соответствуют гипотетическому газу с у<2, что обусловлено суммарным взаимоисключающим воздействием вязкости поверхностного натяжения и вертикального ускорения в условиях «мелкой» воды. На рис. 5 приведены результаты баллистических [6] и аналоговых испытаний, с помощью которых получены характеристики данных течений за осесимметричными и плоскими телами.

Что касается влияния у на суммарные аэродинамические характеристики, то оно также невелико и находится в пределах точности, достигаемой при использовании метода газогидравлической аналогии, о чем свидетельствуют, например, результаты, приведенные в работе [9].

ЛИТЕРАТУРА

1. Семенкевич Ю. П. О перестройке сверхзвукового отрывного течения между телами. — В кн.: Труды 1-й республиканской конференции по аэромеханике, теплообмену и массообмену. — Изд. Киевского университета, 1969.

2. Кудрявцев В. Н., Ч е р к е з А. Я., Шилов В. А. Исследование сверхзвукового обтекания двух разделяющихся тел. — Изв.

АН СССР, МЖГ, 1969, № 2.

3. Черкез А. Я., Карпов Ю. Л., К у Д р я в ц е в В. Н., Овчинникова Н. Ф., Семенкевич Ю. П., Шилов Б. А. Применение

теории турбулентных струй к анализу отрывного течения между двумя . телами.— В кн.: Турбулентные течения. — М.: Наука, 1978.

4. Хлебников В. С. Исследование течения перед диском, помещенным в следе тела, при сверхзвуковом обтекании. — Труды ЦАГИ, 1972, вып. 1417.

.5. Виноградов Р. И., Жуковский М. И., Якубов И. Р. Газогидравлическая аналогия и ее практическое приложение.— М.: Машиностроение, 1978. .

6. Дитман А. О., Савчук В. Д., Я к у б о в И. Р. Методы аналогии в аэродинамике летательных аппаратов. — М.: Машиностроение,

1987.

7. Шелудько Ю. В. Измерение донного давления осесимметричных тел малого удлинения. — В кн.: Физико-газодинамические исследования.,— Л.: Наука, 1980.

8. Михалев А. Н., Шелудько Ю. В. Исследование влияния числа Маха на параметры ближнего следа конуса. — В кн.: Физико-газодинамические исследования. — Л.: Наука, 1980.

9. К о ш е в о й В. Н. Моделирование некоторых элементов струйного

взаимодействия. — В кн.: Вопросы прикладной аэродинамики. — Труды

МВТУ им. Н. Э. Баумана. — М.: 1980, № 326.

Рукопись поступила 3/У1 1988 г.