Численное моделирование обтекания и расчет аэродинамических характеристик дирижабля, перемещающегося через атмосферные течения струйного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.01, кандидат наук Та Суан Тунг

• Та Суан Тунг
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Та Суан Тунг

Введение

Глава 1. Численное моделирование взаимодействия дирижабля с атмосферными течениями струйного типа

1.1. Постановка задачи

1.2. Основные положения численного метода исследования параметров потока и аэродинамических характеристик дирижабля при его перемещении через атмосферные

течения струйного типа

1.2.1. Система уравнений для описания течения вязкого

газа в окрестности корпуса дирижабля

1.2.2. Модели турбулентности

1.2.3. Выбор «решателя»

1.2.4. Метод коррекции давления - скорости

1.2.5. Факторы нижней релаксации

1.2.6. Начальные и граничные условия

1.2.7. Расчет суммарных и локальных аэродинамических

сил и моментов

1.3. Моделирование атмосферных течений струйного типа без дирижабля

1.4. Моделирование взаимодействия движущегося поступательно дирижабля с атмосферными течениями струйного типа

1.4.1. Выбор расположения траектории движения дирижабля

1.4.2. Моделирование взаимодействия струйного течения

и перемещающегося через него дирижабля

Стр.

1.5. Выбор модели турбулентности и оценка достоверности результатов численных расчетов

1.6. Выводы по главе

Глава 2. Аэродинамические характеристики неоперенных

корпусов дирижаблей при их перемещении через атмосферное

течения струйного типа

2.1. Постановка задачи и условия моделирования

2.2. Аэродинамические характеристики неоперенного корпуса дирижабля при его перемещении через струйное течение

с постоянной скоростью в сечении истечения

2.3. Влияние изменения профиля скорости в сечении выдува струйного течения на аэродинамические характеристики корпуса дирижабля, перемещающегося через струйное

течение

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля при его перемещении через атмосферные течения

струйного типа

3.1. Постановка задачи

3.2. Влияние оперения на аэродинамические характеристики дирижабля без гондолы и работающих винтов при его перемещении через струйное течение с постоянной

скоростью в начальном сечении струи

3.3. Влияние профиля скорости в поперечном сечении восходящего струйного течения на аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля

3.4. Влияние гондолы на аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля без винтов при его

перемещении через струйное течение

Стр.

3.5. Влияние работающих винтов на аэродинамические

характеристики оперенного корпуса дирижабля при его

перемещении через струйное течение

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Метод расчета аэродинамических сил и моментов

дирижаблей, перемещающихся через атмосферные течения

струйного типа

4.1. Метод расчета аэродинамической нормальной силы и момента тангажа неоперенного корпуса дирижабля, перемещающегося через течение струйного типа

4.2. Метод расчета аэродинамической нормальной силы и момента тангажа оперенного корпуса дирижабля,

перемещающегося через течение струйного типа

4.3. Выводы по главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ И ИНДЕКСЫ

Обозначения:

Сх - коэффициент продольной силы; Су - коэффициент нормальной силы; С2 - коэффициент поперечной силы; шх - коэффициент момента крена; ту - коэффициент момента рыскания; ш2 - коэффициент момента тангажа;

Схс - коэффициент продольной силы в течении струйного типа;

Схбс - коэффициент продольной силы вне течения струйного типа;

С/- коэффициент трения;

Ср - коэффициент давления;

V - скорость движения дирижабля;

и - местная скорость в течении струйного типа;

ит - скорость на оси струйного течения;

Ь - длина корпуса дирижабля;

Н - длина градиента порыва;

д - скоростной напор, найденный по плотности р и скорости V; р - статическое давление; р- плотность; Яе - Число Рейнольдса; Ь - хорда профиля; а - угол атаки; /3 - угол скольжения;

ц - коэффициент динамической вязкости;

с - угловая скорость вращения;

Л- удлинение корпуса дирижабля;

? - время движения дирижабля;

Ж - объем корпуса (оболочки) дирижабля;

рт, ^ - плотность и скорость невозмущенного потока;

Яу , - составляющие полной аэродинамической силы в связанной с телом системе координат;

е = — - параметр эллиптичности корпуса дирижабля; Ь

Х1 - растояние от центра струи до носка дирижабля; Ьк - полный размах консолей (с учетом подфюзеляжной части); Хпк - угол стреловидности по передней кромке консоли оперения; %ж - угол стреловидности по задней кромке консоли оперения; Ькор - корневая хорда консоли оперения; Ьк - концевая хорда консоли оперения;

Ха - Относительное расстояние от задней кромки консолей оперения до носка корпуса;

п - число оборотов винтов;

Ь, с, /- хорда, толщина и кривизна средней линии профиля; <№

--погонная поперечная нагрузка;

<Х

К - поправочный коэффициент; £ - площадь поперечного сечения отсека;

, &2 - коэффициенты присоединённой массы для эллипсоидов вращения в функции удлинения корпуса; ккр - коэффициент поправки для первой точки;

Сокращения:

АДТ - аэродинамическая труба;

АХ - аэродинамические характеристики.

Индексы:

сеч - значения в сечении корпуса дирижабля;

ф_бо - значения у корпуса неоперенного;

ф_оп - значения у корпуса оперенного;

ф_к - значения у корпуса под действием оперения;

к_ф - значения у оперения под действием корпуса;

элл - значения по эллиптическому распределению;

т.т.т- значения по теории тонкого тела.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование обтекания и расчет аэродинамических характеристик дирижабля, перемещающегося через атмосферные течения струйного типа»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время во многих развитых странах мира (России, США, Великобритании, Германии, КНР и других) ведутся большие научные и проектные изыскания, на основе результатов которых создаются и затем эксплуатируются дирижабли и аппараты с аэростатической разгрузкой (АЛА) различного назначения и грузоподъемности.

Так как дирижабли могут в течение длительного времени поддерживать постоянную высоту полета над земной поверхностью и перемещаться вблизи нее с малой скоростью, при выполнении ряда работ дирижабли имеют определенные преимущества перед самолетами и вертолетами. Прежде всего, к ним относятся работы, связанные с транспортировкой и подъемом негабаритных объемных грузов, ретрансляцией сигналов, наблюдением за поверхностью Земли и ее геофизической разведкой, контролем магистральных газопроводов и многие другие работы.

Дирижабли являются летательными аппаратами (ЛА), очень «чувствительными» к воздействию на их полет различных метеорологических явлений, таких как атмосферные течения струйного типа, бури и штормы всех видов, атмосферная турбулентность, туман, дождь, снег, атмосферная влажность и электрическая активность и др. [13,26,53].

Во многих случаях воздействие того или иного атмосферного явления на дирижабль связано с попаданием дирижабля в область атмосферной неоднородности, где параметры атмосферы и скорости движения воздушных масс могут значительно изменяться по пространству и во времени. К числу таких областей относятся нисходящие, восходящие, а также боковые атмосферные течения струйного типа, сильный ветер (особенно боковой) и его порывы, сдвиг ветра вблизи поверхности земли и на всех высотах и т.п. [53].

При попадании дирижабля в эти области его аэродинамические характеристики могут существенно изменяться и отличаться от тех, которые имеет дирижабль при полете в спокойной атмосфере. При этом может произойти

ухудшение устойчивости и управляемости дирижабля. Могут появиться большие по абсолютной величине изгибающие моменты и перерезывающие силы, действующие на оболочку (корпус) дирижабля, которые могут вызвать её разрушение.

Знание достоверных величин аэродинамических сил и моментов дирижаблей на всех этапах их полета, в том числе и при попадании дирижабля в области атмосферной неоднородности, является необходимым условием для повышения безопасности их полета и обеспечения безаварийной эксплуатации.

Имеется ряд работ, в которых затрагиваются и частично рассматриваются вопросы аэродинамики дирижаблей [2,3,5,6,8,10,11,48,50,51,53] и, в том числе, при их движении в областях атмосферных неоднородностей [10,11,14,16,22,24,25,32-36,49,55-60,62].

В работах [2,13,53] авторы обращают внимание инженеров, пилотов и других специалистов, связанных с эксплуатацией дирижаблей, на влияние погодных условий на полет дирижаблей. Отмечается, что ряд катастроф дирижаблей был вызван, прежде всего, сложными метеорологическими условиями, в которых дирижабли совершали свой полет.

Критерии летной годности для дирижаблей [21] регламентируют взаимодействие дирижабля с определенными областями атмосферных неоднородностей - атмосферными порывами.

В определенной степени мгновенный охват дирижабля порывом ветра может моделироваться как взаимодействие дирижабля с областью атмосферной неоднородности - течением струйного типа при его перемещении через атмосферное струйное течение того или иного вида. Решение данной задачи имеет и самостоятельное значение, поскольку дирижабль может попасть в области вертикальных, горизонтальных или иных атмосферных течений струйного типа.

Исследованию аэродинамических характеристик дирижаблей, перемещающихся в областях атмосферной неоднородности различного вида, посвящено относительно небольшое число работ.

В России исследованием аэродинамики дирижаблей в условиях их обтекания неравномерным потоком или при перемещении через области атмосферной турбулентности занимались Ивченко Б.А.[16], Кураев А.А. и Саленко С.Д. [22], Семенчиков Н.В., Яковлевский О.В. Чжоу Цзяньхуа [32-36,49] и др. За рубежом изучению этих вопросов посвящены работы Каллигероса и Макдевитта [55], Джонса и Делорье [56-58], Лагранжа [60], Корниенко А. [59] Раджани и других [62].

Взаимодействие дирижабля с областью атмосферной неоднородности -областью неравномерного потока типа сдвига ветра, когда поперечная протяженность слоя неравномерного потока была существенно больше диаметра миделевого сечения корпуса дирижабля, исследовалось численно в работах [3236,49]. Было найдено существенное влияние неравномерности потока вязкого газа на аэродинамику дирижабля, а также показано, что при наличии угла скольжения в неравномерном потоке, скорость которого изменяется в вертикальной плоскости, на дирижабль действуют ненулевые нормальная сила, моменты тангажа и крена, которые не имеют место в равномерном потоке. Были получены зависимости коэффициентов аэродинамических сил и моментов дирижабля от углов атаки и скольжения, параметра неравномерности скорости потока и геометрических параметров дирижаблей.

Влияние изменения осредненной скорости ветра по нормали к земной поверхности (экрану) (в области приземного пограничного слоя) исследовалось экспериментально [22] и численно в работах [24,25,34,36,49]. Были установлены закономерности обтекания и изменения аэродинамических характеристик дирижаблей, как без винтов, так и с работающими винтами в зависимости от высоты полета дирижабля в приземном пограничном слое. Было показано значительное влияние экрана и неравномерности потока на аэродинамику дирижабля и, в частности, найдено, что закономерности изменения аэродинамических характеристик дирижабля по безразмерному расстоянию дирижабля от экрана и его углу скольжения остаются, в основном, такими же и в случае отсутствия работающих винтов.

Попытки изучения аэродинамических характеристик дирижаблей при их взаимодействии с порывами ветра предпринимались в работах [14,58]. Этот же подход к определению аэродинамических характеристик дирижаблей был применен в [56-58,60] и для оценки влияния турбулентности атмосферы на аэродинамику дирижабля.

Работы [56-58,60,62] основывались на использовании при определении локальных аэродинамических сил, действующих на элементы дирижабля, гипотезы плоских сечений, для которых вычислялось мгновенное значение модуля и направления вектора скорости ветра. Затем интегрированием локальных сил определялись суммарные аэродинамические силы и моменты дирижабля. Однако проверить эффективность предлагаемого подхода не представляется возможным, поскольку каких - либо данных сравнения результатов расчетов этих сил с найденными численно или путем прямых измерений в полете силами и моментами дирижабля приведено не было. Не были изучены и закономерности изменения аэродинамических характеристик дирижаблей при их перемещении через области атмосферной неоднородности струйного типа.

В силу выше изложенного изучение закономерностей изменения аэродинамических характеристик дирижаблей при их перемещении через атмосферные течения струйного типа, а также разработка инженерных методов надежного определения величин аэродинамических сил и моментов, действующих на дирижабль в этих условиях, является актуальной задачей создания и безопасной эксплуатации дирижаблей.

Объектом исследования в настоящей работе являются малоразмерные пилотируемые дирижабли, имеющие корпуса (оболочки) как кругового, так и некругового поперечного сечения, перемещающиеся через атмосферные течения струйного типа.

Целью диссертационной является численный анализ закономерностей изменения аэродинамических характеристик дирижабля по определяющим параметрам и разработка инженерного метода их расчета в случае перемещения дирижабля через области атмосферных течений струйного типа.

Исходя из сказанного, в диссертации необходимо было решить следующие задачи:

1. Выбрать имеющееся и создать дополнительное программно -алгоритмическое обеспечение для моделирования пространственного обтекания и расчета аэродинамических характеристик дирижаблей при их перемещении через атмосферные течения струйного типа.

2. Определить условия моделирования атмосферных течений струйного типа без дирижабля и с дирижаблем в счетной области конечного размера; провести тестирование программного комплекса и выбрать модель турбулентности для систематических численных исследований.

3. Провести систематический численный эксперимент с целью изучения особенностей обтекания дирижаблей и установления закономерностей изменения аэродинамических характеристик дирижаблей при их перемещении через атмосферные течения струйного типа.

4. Выполнить анализ и обобщение результатов численных исследований и установить влияние геометрических и кинематических параметров дирижаблей и других факторов на аэродинамические характеристики дирижаблей.

5. Разработать быстрый и экономичный метод расчета стационарных аэродинамических нормальных сил и момента тангажа дирижаблей при их перемещении через области атмосферной неоднородности струйного типа.

Методами исследования в диссертационной работе являются численное моделирование обтекания дирижаблей при их взаимодействии с атмосферными течениями струйного типа с использованием метода контрольного объема, а также инженерный метод расчета аэродинамических характеристик дирижаблей в указанных условиях.

Достоверность полученных научных положений, результатов и выводов, приведенных в диссертации, гарантируется последовательным использованием при построении математических моделей обтекания дирижаблей основных уравнений механики сплошных сред, корректностью выбора исходных

ограничений и допущений при постановке задач; согласованием отдельных результатов вычислительного эксперимента с данными экспериментов ЦАГИ.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Выявлены особенности обтекания движущихся через поток струйного типа дирижаблей и установлены закономерности изменения их аэродинамических характеристик в зависимости от определяющих параметров.

2. Обнаружены эффекты влияния кинематических и геометрических параметров дирижаблей, параметров потока струйного типа, расположения дирижабля относительно оси такого потока на аэродинамические характеристики дирижаблей.

3. Предложен новый приближенный метод расчета стационарных аэродинамических характеристик дирижаблей при их перемещении через течения струйного типа

Практическая значимость диссертационной работы. Получен большой объем новой научной информации о параметрах и особенностях обтекания, а также аэродинамических характеристиках дирижаблей при их взаимодействии с атмосферными течениями струйного типа. Разработан быстрый и экономичный метод расчета аэродинамических характеристик дирижаблей в указанных условиях. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, используются в учебном процессе МАИ (НИУ) при подготовке бакалавров и магистров по направлению подготовки "Баллистика и гидроаэродинамика". Они могут быть рекомендованы для применения в аэродинамическом проектировании, при оценке изменения аэродинамических характеристик дирижаблей при перемещении через атмосферные течения струйного типа и при мгновенном охвате дирижабля порывом с целью обеспечения их безопасной эксплуатации.

На защиту выносятся: 1. Результаты численного исследования аэродинамического взаимодействия дирижабля с потоками струйного типа, обнаруженные эффекты и закономерности влияния кинематических и геометрических параметров дирижаблей и других

факторов на особенности обтекания и аэродинамические характеристики дирижаблей в указанных условиях.

2. Приближенный метод расчета аэродинамических нормальной силы и момента тангажа дирижаблей при их взаимодействии с атмосферными течениями струйного типа.

Апробация основных результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г. Москва, 2014, 2015, 2016 г.г.), Научных чтениях К.Э. Циолковского, секция «Авиация и воздухоплавание» (г. Калуга 2015, 2016 (2 доклада) г.г.), Конференции «Инновации в авиации и космонавтике» (г. Москва, 2015 г.), Конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2016, 2017 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ. Основное содержание диссертационного исследования отражено в 5 опубликованных статьях (из них 5 в рекомендованных ВАК РФ изданиях) и 9 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 195 страниц. Работа включает 80 рисунков. Список литературы содержит 62 наименования.

Первая глава работы посвящена изложению методики численного моделирования взаимодействия дирижабля с атмосферными течениями струйного типа, основой которой являлся численный метод расчета турбулентного течения вязкого газа, в котором использовалась система уравнений, включающая уравнение неразрывности, осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, замкнутые двухпараметрической моделью турбулентности, уравнение переноса полной энергии и уравнение состояния. Эта система решалась численно. Численная реализация решения осуществлялась с помощью комплекса вычислительных программ, содержащего программы адаптированного автором к поставленной задаче комплекса ЛК8У8 15 (лицензия № 00632255), а также

специальные программы автора для проведения, обработки, анализа и обобщения результатов численных расчетов.

Окружающая дирижабль счетная область разбивалась на контрольные объемы с помощью построения расчетных сеток. В работе применялись трёхмерные нерегулярные комбинированные расчётные сетки, которые генерировались с помощью программного комплекса Gambit (лицензия № 00632255). Строились сетки для моделирования течения струйного типа, а также динамические сетки для моделирования прямого движения дирижабля через это течение. Применялся метод динамических сеток, при котором тело движется относительно границ расчётной области (прямое движение), а расчётная сетка перестраивается определённым способом.

Рассматривалось прямое движение дирижабля, когда он движется поступательно внутри счетной области с некоторой скоростью, пересекая поток струйного типа.

Основное внимание было уделено разработке граничных условий на границах счетной области, позволяющих получить струйное течение заданного типа. Моделировались течения с распределением скорости в их поперечном сечении, регламентируемыми Критериями летной годности для дирижаблей для атмосферных дискретных порывов и порывов с переменной по их поперечному сечению скоростью. В результате исследования распределения параметров газа в счетной области вне струйного течения была определена задаваемая траектория поступательного движения дирижабля, соответствующая условиям взаимодействия дирижабля и течения струйного типа в естественных условиях.

На основе анализа имеющихся сведений, а также результатов специальных исследований для замыкания уравнений Рейнольдса была выбрана двухпараметрическая модель турбулентности Ментера «SST k-ю».

В этом случае, как видно из сравнения результатов численных расчетов с имеющимися экспериментальными данными, результаты расчетов

аэродинамических характеристик дирижабля вне струи наилучшим образом совпадают с данными экспериментов ЦАГИ.

В связи с этим, весь численный эксперимент в данной работе был проведен с использованием этой модели турбулентности.

Во второй главе работы приведены результаты исследования аэродинамических характеристик и выявлены закономерности их изменения в случае неоперенных корпусов дирижаблей, перемещающихся поступательно через струйные течения.

Найдено, что при перемещении неоперенного корпуса дирижабля через струйное течение (что в определенной степени соответствует мгновенному частичному или полному охвату корпуса порывом) величины аэродинамических сил и момента тангажа корпуса существенно отличаются (в несколько раз) от величин этих сил дирижабля движущегося в спокойной атмосфере. Положение корпуса относительно центра течения струйного типа определяет их величину и знак. Форма поперечного сечения корпуса не влияет на характер протекания зависимостей коэффициентов продольной и нормальной сил, а также момента тангажа по параметру, определяющему положение дирижабля в струйном течении. Но максимальные абсолютные значения этих коэффициентов, когда корпус частично или полностью находится в потоке струйного типа, зависят от формы поперечного сечения корпуса.

Рассмотрено влияние различных геометрических и кинематических параметров корпуса дирижабля на его аэродинамические характеристики при перемещении через струйное течение с постоянной и переменной скоростью в поперечном сечении струи.

В третьей главе работы приведены результаты исследования аэродинамических характеристик и выявлены закономерности их изменения по определяющим параметрам в случае оперенного корпуса дирижабля при его перемещении через атмосферное течение струйного типа.

Сначала рассмотрено влияние различных факторов на аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля без гондолы и работающих винтов. Основные особенности изменения коэффициентов аэродинамических сил по определяющему положение дирижабля в течении струйного типа параметру

остаются теми же, что и в случае неоперенного корпуса дирижабля. Наличие оперения сильно изменяет протекание по этому параметру коэффициента момента тангажа. Это характерно для всех вариантов рассмотренных корпусов независимо от формы их поперечного сечения и удлинения.

Получены закономерности изменения коэффициентов аэродинамических сил и момента тангажа при изменении ширины струйного течения, закона изменения скорости по поперечному сечению струи, величины скорости на оси струйного течения, величины скорости перемещения дирижабля, его угла атаки и схемы ориентации.

Выявлено влияние гондолы на взаимодействие дирижабля с течением струйного типа. Сопоставление аэродинамических характеристик дирижабля, перемещающегося через восходящее струйное течение (струя снизу) и через боковую поперечную струю (струя сбоку), позволяет сделать вывод о том, что величины коэффициентов продольной силы почти не зависят от типа струйного течения. В то же время величины максимальных коэффициентов поперечной силы и момента рыскания при попадании дирижабля в поперечную боковую струю могут оказаться больше величин максимальных коэффициентов нормальной силы и момента тангажа дирижабля в вертикальном восходящем струйном потоке.

Изучено влияние работы винтов на аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля при его движении через области атмосферной неоднородности струйного типа. Найдено, что при перемещении дирижабля через поперечную струю влияние следа от винтов на аэродинамические характеристики дирижабля оказывается более значительным, чем при попадании дирижабля в восходящую струю. Изменяются (в ряде случаев в разы) не только максимальные абсолютные величины коэффициентов аэродинамических сил и моментов дирижабля по сравнению со случаем, когда вращение винтов не учитывается, но для некоторых коэффициентов и характер их протекания по определяющему положение дирижабля в струе параметру.

Четвертая глава диссертации посвящена изложению быстрого и экономичного метода расчета аэродинамических характеристик дирижабля, перемещающегося через атмосферное течение струйного типа. Он разработан на основе анализа и обобщения результатов численных исследований.

В предлагаемом методе как неоперенный, так и оперенный корпус дирижабля разбивается сечениями, перпендикулярными продольной оси корпуса дирижабля, на поперечные элементы (полосы) шириной Ь/Ы, где N - число разбиений. Обтекание каждого поперечного элемента рассматривается независимо от соседнего элемента. Аэродинамическое взаимодействие элементов учитывается с помощью интерференционных коэффициентов, которые зависят от удлинения частей корпуса, формы и удлинения консолей оперения.

Аэродинамические силы, действующие на каждый элемент в потоке, представляются в виде суммы двух составляющих. Первая из них определяется без учета влияния вихрей, которые могут сформироваться при отрывном обтекании корпуса и консолей оперения дирижабля. Вторая составляющая учитывает вихревое влияние.

Интегрированием сил, действующих на выделенные элементы, и их моментов относительно выбранной точки приведения (обычно центра объема оболочки) определяются суммарные силы и моменты, действующие на дирижабль при координате Х}/Ь.

Приведено сравнение расчетных (по предлагаемому методу) и численных результатов, которое позволяет сделать вывод о том, что подход к определению аэродинамических характеристик дирижаблей, перемещающихся через потоки струйного типа, изложенный в предлагаемом методе, вполне работоспособен.

В общих выводах и заключении по работе сформулированы основные результаты и выводы.

Глава 1. Численное моделирование взаимодействия дирижабля с атмосферными течениями струйного типа

1.1. Постановка задачи

В данной работе было необходимо изучить особенности обтекания и закономерности изменения суммарных и распределённых аэродинамических характеристик дирижаблей и их элементов при их взаимодействии с атмосферными течениями струйного типа.

Рассматривалось аэродинамическое взаимодействие неоперенных и оперенных корпусов дирижаблей с восходящими (вертикальными) и боковыми (горизонтальными) течениями.

Моделировалось прямое движение дирижабля, когда он перемещался поступательно с заданной постоянной скоростью через сформированное течение струйного типа, в поперечном сечении которого скорость изменялась по заданному закону.

В случае восходящего течения его ось была перпендикулярна вектору скорости поступательного движения дирижабля. Взаимодействие дирижабля и течения струйного типа изучалось при различных фиксированных углах атаки корпуса дирижабля и дирижабля в целом. Под углом атаки в этих исследованиях понимался угол между продольной осью корпуса дирижабля и вектором скорости поступательного движения дирижабля.

При изучении взаимодействия дирижабля и бокового течения струйного типа, исследования проводились при различных углах в между вектором скорости поступательного движения дирижабля, который в этом случае совпадал с продольной осью дирижабля, и осью течения струйного типа.

С целью использования результатов данных исследований для оценки влияния мгновенного охвата порывом части дирижабля или дирижабля в целом распределение скоростей в сечении потока струйного типа создавалось

(насколько это возможно) близким к тому, которое задается в Критериях летной годности дирижаблей [21].

Критерии лётной годности регламентируют взаимодействие дирижабля с атмосферными порывами следующих видов:

1) дискретными порывами со скоростью ит =25 фут/с (7.62 м/с) при полете с максимальной скоростью горизонтального полёта на уровне моря;

2) дискретными порывами со скоростью ит =35 фут/с (10.67 м/с) при полете с расчётной скоростью при максимальной интенсивности воздушных порывов. Эта скорость должна составлять не менее 0.65 от максимальной скорости на уровне моря;

3) порывами, распределение скорости в которых определяется соотношением:

и =(ит/2)[1 - (лх/Я)],

где:

ит - скорость порыва, установленная выше; х - глубина проникновения в футах (метрах), 0 < х < 2 Н; Н - длина градиента порыва, Ь/4 < Н < 800 фут. (244 м); Ь - длина корпуса дирижабля в футах (метрах).

Отметим, что согласно [21] воздушные порывы могут натекать на дирижабль в любом направлении, в том числе параллельно оси дирижабля, при расположении поверхностей управления дирижабля как в нейтральном положении, так и под максимальными эффективными углами, необходимыми для противодействия воздушному порыву.

Поскольку вне порыва ветра атмосфера является невозмущенной, (дирижабль должен двигаться в спокойной атмосфере, при отсутствии скоростей перемещения масс воздуха), при моделировании взаимодействия течения струйного типа и дирижабля вне струйного течения необходимо было обеспечить условия спокойной атмосферы.

Так как длина порыва значительно больше длины корпуса дирижабля, а его глубина (ширина) сопоставима с этой длиной (обычно принимается, что глубина порыва х = 2Ь, где Ь - длина корпуса (оболочки) дирижабля), то при

моделировании течения струйного типа его начальное сечение на границе счетной области представлялось в виде прямоугольника. Сторона этого сечения в направлении движения дирижабля в большинстве расчетов была равна 2L.

При изучении аэродинамического взаимодействия течения струйного типа и дирижабля были также сделаны следующие упрощающие решение задачи допущения:

1. Течение струйного типа не изменяет направление и модуль скорости дирижабля, то есть движение дирижабля остаётся поступательным и прямолинейным.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Та Суан Тунг, 2018 год

№ /

14 /

\ V 0 ч 2 4 0 6 0 8 Н

\

-»-""Л/!

Рис. 2.6. Распределение коэффициентов давления Ср в базовой плоскости корпуса дирижабля, выход из струйного течения, ? = 16 е.: 1 - е = 1.0; 2 - е = 0.5; 3 - е = 2.0

С/'

Ф=0_х/1. = -0.8332 (г = 12 с)_а=0

0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0

о

/1,

Г

г \ чг

* г

* 1

0.2

0.4

0.6

0.8

х/Ь

Рис. 2.7. Распределение коэффициентов трения С/ в базовой плоскости корпуса дирижабля, вход в струйное течение, ? = 12 е.: 1 - е = 1.0; 2 - е = 0.5; 3 - е = 2.0

Cf'

e=1.0_x1/L = 0.0696 (t=14c)

0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0

Л л

i • j v \

r-yr 'Л \ V YA —.

J v4 * -

* *

x/L

—ф=180 ф=0 — ф=90

0.2

0.4

Об 0.8

1.2

Cf

0.005

0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 О

Ф=0-х,/1. = 0.0696(t=14c)-a=0

\

t,

с. 1

iVs

r' / у

1 ( % V \

s^i

0.2

0.4

0.6

0.8 x/L 1

Cf

0.007

0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 О

Ф=90-х1/Ь = 0.0696(t=14c)-a=0

Л .

'O

1 * ~ ^ * — - »__""Ч^ 1

0.2

0.4 0.6

0.8 x/L 1

сГ 0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 п Ф=180-х1/Ь= 0.0696(г=14с)-а=0

А д

А-

Л ^7

.У?

1

л'

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 х/Ь

Рис. 2.8. Распределение коэффициентов трения С/ в базовой плоскости корпуса дирижабля, полностью в струйном течении, ? = 14 е.: 1 - е = 1.0; 2 - е = 0.5; 3 - е = 2.0

Рис. 2.9. Распределение коэффициентов трения С/ в базовой плоскости корпуса дирижабля, выход из струйного течения, ? = 16 е.: 1 - е = 1.0; 2 - е = 0.5; 3 - е = 2.0 С/ определялись по принятым в аэродинамике формулам [4,7], но отнесены к скорости движения корпуса.

Результаты получены для случая пересечения корпусом восходящего струйного течения с постоянной скоростью ит = 10.67 м/с.

Видна динамика изменения сил давления и сил трения по длине корпуса по мере его перемещения по струйному течению. Отметим, что, если зависимости Ср =/х/Ь,Ф) являются гладкими, то на кривых С/ = /х/Ь,Ф) наблюдаются локальные пики, причина появления которых не ясна. Так как они имеют место вне

зависимости от величины параметра е поперечного сечения, возможно, это связано с особенностями численного счета и перестроения сеток.

На Рис. 2.10 приведены зависимости коэффициентов суммарных аэродинамических сил и момента тангажа неоперенных корпусов различных вариантов от определяющего положение корпуса дирижабля относительно оси струйного течения параметра х\/Ь.

Характерной особенностью всех приведенных ниже зависимостей является то, что диапазон изменения параметра х1/Ь, в котором аэродинамические коэффициенты отличаются от их значений для корпуса дирижабля вне струйного потока, оказывается больше стандартной ширины порыва (-1 < х1/Ь <1). Это связано с наличием при численном моделировании областей струйного пограничного слоя по обе стороны от основного участка струйного течения с постоянной скоростью в его сечении.

На Рис. 2.10а показано изменение величин коэффициента продольной силы при перемещении корпуса через струйное течение. Видно, что, когда корпус кругового поперечного сечения (модель 1) начинает входить в струйное течение, коэффициент его продольной силы уменьшается по сравнению со значением этого коэффициента в пространстве вне струи. На корпус действует отрицательная продольная сила, «втягивающая» корпус в струю. В рассматриваемом варианте скорости движения корпуса дирижабля и скорости в начальном сечении струи максимум абсолютной величины коэффициента этой силы имеет место вблизи границы основного участка струи и может более чем в два раза превышать его значение для случая, когда корпус находится вне струйного течения. Это хорошо видно из графиков на Рис. 2.10б, где представлены зависимости Схс/Схбс = /(х1/Ь) для рассмотренных в работе корпусов (Схс - коэффициент продольной силы корпуса, когда его часть или он весь целиком находится в струйном течении; Схбс - аналогичный коэффициент корпуса, находящегося вне струи). Наоборот, при выходе корпуса из струйного течения на него действует положительная продольная сила. Ее максимум снова достигается для положения носка корпуса вблизи границы основного участка

б)

в)

ГГТ±* - ж

8 э 4 0— 1 ) д 1 1 5 8

| п 1

-и Л (Л- /

-и.о 1

лу!

■1 >2 ■3 ■4 '5

г)

Рис. 2.10. Аэродинамические характеристики неоперенных корпусов дирижабля при его перемещении через восходящую воздушную струю: 1 - корпус с круговым поперечным сечением, е =1; 2 - корпус с эллиптическим поперечным сечением, е = 2,0; 3 - корпус с эллиптическим поперечным сечением, е = 0,5; 4 - корпус дирижабля «Атлант»; 5 - корпус дирижабля компании "Аегоз", V = 18.056 м/с, струя с постоянной скоростью ит =

10.67 м/с, а = 0

струи, но значение этой силы теперь более чем в пять раз превышает значение продольной силы корпуса вне струи (Рис. 2.10 б).

Из графиков на Рис. 2.10а видно, что изменение формы поперечного сечения корпуса не влияет на характер зависимостей Сх = f(xi/L) и Схс/СХбс = f(xj/L). Если корпус имеет эллиптическое поперечное сечение, большая полуось которого перпендикулярна базовой плоскости дирижабля, или близкое к нему (на Рис. 2.10а,б модели 2 и 5) максимумы абсолютных величин продольной силы при входе и выходе дирижабля из струи сильно растут по сравнению со случаем корпуса с круговым поперечным сечением (модель 1 на Рис.2.10а,б). Наоборот, если параметр эллиптичности е < 1 (модель 3 на Рис. 2.10а,б), они заметно уменьшаются.

При перемещении неоперенного корпуса дирижабля через струйное течение при угле атаки а = 0 на корпус действует аэродинамическая нормальная сила. Величина ее коэффициента существенно зависит от расположения корпуса относительно оси струйного течения и формы его поперечного сечения (рис. 2.10в). Однако на характер зависимости Су =f(x/L) изменение формы поперечного сечения корпуса практически не влияет. От этого фактора при x1/L = const зависят абсолютные величины коэффициентов Су . Как видим, в рассматриваемом примере взаимодействия корпуса и струйного течения максимальные значения коэффициентов нормальной силы Су достигаются для моделей 2 и 5.

На Рис. 2.10г приведены зависимости mz = f(x1/L), характеризующие изменение момента тангажа корпуса при проходе через струйное течение. Видно, что коэффициенты момента тангажа сложным образом изменяются по параметру x1/L. Характер зависимостей mz = f(x1/L) не зависит от формы поперечного сечения корпуса, которая определяет при x1/L = const абсолютные значения коэффициента mz. Увеличение параметра эллиптичности е приводит при x1/L = const к их росту. Видно, что при входе в струйное течение на неоперенный корпус действует момент на кабрирование, а при выходе - на пикирование. Причем это характерно для всех вариантов рассмотренных корпусов независимо от их формы и удлинения.

Из сказанного выше следует, что при мгновенном частичном или полном охвате корпуса дирижабля порывом, величины его аэродинамических сил и момента тангажа будут существенно отличаться от величин этих сил и момента для корпуса, не охваченного порывом, причем расположение корпуса дирижабля относительно центра порыва будет определять их величину и знак.

Если корпус дирижабля будет иметь некруговое поперечное сечение (что характерно для проектов современных дирижаблей [27,47]), будет наблюдаться существенная разница между величинами указанных сил и момента дирижабля в случае его охвата вертикальным порывом по сравнению со случаем охвата горизонтальным порывом (см. Рис.2.10а, сопоставление результатов для моделей 2 и 3).

На Рис. 2.11 и 2.12 приведены примеры распределения локальных продольных и нормальных (перерезывающих) сил по длине корпуса, объясняющее такое изменение коэффициентов Сх, Су и неоперенного корпуса по параметру х1/Ь. Максимальные перерезывающие силы наблюдаются при х/Ь ~ 0,1, когда корпус находится полностью в струе (х/Ь = 0.0696, ? = 14 с).

а)

б)

Рис. 2.11. Распределение коэффициентов продольной и нормальной (перерезывающей) сил по неоперенному корпусу, е = 1: а - продольная сила; б - нормальная сила; а = 0; V = 18.056 м/с, Пт = 10.67 м/с

а)

б)

Рис. 2.12. Распределение коэффициентов продольной и нормальной (перерезывающей) сил по неоперенному корпусу, е = 1: а - продольная сила; б - нормальная сила; а = 30°; V = 18.056 м/с, Пт = 10.67 м/с На Рис. 2.13 приведены результаты исследования аэродинамического взаимодействия неоперенных корпусов дирижабля с течениями струйного типа с различной шириной в сечении истечения. Видно, что максимальные

Сх П ">ГГ

£

\

1 1

у \ ' \

V" 1 V / | /

в 5| / 1 1 4 ' 1 1 1 1 / /Т х/Ь

» / 1/ 1 1 1

1 \/ 1 1

а)

Л к

; 1 1 1 1

— - * 1 \ Ч1__ - — — \

/ / 1 \

8 ) 4 г ( 1 /; М 8 лу£

V

-О.б

б)

в)

Рис.2.13. Влияние изменения ширины струйного течения на аэродинамические характеристики неоперенного корпуса дирижабля с круговым поперечным сечением (е = 1) при проходе дирижабля через восходящую струю: 1 - В= 2; 2 -В/Ъ =5; 3 - В= 10, В - ширина струи, V = 18.056 м/с, ит = 5 м/с, а = 0

абсолютные значения коэффициентов аэродинамических сил имеют место при пересечении границ струйного течения, а их значения практически не зависят от изменения ширины струйного течения. Максимальные значения коэффициентов продольной силы достигаются при выходе неоперенного корпуса из струйного течения, а коэффициентов нормальной силы - при входе. Максимальные значения модуля коэффициентов момента тангажа имеют место в том случае, когда корпус находится в центре струйного течения.

Сх

0.25

Л ППЦ— А

х/Ь

8 3 ; ?_ | / ( [ 1 с 8

1(1 1

0.15

а)

т:,

0.1 х/Ь

4 2 Л 3 // 4

1 4 / / / / / /

\ * V л-1 / / / / у /

1 и V V ** -

\|П ^

П

-0.8

в)

Рис. 2.14. Сравнение аэродинамических характеристик неоперенного корпуса в струе с постоянной скоростью при изменении значения скорости ит струи с постоянной скоростью в сечении истечения: 1-и=ит=10.67м/с, 2 - и=ит=5 м/с

При увеличении величины скорости струйного течения ит значения модулей коэффициентов Сх, Су и тг растут почти при всех значениях параметра х/Ь, но характер изменения этих коэффициентов по \х\/Ь от скорости ит не зависит (Рис. 2.14).

Сх

э 7

1

1 ' ~ // ч \ ч V ■ >

1 I 2 \ 1 1 I ?. 4

/ э

а)

Су

ч

^ э.э V а

1 ^

о

г / ч 15 \ Ч 1

V

к п _ \ 1 4 Л

4 } 2 1 П п ( > 5 4

-1 хЛ.

б)

тг л т Е,

Л^/

5 4 \ г П 2 с чТ Л / '

\\ П А /у

\\ //

ь -и.о *- гТТГ- / н

1 / /

1ч— < / I 1

в)

Рис.2.15. Влияние изменения скорости движения дирижабля на

аэродинамические характеристики его неоперенного корпуса кругового поперечного сечения (е = 1) при проходе дирижабля через восходящую струю: 1 - V = 5 м /с; 2 - V = 10 м /с; 3 - V= 18,056 м/с., струя с постоянной скоростью ит = 10.67 м/с, а = 0

Наоборот, увеличение скорости движения неоперенного корпуса через струйное течение вызывает падение величин модулей коэффициентов Сх, Су и тг при постоянной скорости ит струйного течения (Рис. 2.15).

а)

су

К /млъ.

:'/ Тп 1 ок

Я

»1 _ 2 1 и.^ п

8 6 4 г |Г, // 11/ Л '/ > 1 \ ( п 8 луХ

-0.4

в)

Рис. 2.16. Аэродинамические характеристики неоперенных оболочек с круговым поперечным сечением (е =1) дирижабля при его проходе через восходящую воздушную струю с постоянной скоростью ит = 10.67

м/с . 1 - а =0, 2 - а = 10, 3 - а = 20, 4- а = 30°, V = 18.056 м/с

Рост угла атаки а неоперенного корпуса дирижабля (он определяется как угол между вектором скорости поступательного движения корпуса и его продольной осью) не изменяет характера протекания коэффициентов Сх, Су и mz по параметру х/Ь (Рис. 2.16), но с увеличением угла а значения коэффициентов

| Схтах | Сутах |и | mzmax |растут.

На Рис. 2.17 приведены графики, позволяющие судить об изменении коэффициентов аэродинамических сил и моментов Сх, Су и тнеоперенных корпусов различных удлинений X при перемещении через восходящее струйное течение. Изменение удлинения корпуса X не влияет на характер протекания Сх, Су и тпо параметру х1/Ь. Видно, что при увеличении удлинения достигаемые коэффициенты | Схтах | при входе в струю наибольшие, когда X = 4,5, а при X > 4,5 заметно уменьшаются. При выходе из струи наибольшее значение | Схтах | имеет короткий корпус с X = 3. При входе в струю и X < 4,5 | Сутах | практически не зависит от изменения удлинения корпуса X, но при X > 4,5 его значения

увеличиваются. Коэффициенты | т^ах | имеют место, когда носок корпуса находится вблизи центра струи и с увеличением удлинения X растут (Рис. 2.16).

а;

в)

Рис. 2.17. Сравнение аэродинамических характеристик неоперенного корпуса в струе с постоянной скоростью при а = 0, в = 0.1 - к=3, 2 - Л=4.5, 3 -Л=8.0, струя с постоянной скоростью ит = 10.67 м/с, V = 18.056 м/с

2.3. Влияние изменения профиля скорости в сечении выдува струйного течения на аэродинамические характеристики корпуса дирижабля, перемещающегося через

струйное течение

Представляет большой интерес сравнить изменение аэродинамических характеристик I неоперенного I корпуса I дирижабля I при I взаимодействии I с восходящим струйным течением с изменяющейся в сечении выдува скоростью. Проведем это сравнение для струйного течения, закон изменения скорости в котором дан в начале этой главы, и для струи с постоянной скоростью в поперечном сечении. В обоих случаях исходная ширина струи на границе счетной области была одинаковой и равной двум длинам корпуса дирижабля.

Как видим (Рис. 2.18, 2.19), особенности изменения коэффициентов Сх, Су и mz по определяющему параметру х/Ь аналогичны, описанным ранее в разделе 2.2.для струйного течения с постоянной скоростью в поперечном сечении.

а)

Су корпус без оперения п с

- п Л -1

л и. ч I пв

/ / "'1 л\

/ у / и,-41 П 1 \ ' \

/ / п \ \ г

I 2 и 1 01 [ V 1 Л \ / /

-и.1 Л 1 \ У \ х/1

-0.3

б)

корпус без оперения

rrlZ

U. J. n

3 2 , \ 1 fil i ] 1 / ? 3

\ \ П 7 / Xj/L

\ \ m r /

\ n л f

\ \ П c / /

\ / /

\ V /

TU Я / у

0.0

в)

Рис. 2.18. Сравнение аэродинамических характеристик неоперенного корпуса в струе с переменной и постоянной скоростью при а = 0, ß =0 ,

1 - U=Um=var, 2 - U=Um= const, V = 18.056 м/с

а)

корпус без оперения

0.5 л

г / Т А AV

/ Л 3 N V

/ / \ \ \ \

✓ у U. 1 л \ \ \ \

1 2 и 1 П 1 \ \ V / / ;

-U. 1 -0.2 Xj/L

б)

mz корпус без оперения

Л X/ L

i 2 1 П 1 D А

-U.Z п я

—— t П f.

Ч \ \ N /

\ \ \ х -и, о / / / /

"Ч Чщу' -1 ¥

в)

Рис. 2.19. Сравнение аэродинамических характеристик неоперенного корпуса в струе с переменной и постоянной скоростью при а = 30°, в = 0, 1 - U=Um=var, 2 - U=Um= const, V = 18.056 м/с

Характер изменения коэффициентов аэродинамических сил и моментов неоперенного корпуса по параметру xi/L мало зависит от закона распределения скорости по поперечному сечению струйного течения. Это имеет место при всех рассмотренных углах атаки.

При одинаковой скорости на оси струйного течения, имеющего постоянную или переменную скорость в сечении, при переменной скорости в струе происходит уменьшение максимальных абсолютных величин коэффициентов Схтах ,Су и mz неоперенного корпуса дирижабля по сравнению со случаем постоянной скорости в струе (примерно до 15.20%). Кроме того, протяженность участка траектории полета дирижабля, где его аэродинамические характеристики сильно изменяются по сравнению с тем, что наблюдается для дирижабля вне струи, в случае струйного течения с переменной скоростью уменьшается на 25% по сравнению со случаем струи с постоянной скоростью в поперечном сечении (Рис. 2.18, 2.19).

Было проведено сравнение аэродинамических характеристик неопереннрго корпуса дирижабля при его перемещении через струйные течения по параметру V/Um для различных положений дирижабля

Сх

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

-0.05

-0.1

-0.15

_

/ / N

/ / "V

/

V/Uh

■ 12s

■ 14s

16s

Су

0.8

0.6

0.4

0.2

0.2

-0.4

0 \

V. ^ _ - - - - - "" "* V/

■ 12s

■ 14s 16s

Um

mz

V/Um

о -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8

о_: ; ___--А l

/Г' ___ш_____

У>* __

— 12s -14s

— 16s

Рис.2.20. Сравнение аэродинамических характеристик неоперенного корпуса в струе с постоянной скоростью при а = 0, в =0

Видно, что с ростом V/Um значение mz увеличивается, а Сх,Су наблюдается максимум при V/Um = 1,5.. 1,7.

X d/L

и.ч 0.3 0.2 0.1 п

*

к. м

И 1 ....... 1 ,

8 -6 -4 0 1 Ш г\ Д-ЛЛ 2* 4 6 8 1

г ' ..... -0.2 -0.3 1

У x/L

Рис.2.21. Относительное положение центра давления неоперенного корпуса в струе с постоянной скоростью при изменении а: 1 - а = 10, 2 - а = 20, 3 - а = 30

Найдено, что при попадании корпуса в струйное течение центр давления корпуса перемещается назад к его кормовой части, особенно при выходе корпуса дирижабля из струйного течения.

2.4. Выводы по главе 2

1. Установлены закономерности изменения по параметру х\/Ь локальных и суммарных аэродинамических сил и момента тангажа неоперенных корпусов дирижаблей, перемещающихся поступательно через струйные течения. В определенной степени знание этих закономерностей может быть использовано для анализа взаимодействия дирижабля и порыва при мгновенном полном или частичном охвате дирижабля порывом.

2. Найдено, что при перемещении неоперенного корпуса дирижабля через струйное течение модули величин аэродинамических сил и момента тангажа корпуса существенно растут (в несколько раз) по сравнению с их величинами для неоперенного корпуса, находящегося вне струйного течения. Положение корпуса относительно центра течения струйного типа определяет величину и знак его коэффициентов Сх, Су и тг. Максимальные абсолютные значения коэффициентов аэродинамических сил имеют место при пересечении границ струйного течения, а их значения практически не зависят от изменения ширины струйного течения. Максимальные значения коэффициентов продольной силы Сх достигаются при выходе неоперенного корпуса из струйного течения, а коэффициентов нормальной силы Су - при входе в струйное течение. Максимальные значения модуля коэффициентов момента тангажа тг имеют место в том случае, когда корпус находится в центре струйного течения.

3. Протекание зависимостей коэффициентов продольной и нормальной сил, а также момента тангажа по параметру х\/Ь, определяющему положение корпуса в струйном течении, не зависит от изменения формы поперечного сечения корпуса, его угла атаки и удлинения, изменения скорости движения корпуса и скорости на оси струи. Но максимальные абсолютные значения этих коэффициентов, когда

корпус частично или полностью находится в потоке струйного типа, зависят от перечисленных выше факторов. Рост параметра эллиптичности корпуса е, , угла атаки а, скорости на оси струи ит, уменьшение скорости движения корпуса V приводят к уменьшению значений коэффициентов | Схтах |, | Сутах |и | т2тах |корпуса.

4. Характер изменения коэффициентов аэродинамических сил и моментов неоперенного корпуса по параметру х\/Ь мало зависит от закона распределения скорости по поперечному сечению струйного течения. Это имеет место при всех рассмотренных углах атаки. При одинаковой скорости на оси струйного течения, имеющего постоянную или переменную скорость в сечении, при переменной скорости в струе происходит уменьшение значений коэффициентов | Схтах |, | Сутах |и | т2тах | неоперенного корпуса дирижабля по сравнению со случаем постоянной скорости в струе (примерно до 15...20%).

Глава 3. Аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля при его перемещении через атмосферные течения струйного типа

В данной главе приведены результаты исследования параметров обтекания и аэродинамических характеристик оперенных корпусов дирижабля при его взаимодействии с течениями струйного типа с заданным законом изменения скорости в начальном сечении струи [28-31,39-41,43,44,46].

3.1. Постановка задачи

Рассматривались оперенные корпуса дирижаблей с различной формой поперечного сечения без гондолы и винтовых движителей, а также с гондолой и работающими винтами. Пример математической модели оперенного корпуса дирижабля с круговым поперечным сечением в схеме ориентации «+» с установленными на корпусе гондолой и винтами приведен на Рис. 3.1. На этом рисунке все размеры даны в долях диаметра миделевого сечения корпуса.

Рис. 3.1. Оперенный корпус дирижабля с гондолой и винтами

Уравнение обвода корпуса дано в разделе 2.1. Поперечные сечения корпусов были круговыми (е = 1) и эллиптическими (е Ф 1). Изучалось также

взаимодействие с течением струйного типа оперенных корпусов дирижаблей «Атлант» и «Aeroscraft» без гондол и винтовых движителей (см. раздел 2.1). Консоли хвостового оперения оперенных корпусов имели трапециевидную форму и были составлены из одинаковых по размаху симметричных профилей серии NACA с относительной толщиной, равной 0.06. Консоли устанавливались на корпусе по схеме «+» и «х». Относительное расстояние от задней кромки

~ тт~ X 33.82 _ п...

консолей оперения до носка корпуса равнялось: Xa = = ^q = 0.8455 .

Носовое усиление корпуса в расчетах не учитывалось. Рули отклонены не были. В случае оперенного корпуса с круговым поперечным сечением (е = 1) рассматривались его варианты с гондолой и без неё, с работающими винтами и без них.

Основные допущения при решении задачи об аэродинамическом взаимодействии оперенных корпусов с течениями струйного типа сформулированы в разделе 1.1. Формы поперечных сечений рассмотренных корпусов, другие геометрические и кинематические параметры и условия моделирования приведены в разделе 2.1. Другие дополнительные данные и условия приводятся ниже по мере необходимости. Как и в главе 2 коэффициенты суммарных аэродинамических сил оперенных корпусов дирижабля подсчитывались по скоростному напору, определяемому по величине скорости поступательного движения дирижабля, и были отнесены к W2/3. Коэффициенты аэродинамического момента тангажа корпусов были подсчитаны относительно центра объема корпуса (оболочки) и были отнесены к W, где W - объем корпуса дирижабля. При определении аэродинамических коэффициентов использовалась связанная с корпусом система координат с началом в центре объема корпуса, ось Ох которой была направлена от носка корпуса к его кормовой части.

3.2. Влияние оперения на аэродинамические характеристики дирижабля без гондолы и работающих винтов при его перемещении через струйное течение с постоянной скоростью в начальном сечении струи

Рассматривается взаимодействие оперенного корпуса дирижабля с восходящим течением струйного типа. Условия моделирования сформулированы в разделе 2.1.

В результате численного моделирования были получены параметры потока в расчетных точках, найдены коэффициенты давления и трения, определены коэффициенты аэродинамических сил и моментов, действующих на оперенные корпуса дирижабля.

Х!/Ь = -0.8332 (г = 12 с)

Х!/Ь = 0.0696 (г =14 с)

х/Ь = 0.9724 (г =16 с)

Рис. 3.1. Пример линий тока в меридиональном сечении оперенного корпуса дирижабля: е = 1, V = 18.056 м/с, струя с постоянной скоростью ит =

10.67 м/с, а = 0

На Рис. 3.1 приведен характерный пример картин линий тока в окрестности меридионального сечения оперенного корпуса дирижабля кругового поперечного сечения I при I его I I перемещении I через I струйное I течение. I Восходящее (вертикальное) струйное течение натекает на корпус дирижабля снизу и имеет постоянную I скорость. I Видно, I что I характерные I особенности I обтекания оперенного корпуса струйным течением такие же, как и в случае неоперенного корпуса. Наличие оперения усиливает влияние корпуса дирижабля на струйное течение.

а = 0, вход в струйное течение, хг/Ь = -0.8332 (г = 12 с)

а = 0, полностью в струе, Х]/Ь = 0.0696 (г =14 с)

а = 0, выход из струйного течения, Х]/Ь = 0.9724 (г =16 с)

а =30°, вход в струйное течение, хг/Ь = -0.8332 (г = 12 с)

а = 30°, полностью в струе, Х]/Ь = 0.0696 (г =14 с)

а = 30°, выход из струйного течения, Х]/Ь = 0.9724 (г =16 с) Рис. 3.2. Линии равного давления в окрестности корпуса дирижабля, е = 1.0, V = 18.056 м/с, струя с постоянной скоростью ит = 10.67 м/с

На Рис. 3.2 приведен пример линий равного давления в окрестности оперенного корпуса кругового поперечного сечения (е = 1.0), движущегося через восходящую воздушную струю при углах атаки а = 0 и а = 30°.

Видно, что в окрестности корпуса формируется характерная область вихревого течения, размеры и конфигурация которой зависят от положения корпуса в струе. С ростом угла атаки течение заметно перестраивается. Образующиеся вблизи корпуса вихри имеют значительную интенсивность.

На Рис. 3.3 и 3.4 приведены примеры распределения локальных продольных и I нормальных I (перерезывающих) I сил I по I длине I оперенного I корпуса. Распределение локальных продольных сил по длине оперенного корпуса имеет тот же характер, что и в случае неоперенного корпуса (см.пример на Рис. 3.5). Установка оперения на корпусе вызывает появление на корпусе в области, где установлены консоли, значительных I нормальных I (перерезывающих I сил). Максимум этих сил наблюдается независимо от положения оперенного корпуса в струйном течении и угла атаки корпуса при х^ = 0,8 (что близко к центру корневой хорды консоли).

а)

б)

Рис.З.З.Распределение коэффициентов продольной и нормальной (перерезывающей сил по неоперенному корпусу, е = 1: а - продольная сила; б - нормальная сила; а = 0; V = 18.056 м/с, ит = 10.67 м/с

а)

б)

Рис. 3.4. Распределение коэффициентов продольной и нормальной (перерезывающей) сил по оперенному корпусу, е = 1: а - продольная сила; б - нормальная сила; а = 30°; V = 18.056 м/с, ит = 10.67 м/с

Схсеч

1,4

л* у 1=0.0696(Т=14с)_а =3 0_Х=4.5

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6

\Ч

\\ \\

\

\ чЧ

) 0 2 0 4 0 6 0

х/Ь

а)

Су_сеч

2

х/Ь=0.0696(1=14с)_а=30_л=4.5

1,5 1

0,5 О

-0,5 -1