Содержание к диссертации
Введение
Глава I. АНАЛИЗ И ПОСТАНОВКА ОСНОВНЫХ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Взаимодействие ударной волны с телами,движущимися со сверхзвуковой скоростью 9
1.2. Применение метода газогидравлической аналогии к решению задач взаимодействия тел с догоняющими ударными волнами 28
1.3. Постановка задач исследования 30
Глава 2. АНАЛОГОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ: РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ
ВОПРОСОВ
2.1. Математическая газогидравлическая аналогия. 36
2.2. Влияние отклонений от математической аналогии на точность результатов гидравлического моделирования 39
2.3. Теоретический анализ роли вязкости, поверхностного натяжения и вертикального ускорения при исследованиях методом газогидравли-ческои аналогии 50
Приложение I 67
Приложение 2 70
Глава 3. АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ О ДОГОННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛОГОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 72
3.1. Общие требования к аналоговым устройствам для гидравлического аналогового моделирования 72
3.2. Аналоговое устройство ГК-2 74
3.3. Аналоговое устройство ГК-1 76
3.4. Методы измерений. Методика отработки результатов аналоговых испытании 78
3.5. Сверхзвуковое обтекание различных тел: результаты, полученные методами аналитического, численного, физического и аналогового моделирования. Их сравнительная оценка.. 90
3.6. Обтекание ударной волной неподвижного цилиндра: результаты физического, численного и аналогового моделирования 109
3.7. Оценка точности аналоговых испытаний... 115
Глава 4. ПРЯМОЕ И НАКЛОННОЕ ВЗАШОДШСТВИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ С ТЕЛОМ, ДВИЖУЩИМСЯ СО СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТЬЮ - РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА ВО ВРЕМЕНИ 119
4.1. Развитие процесса во времени при (прямое догонное взаимодействие) .. 120
4.2. Развитие процесса во времени при 90<Ы J«tf 4.3. Развитие процесса во времени Глава 5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА ПРОФИЛЬ, ДВИЖУЩИЙСЯ СО СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТЬЮ, С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДОГОНЯЩШ УДАРНОЙ ВОЛНЫ 163 5.1. Распределение аэродинамической нагрузки по длине тела 165 5.2. Суммарные аэродинамические характеристики. 172 5.3. Центр давления. Фокус 187 5.4. Вопросы интерпретации результатов гидравлического аналогового моделирования.. 196 ВЫВОДЫ 199 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 201 Введение к работе Партия и правительство уделяют большое внимание развитию и совершенствованию авиационной и ракетно-космической техники. При решении этих вопросов возникает ряд проблем, связанных в первую очередь с задачами аэродинамического характера, относящимися ко всему летательному аппарату в целом, так и к отдельным его элементам. Рост скоростей современных летательных аппаратов стимулировал рост исследований в области сверхзвуковой аэродинамики. При этом следует заметить, что в общем случае сверхзвуковое обтекание летательного аппарата, особенно в сложных ситуациях полета, является физическим процессом, не имеющим на сегодняшний день точного математического решения. Поэтому представляется очевидным необходимость использования комплексного подхода к решению современных задач сверхзвуковой аэродинамики, а именно применения всего арсенала имеющихся методов исследования, как физических, так и теоретических (аналитических, численных и аналоговых). При одновременном использовании результатов (с учетом их взаимной проверки), полученных.различными методами моделирования , повышается вероятность получения безошибочного конечного результата. В числе первостепенных проблем современной сверхзвуковой аэродинамики проблема взаимодействия летательного аппарата с ударными волнами от внешних источников. В свою очередь решение этой проблемы может быть осуществлено путем разработки специального стендового оборудования и методического обеспечения, которые позволили бы оперативно и при относительно малых трудозатратах получать научную и практическую информацию в процессе взаимодействия, разработки рекомендаций с целью обеспечения безопасности полета и повышения живучести летательного аппарата в экстремальных ситуациях. Одному из аспектов этой многоплановой проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа. Общая характеристика работы Актуальность.Задаче нестационарного взаимодействия сверхзвукового летательного аппарата с ударной волной, возбуждаемой внешним источником и воздействующей в общем случае в любом направлении относительно летательного аппарата,уделяется значительное внимание в связи с факторами уязвимости летательного аппарата и убеждением, что нестационарный импульс, создаваемый на его поверхности волной, может или разрушить основную конструкцию, или осуществить сход летательного аппарата с заданной траектории, или, наконец, вызвать разрушающую высокочастотную реакцию во вспомогательной аппаратуре, которая приведет в конце концов к уничтожению летательного аппарата. К настоящему времени основные результаты по этой задаче получены для случая так называемого встречного взаимодействия, когда ударная волна от внешнего источника и тело движутся навстречу друг другу. Вместе с тем запросы практики диктуют необходимость исследования случаев догонного взаимодействия, когда ударная волна догоняет движущееся тело и воздействует на него. Так как воздействие догоняющей ударной волны может оказывать влияние на уязвимость летательного аппарата или его элементов, это существенно снижает уровень безопасности полетов в сложных ситуациях. Цели исследования. Обоснование и создание стендового оборудования и методики моделирования класса задач взаимодействия догоняющей ударной волны с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью. На основе разработанной техники и методики моделирования получение временных качественных картин взаимодействия, а также распределенных и суммарных аэродинамических характеристик различных тел. Получение оценки влияния фактора воздействия догоняющей ударной волны на характеристики продольной статической устойчивости. Методы исследования. С учетом сложности задачи взаимодействия и технических трудностей моделирования их в условиях аэродинамической трубы в работе использован метод гидравлического аналогового моделирования, основанный на газогидравлической аналогии Н.Е.Жуковского. Аналоговое моделирование поставленной задачи осуществлялось автором на аналоговых устройствах ГК-І и ГК-2 ТащПИ с применением способа буксировки (протаскивания) моделей в неподвижном слое "мелкой" воды. При решении одной из задач, касающейся теории метода газогидравлической аналогии, использован аналитический метод. Научная новизна. Разработаны стендовое оборудование и методика гидравлического аналогового моделирования класса задач взаимодействия догоняющей ударной волны с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью. Показано, что реализация методики позволяет получить новую качественную и количественную информацию в малоизученной области нестационарной аэродинамики. Изучены особенности физической картины взаимодействия на различных стадиях, включающих зарождение, развитие и интерференцию ударных волн и тела. На основе фото и кинограмм взаимодействия определены (х, t ) - развертки и определены несколько физических схем, которые могут явиться предпосылкой при создании ин- женерных методик расчета задач подобного класса. Исследовано влияние угла набегания догоняющей ударной волны, конфигурации тела, чисел Маха движущегося тела и ударной волны на временные распределенные и суммарные аэродинамические характеристики тел. Обнаружен резко нестационарный характер изменения аэродинамических характеристик (резкое начальное увеличение нагрузок до некоторой максимальной величины, затем их спад до стационарного значения). Дана оценка порядка действующих при взаимодействии усилий, а также величин, характеризующих продольную статическую устойчивость. Определен диапазон изменения положения центра давления и фокуса для одного из исследованных тел. Теоретически проанализировано влияние вертикального ускорения, вязкости и поверхностного натяжения при исследованиях методом газогидравлической аналогии. Получена новая формула, позволяющая дать научно-методическое обоснование пределов применимости используемого метода моделирования и практические рекомендации по организации аналоговых испытаний. Практическая ценность. Разработанные техника и методика аналогового моделирования доведены до рабочего проекта и инструкций, практически реализованы, что позволяет рекомендовать их в качестве типовых с целью оперативного получения информации на этапе экспериментальной отработки летательного аппарата. Результаты по определению физических схем на различных стадиях взаимодействия позволяют рекомендовать их для использования при разработке новых или совершенствовании имеющихся аналитических и численных методов решения задачи. Результаты настоящей работы использованы в процессе экспериментальной отработки по тематике одного из предприятий промышленности. Экономический эффект от внедрения подтвержден соответствующим документом. Исследования автора включены в разделы монографий: Виноградов Р.И., Каковский М.И., Якубов И.Р. Газогидравлическая аналогия и ее практическое приложение, -М.: Машиностроение, 1978. -152 с. Гилинский М.М., Лебедев М.Г., Якубов И.Р. Моделирование течений газа с ударными волнами. -М.: Машиностроение, 1984.-192 с. На защиту выносятся: Типовая методика и стендовое оборудование гидравлического аналогового моделирования задач взаимодействия догоняющей ударной волны с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью. Результаты исследования качественной картины процесса взаимодействия с образованием сложных ударно-волновых структур (зарождение, развитие и интерференция). Результаты исследования временных распределенных и суммарных аэродинамических характеристик тел с учетом воздействия догоняющей ударной волны. Количественная оценка характеристик продольной статической устойчивости тел при воздействии догоняющей ударной волны. Результаты теоретического анализа влияния факторов вертикального ускорения, вязкости и поверхностного натяжения при исследованиях методом газогидравлической аналогии. Взаимодействие ударной волны с телами различной формы сопровождается сложным волновым процессом. Возникающему при этом нестационарному взаимодействию ударных волн уделяется значительное внимание, например, в связи с факторами уязвимости летательного аппарата, а также с необходимостью обеспечения безопасности от воздействия нестационарного импульса,создаваемого проходящей волной. Известно, что такой нестационарный импульс способен привести к сходу летательного аппарата с заданной траектории, возможно ошибочное срабатывание различных систем автоматического управления, или вызвать высокочастотную реакцию во вспомогательной конструкции,что может привести к уничтожению летательного аппарата. Образующиеся при нестационарных взаимодействиях ударные волны и тангенциальные разрывы создают поле течения со сложной ударно-волновой структурой. В практике инженерных расчетов таких течений встречаются большие трудности. Они связаны со сложностью решения уравнений, описывающих интерференцию разрывов с неопределенностью областей изменения искомых величин, входящих в эти уравнения, отсутствием критериев перехода от одного типа взаимодействия разрывов к другому. Для осуществления комплексного подхода к изучению таких процессов привлекаются аналитические, численные и экспериментальные методы исследований, каждый из которых дополняет друг друга и тем самым повышается вероятность получения надежного результата. В общем случае движения тела ударная волна может воздействовать на него под любым углом набегания опереди, сзади, сбоку и т.д. (рис.1а). Источники ударной волны в практике различны: точечный взрыв, ударная волна от движущегося объекта, скачки уплотнения от отделяемого от летящего объекта груза и т.д. При решении проблемы газодинамического воздействия на тела ударной волной предметом исследований является создание наиболее полной физической схемы обтекания при взаимодействии и разработка методов решения на основе этих схем с целью получения практических рекомендаций для инженерных методик расчета характеристик изделий с учетом обеспечения безопасности полета. При этом наибольший интерес представляют вопросы, связанные с определением: 1. критериев перехода одного типа течения к другому на поверхности тела,особенно относящихся к области поля течения в окрестности точки отражения падающей ударной волны. 2. Величины угла наклона падающей ударной волны, при котором происходит переход регулярного отражения прошедшей волны от поверхности тела к маховскому. class2 АНАЛОГОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ: РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ class2 В 1.3 указано, что метод ГГА может быть использован для широкого класса плоских задач стационарной и нестационарной газодинамики. Процессы, моделируемые гидроаналогией, происходят в 1000 раз медленнее, чем в газе, что дает определенные преимущества при исследованиях быстротечных процессов. Гидравлическое аналоговое моделирование обладает наглядностью, простотой реализации, возможностью имитации сложных нестационарных процессов. Можно назвать такие нестационарные задачи сверхзвуковой аэродинамики, которые могут быть смоделированы только с помощью метода ГГА. К числу таких задач относятся, например, моделирование движения одного или системы тел по любой криволинейной траектории, взаимодействие тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью, с ударной волной, воздействующей под любым утлом в диапазоне от 0 до 360 и др. Теория газогидравлической аналогии, хотя и содержит в себе ряд нерешенных вопросов,в целом является хорошо разработанной. Неточность результатов, полученных ранее на других аналоговых устройствах связана с несовершенством техники и методики гидравлического аналогового эксперимента. В погоне за простотой переступается грань, после которой экспериментальное аналоговое устройство, будь то гидролоток (с применением обращенного движения) или гидроканал (с применением прямого движения, т.е. буксировки исследуемых тел) перестает быть исследовательским прибором. Поэтому исследование вопросов техники и методики гидравлических аналоговых экспериментов требует особого внимания? В связи с вышеизложенным настоящая глава посвящена решению вопросов, связанных с дальнейшим развитием теории метода газогидравлической аналогии. Все аналоговые устройства, на которых производят гидравлическое аналоговое моделирование газовых явлений, по принципу моделирования классифицируют следующим образом: 1) устройства, в которых газовый поток имитируется потоком жидкости со свободной поверхностью, обтекающим неподвижное тело. Такие установки называют гидролотками. 2) устройства в которых модель исследуемого тела движется в неподвижном слое жидкости (способ протаскивания). Такие установки называют гидроканалами. Следует обратить внимание на то, что строгий теоретический анализ вопросов, связанных с отклонениями от точной аналогии, приводит к соответствующим практическим рекомендациям, относящимся к организации самого аналогового эксперимента. Эти рекомендации сводятся к выбору габаритов моделей и аналоговых устройств, рабочей жидкости, глубины невозмущенного слоя и т.п. Отсюда следует,, что для повышения надежности результатов, получаемых с помощью метода ГГА, центр внимания должен быть сосредоточен на аналоговом устройстве, его конструктивном исполнении, тарировке, применении таких технологических и эксплуатационных решений, которые бы максимально уменьшали побочные эффекты, принципиально присущие методу ГГА. Как указывалось выше, радикальным способом уменьшения нежелательных эффектов, снижающих точность получаемых результатов, является применение способа буксировки (протаскивания) моделей в неподвижном слое "мелкой" воды. Способ буксировки моделей в неподвижном "мелком" слое воды обладает следующими преимуществами: 1) отсутствуют возмущения в "набегающем" потоке, т.е. среда перед моделью не возмущена в аэродинамическом отношении, не содержит примесей и не имеет никаких градиентов; 2) легко задаются и варьируются в широких пределах условия в набегающем потоке. При этом скорость и число Маха определяются с высокой точностью, при этом нет никаких приборов, вносимых в поток; ] ; 3) относительно легко моделируются нестационарные движения тел. В качестве рабочей жидкости, являющейся аналогом газа, у разных исследователей применяется вода при комнатной температуре; вода, подогретая до 80С; керосин, молоко. Каждая из этих жидкостей имеет свои достоинства и недостатки с точки зрения снижения вредных эффектов, присущих методу ГГА. Оптимальным вариантом с точки зрения снижения этих эффектов и эксплуатационных особенностей является применение в качестве рабочей жидкости обычной водопроводной воды с добавлением любых поверхностно-активных веществ (например, стиральной пасты "Пальмира" и т.п.) для снижения роли поверхностного натяжения. Конструктивное оформление аналогового устройства главным образом зависит от специфики решаемой задачи. При взаимодействии догоняющей ударной волны с телами различных форм возникает сложная картина нестационарного течения, расчет которой труден даже с применением современной вычислительной техники. Недостатки аналитических решений связаны с тем, что они используют такие допущения, как замена неравномерного слоя равномерным, условия тонкого тела и малые значения интенсивности воздействующей на тело ударной волны. При физическом экспериментальном исследовании трудно осуществлять данное взаимодействие, а также регистрировать изменения давления во времени на поверхности тела. Отличительная особенность подобных задач заключается также и в том, что догоняющая ударная волна распространяется по газу, который уже прошел через фронт догоняемой ударной волны. В то же время существует ряд преимуществ метода гидравлического аналогового моделирования при решении подобной задачи: возможность реализовать диапазон углов набегания ударной волны от 0до 360, наглядность, оперативность получения экспериментальных результатов. Конструктивное оформление аналоговых устройств ІК-І и ГК-2, реализация прямого, а не обращенного движения испытуемых моделей позволяют получить уникальную в своем роде научную информацию,связанную с изучением физики взаимодействия тела с догоняющими ударными волнами. В настоящей работе акцентируется внимание на углах набегания догоняющей ударной волны в диапазоне от 90 до 180. Специфика применяемого метода исследования позволила рассмотреть класс тел, в широком диапазоне от пластины до кругового цилиндра (рис.35). Црограмма испытаний взаимодействия тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью, с прямой догоняющей ударной волной (fуд.в.=180) была реализована на аналоговом устройстве ГК-І, а с наклонными догоняющими ударными волнами ( руд.в.=120; 150) и случай, когда ]Гуд.в.=900 - на аналоговом устройстве ГК-2. Программой испытаний было предусмотрено получение теневых картин обтекания тел в зависимости от времени с учетом воздействия ударной волны для следующих исходных параметров задачи: 1. Числа Маха тела М« =1.5 и 1.8 ; 2. Числа Маха ударной волны Муд.в.=1.8; 2.2; 3. Углы атаки профилей cL =0; 4; 10. Целями испытаний являлись: 1. Разработка типовой методики гидравлического аналогового моделирования процесса взаимодействия прямых и наклонных догоняющих ударных волн с телами, движущимися со сверхзвуковой скоростью. 2. Получение временных характеристик, отражающих качественные картины взаимодействия. 3. Получение распределенных и суммарных аэродинамических характеристик с учетом взаимодействия (результаты изложены в гл.5). На рис.73-75 в качестве примера представлены эпюры распределения коэффициента давления (или координатные диаграммы) по координатам X для пластины, ромбовидного и комбинированного профиля. Сочетания исходных параметров для одной модели дают 2Мда х ШудА х 5 об х ЗҐ уд.в=30 испытаний. Каждая эпюра распределения коэффициента давления соответствует одному значению . каждый представленный в качестве примера в настоящей диссертации рис. скомпонован таким образом, что отражает развитие процесса во времени для фиксированных значений ММ9оС , П уд.в., Т уд.в. Значения X можно интерпретировать для натурного процесса следующим образом: если принять, что в гидравлическом аналоговом эксперименте используются модели по габаритам в 10 раз меньше, чем в натуре, а скорости, как известно, в ГГА в 1000 раз меньше, чем в натуре, то по абсолютным значениям времени, процесс в ГГА совершается в 100 раз медленнее. Для оценки надвжности аналоговых результатов по величинам коэффициента давления проведена серия экспериментов по пластине и ромбовидному профилю на безграничном обтекании для М» = - ,0. На рис.76-77 показаны отдельные результаты сравнения с теоретическими данными:относительная погрешность по величинам коэффициента давления составляет 15 %.Взаимодействие ударной волны с телами,движущимися со сверхзвуковой скоростью
Математическая газогидравлическая аналогия
Общие требования к аналоговым устройствам для гидравлического аналогового моделирования
Развитие процесса во времени при (прямое догонное взаимодействие)
Распределение аэродинамической нагрузки по длине тела
Похожие диссертации на Газодинамические воздействия догоняющей ударной волны на элементы летательного аппарата
