Введение к работе
Актуальность проблемы. Ряд критических режимов обтекания лопастей вертолетов, ветрогенераторов, компрессоров, а также крыльев самолетов в значительной степени обусловлен отрывом тока. Эти режимы могут сопровождаться падением несущих свойств, неоднозначностью характеристик на прямом и обратном ходе, потерей демпфирования, возникновением автоколебаний. Исследование обтекания, нестационарных аэро-дипамических характеристик (НАХ) на указанных режимах, достижение глубокого понимания процессов, происходящих при этом, является актуальной проблемой, решение которой необходимо для выработки рекомендаций при проектировании несущих систем. Этой цели можно добиться на пути развития не только экспериментальных методов, которые сейчас в основном используются при проведении такого рода исследований, но и численных подходов.
Целью работы является разработка численных моделей и алгоритмов расчета нестационарного отрывного обтекания ряда важнейших несущих систем (профиля, крыла конечного размаха большого удлинения, треугольного крыла) и исследование на основе этих моделей и алгоритмов критических режимов обтекания, на которых возникают такие нежелательные явления как срывной флаттер, штопор, автоколебания по крену (wing rock). В соответствии с этим, в диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи:
1. Разработка метода расчета нестационарного отрывного обтекания профиля.
-
Проведение комплексных численных исследований динамического срыва на профилях на критических режимах обтекания. Изучение влияния на обтекание и НЛХ профиля кинематических параметров, в частности, угла атаки, частоты колебаний
-
Разработка алгоритма расчета отрывного обтекания крыла конечного размаха большого удлинения, вращающегося относительно некоторой оси. Проведение расчетов аэродинамических характеристик в широком диапазоне углов атаки, сопоставление с экспериментальными данными.
-
Разработка численной математической модели нестационарного отрывного несимметричного обтекания треугольного крыла. Исследование аэродинамических характеристик при колебаниях этого крыла по тангажу на больших углах атаки.
-
Создание численной математической модели самовозбуждающихся колебаний по крену (или wing rock'a) треугольного крыла.
-
Исследование на основе численной математической модели природы и механизма автоколебаний треугольного крыла по крену. Изучение влияния на автоколебательную систему внешних возмущений и рассмотрение способов подавления автоколебаний.
Достоверность полученных результатов основана на использовании при построении численных математических моделей надежных и проверенных подходов, подтвер-
ждается тщательными методическими исследованиями и сопоставлением, там где это было возможно, с известными экспериментальными и численными данньши других авторов. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
создан эффективный метод расчета отрывного обтекания профиля, представляющий собой комбинацию панельного метода и метода дискретных вихрей с использованием решения уравнений пограничного слоя в интегральной форме;
выявлены механизмы формирования аэродинамических сил и моментов, возникновения антидемпфирования; проведены численные исследования нестационарного отрывного обтекания профиля в широком диапазоне изменения частоты колебаний;
на основе анализа суммарных аэродинамических характеристик и численной визуализации течения продемонстрировано, что носовой разгонный вихрь, образующийся при резком трогании профиля с места, и вихрь динамического срыва, возникающий на этапе увеличения угла атаки, имеют схожие черты и оказывают аналогичное влияние на суммарные аэродинамические характеристики;
выявлены на основе численного моделирования режимы захвата частоты схода вихрей Кармана на основной и кратных гармониках при колебаниях профиля (как тонкого, так и телесного) на больших закритических углах атаки, а также при его движении вблизи волнистой стенки;
с помощью анализа областей синхронизации продемонстрированы общие черты аэродинамической автоколебательной системы (отрывное обтекания профиля на закритических углах атаки) и генератора Ван-дер-Поля;
построен алгоритм расчета аэродинамических характеристик крыла конечного размаха большого удлинения при его вращении относительно скоростной оси в широком диапазоне углов атаки, включающем критические режимы обтекания, использующий в качестве исходных данных профильные аэродинамические характеристики, с помощью которого проведены исследования аэродинамических характеристик на режимах вращения крыла по крену;
на основе совместного решения уравнений нестационарной аэродинамики и динамики движения создана численная математическая модель самовозбуждающихся автоколебаний треугольного крыла по крену (wing rock'a), удовлетворительно согласующаяся с опытными данными;
с помощью этой численной математической модели автоколебаний треугольного крыла по крену :
установлена природа и механизм таких автоколебаний;
выявлена принципиальная особенность формирования демпфирования аэродинамической автоколебательной системы в окрестности начала движения;
установлена зависимость амплитуды автоколебаний от частоты;
показано, что при воздействии внешних возмущений на аэродинамическую автоколе-бателыгую систему в ней может возникнуть гармонический захват частоты;
- предложены способы подавления автоколебаний треугольного крыла. Практическая значимость работы заключается:
в разработке численных моделей и алгоритмов расчета критических режимов нестационарного отрывного обтекания важнейших несущих систем;
в исследовании ПАХ несущих систем на критических режимах обтекания;
в исследовании природы и механизма возникновения режимов автоколебаний;
в изучении резонансных явлений при действии на рассмотренные аэродинамические автоколебательные системы внешних возмущений.
На защиту выносятся:
метод расчета нестационарного отрывного обтекания профиля;
выявленный механизм формирования НАХ при динамическом срыве и результаты численных исследований отрывного обтекания профилей в широком диапазоне изменения кинематических параметров;
алгоритм расчета аэродинамических характеристик крыла конечного размаха большого удлинения при его вращении относительно скоростной оси в широком диапазоне углов атаки и результаты расчетов;
алгоритм расчета НАХ треугольного крыла на больших углах атаки при несимметричном отрывном обтекании и результаты расчетов;
численная математическая модель автоколебаний треугольного крыла по крену;
установленные на основе исследований природа и механизм аэродинамической автоколебательной системы, а также результаты параметрических расчетов.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение в ряде организаций, о чем свидетельствуют акты об их использовании в АООТ "ОКБ Сухого", в СИБНИА им. С.А. Чаплыгина и др.
Апробация работы:
Отдельные результаты диссертация докладывались: на Всесоюзном съезде по механике (1991г., г. Москва), на Международном симпозиуме по отрьшным течениям и струям - ШТАМ (г. Новосибирск, 1990г.), на Международной конференции "Методы аэрофизических исследований" - ICMAR'92 (г. Новосибирск, 1992г.), на двух Российско-китайских конференциях по аэродинамике (1991г., г. Новосибирск; 1992г., г. Пекин), семинаре "Аэродинамика неустановившихся движений" под руководством проф. СМ. Бело-церковского (1987г., 1997г.,Москва), на 11-ой Всесоюзной конференции "Нелинейные колебания механических систем" (1990г., г. Нижний Новгород), на IV-ых научных чтениях памяти Б.Н. Юрьева (1992 г., г. Москва), на семинарах в ЦАГИ (1992, 1993 г.г.), на первой Международной конференции по экраноияанам (1993г., г. Иркутск,), на объединенном семинаре в ИТПМ (1998г., г. Новосибирск); в ОКБ Ухтомского вертолетного завода (1992 г.), в МВЗ им. М.Л. Миля (1992 г.), и в других организациях.
Публикации. По теме диссертации опубликована 30 печатная работа. Основные результаты содержатся в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 242 страниц.