Введение к работе
В диссертационной работе на основе численного моделирования проведено исследование трансзвукового "стационарного и нестационарного осесимметричного обтекания тел вращения, а также пространственного стационарного обтекания летательных аппаратов; при этом особое внимание уделено определению и изучению их интегральных аэродинамических характеристик.
Актуальность темы. Полет многих современных летательных
аппаратов происходит в трансзвуковом диапазоне скоростей.
Характерные для этого режима физические процессы, такие как
возникновение и перемещение скачков уплотнения, их
взаимодействие с пограничным слоем, приводят к сложной
зависимости аэродинамических характеристик летательных
аппаратов от числа Маха и угла атаки. Кроме того, при
течении газа с околозвуковой скоростью, положение и
интенсивность ударных волн, определяющие поведение
аэродинамических сил и моментов, чувствительны даже к малым
изменениям параметров потока. Поэтому исследование
закономерностей трансзвуковых течений необходимо как для
создания новых, более совершенных летательных аппаратов, так
и для обеспечения безопасности их полета. Изучение обтекания
летательных аппаратов в трансзвуковом диапазоне скоростей
экспериментальными методами затруднено необходимостью учета
влияния большого числа неблагоприятных факторов -
неравномерности потока, интерференции со стенками
аэродинамической трубы и т.д. Таким образом, большую
актуальность имеет проблема разработки надежных
теоретических методов определения аэродинамических
характеристик летательных аппаратов.
Целью работы является: І.Изучение стационарного трансзвукового обтекания тонких тел вращения и разработка на основе интегральной формы теоремы импульса эффективного метода определения их волнового сопротивления путем интегрирования волновых потерь вдоль скачков уплотнения.
2.Исследование с использованием правила эквивалентности зависимости волнового сопротивления удлиненных тел сложной пространственной конфигурации типа гиперзвуковых летательных аппаратов от числа Маха набегающего потока. 3.Изучение нестационарного трансзвукового обтекания тонких тел вращения в условиях, когда нестационарность течения вызвана внешними воздействиями апериодического характера. Разработка на основе интегральной формы теоремы импульса эффективного метода определения нестационарного волнового сопротивления путем интегрирования вдоль скачков уплотнения.
-
Исследование пространственного стационарного трансзвукового обтекания летательных аппаратов и изучение зависимости их аэродинамических характеристик от числа Маха и угла атаки. Разработка на основе интегральной формы теоремы импульса эффективного метода определения сопротивления давления летательного аппарата путем интегрирования по скачкам уплотнения и по плоскости Треффтца.
-
Разработка и развитие новых методов вычислительной аэродинамики. Увеличение эффективности и устойчивости вычислительного процесса, а также повышение точности и достоверности данных, получаемых на основе численного моделирования.
'і
Научная новизна:
І.При численном моделировании стационарного и
нестационарного трансзвукового обтекания тел вращения на внешних границах расчетной области применены __ "неотражающие" граничные условия, которые выводятся на основе анализа асимптотического поведения соотношения, выполняющегося на характеристической поверхности нестационарного уравнения теории малых возмущений. Применение данных условий позволяет приблизить внешние границы расчетной области к телу без сколько-нибудь заметного искажения поля течения, чем достигается большая точность расчета.
2.Для численного моделирования трансзвукового обтекания тел вращения произведена модификация на осесимметричный случай метода переменных направлений, состаящая в замене аппроксимации оператора <~р на аппроксимацию оператора (Г<-рг^г/г с учетом возможной неравномерности сетки. З.На основе интегральной формы теоремы импульса разработан эффективный метод расчета стационарного волнового сопротивления тел вращения, заключающийся н интегрировании скачка продольной составляющей скорости вдоль ударной волны. Установлены ограничения, которым должна удовлетворять форма тел в окрестности носовой и хвостовой точек для того, чтобы их волновое сопротивление могло быть определено в рамках теории малых возмущений.
4.На основе интегральной формы теоремы импульса разработан эффективный метод определения нестационарного еолнового сопротивления тел вращения путем интегрирования ряда параметров течения вдоль скачков уплотнения. С помощью разработанного метода изучено поведение волнового сопротивления при мгновенном входе тела во встречный порыв
ветра и при взаимодействии тела с догоняющей его сзади слабой ударной волной.
5.Разработан численный метод расчета в рамках теории малых
возмущений пространственного стационарного трансзвукового
обтекания летательных аппаратов, базирующийся на разделении
всей области течения на две подобласти, в одну из которых
(внутреннюю) помещается фюзеляж и хвостовое оперение, а в
другую (внешнюю) - крыло. Краевая задача во внутренней
области для уравнения Лапласа решается панельным методом, во
внешней области для решения трехмерного уравнения Кармана
используется метод приближенной факторизации
конечно-разностного оператора.
6.Разработан эффективный метод определения интегральных аэродинамических характеристик летательных аппаратов -подъемной силы, сопротивления давления и момента тангажа. Для определения подъемной силы и момента тангажа используется процедура интегрирования распределения давления по поверхности тела. Для определения сопротивления давления, на основе интегральной формы теоремы импульса получена формула, выражающая коэффициент сопротивления через интегралы по скачкам уплотнения и по плоскости Треффтца.
Практическая ценность: l.Ha основе современных численных методов разработаны программные средства для изучения стационарного и нестационарного трансзвукового обтекания тел вращения и определения их волнового сопротивления. Тестовые расчеты и решение ряда задач показали, что разработанный алгоритм позволяет проводить расчеты трансзвуковых течений со сложной динамикой скачков уплотнения и обеспечивает точность и достоверность результатов, удовлетворяющие потребности
о'
инженерной практики.
2.С помощью созданного комплекса программ решен ряд актуальных задач. В частности, в рамках трансзвукового правила эквивалентности определено - влияние .. на_ величину волнового сопротивления различных частей компановки двух перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. З.На основе современных методов вычислительной аэродинамики разработан пакет программ для расчета стационарного пространственного трансзвукового обтекания летательных аппаратов и определения их интегральных аэродинамических характеристик. Эффективность разработанного алгоритма такова, что позволяет производить с высокой степенью точности расчет трансзвукового обтекания реального летательного аппарата за два - три часа процессорного времени мини-супер ЭВМ IBM Risk 6000.
Апробация работы. Приведенные в диссертационной работе
результаты докладывались и получили положительную оценку на:
1.Научной конференции факультета аэромеханики и летательной
техники Московского физико-технического института
(Жуковский, ФАЛТ МФТИ, 1993г.)
2.Научной школе-семинаре по МЖГ под руководством академика РАН Г.Г.Черного (Севастополь, 1994г.)
3.Международной конференции "Исследования гиперзвуковых течений и гиперзвуковые технологии". (Жуковский, ЦАГИ, 1994г.)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в [1-5], список которых приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, содержит 40 фигур графиков и библиографию из 150 наименований. Общий объем диссертации 160 страниц.