Введение к работе
Актуальность темы. Проблема поперечной силы на осесимметричных телах исследуется уже более 50 лет. Большой интерес в исследовании несимметричных аэродинамических характеристик вызван необходимостью управления ракетами и истребителями на больших углах атаки. Возникновение этой несимметричной характеристики объясняется несимметричностью течения около тела вращения. Асимметричный вихревой след за носком тела может сгенерировать большую поперечную силу и момент рыскания. Результаты экспериментальных исследований показывают, что индуцируемая такой вихревой системой поперечная сила сопоставима по величине с нормальной силой. Недостаточная изученность этого явления связана с трудностями его исследования как экспериментальными, так и теоретическими методами.
Поперечная сила зависит от формы носовой части, длины ракеты, числа Рейнольдса, числа Маха. По мнению многих исследователей, на результаты экспериментов существенно влияют незначительные колебания модели, шероховатость ее поверхности, точность изготовления, возмущения набегающего потока.
Проектировщики летательных аппаратов заранее, на этапе предварительного проектирования, должны знать возможную величину поперечной силы и момента рысканья, чтобы обеспечить устойчивость и управляемость аппарата в режимах полета под большими углами атаки.
При теоретических исследованиях стационарного пространственного движения тела можно использовать аналогию неустановившегося поперечного обтекания, внезапно разгоняемого из состояния покоя кругового цилиндра. Однако и в этом случае, при решении дифференциальных уравнений движения вихрей, необходимо определить зависимости точек отрыва потока от поверхности, моменты отрыва развившихся вихрей и точки появления новых, которые неизвестны. Брайсон в своей модели симметричного обтекания с сосредоточенными вихрями точки отрыва полагает постоянными, уравнения движения вихрей получает из условия баланса сил, действующих на вихрь и питающую его пелену, а интенсивности вихрей определяет из условия нулевой скорости в точке отрыва потока. Расчеты по методу Брайсона показывают неправдоподобные силы сопротивления (рис. 8). Водлоу модифицировал модель Брайсона для расчета обтекания с несимметричными вихрями.
Для решения трехмерной задачи Маршалл, Деффенбаф и Манделхолл использовали двухмерную модель схода дискретных вихрей (модель вихревого «облака»). При этом интенсивности дискретных вихрей, сходящих с корпуса, считаются пропорциональными квадрату скорости в точке отрыва, а скорости движения вихрей принимаются равными местной скорости течения. Шиванда и Оберкамп в своих расчетах этим методом не смогли получить распределенные характеристики поперечной силы, близкие к экспериментальным результатам Ламонта. Они пришли к выводу, что расчетным путем невозможно подтвердить величину поперечной силы и длины волны колебания местного распределения поперечной силы, измеренной в эксперименте.
Целью работы является:
1) Экспериментальное исследование обтекания осесимметричных тел под большими углами атаки для выяснения причинно-следственных связей образования поперечной силы при несимметричном развитии вихрей, т.е. описание механизма образования поперечной силы.
2) Разработка расчетной модели на основе существующих методов сосредоточенных вихрей для проведения инженерных расчетов при определении оценочных зависимостей нормальной и поперечной силы на этапе предварительного проектирования летательных аппаратов.
3) Реализация модели в виде вычислительной программы и проведение сравнительных расчетов.
Методы исследования. Проведение экспериментов в дозвуковой аэродинамической трубе по определению поперечной силы на осесимметричных моделях с различными носовыми частями. Визуализация картины течения на поверхности модели путем покрытия поверхности саже-масляной смесью. Для численного решения задачи обтекания осесимметричных тел под углами атаки используется модифицированный метод сосредоточенных вихрей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Модифицирован метод точечных вихрей (метод Водлоу) в части уравнений движения вихрей и определения их интенсивностей с учетом того, что скорость движения вихрей равна местной скорости течения, а скорость изменения их интенсивностей пропорциональна квадрату скорости вблизи точки отрыва.
Получены полуэмпирические зависимости изменения углов отрыва по длине тел вращения, позволяющие существенно упростить алгоритм расчетной модели и сократить время вычислений.
Практическая ценность.
Предлагаемая в диссертации модифицированная модель сосредоточенных вихрей вместе с полуэмпирическими зависимостями линий отрывов позволяет рассчитывать аэродинамические характеристики тел вращения на больших углах атаки.
Полученные полуэмпирические зависимости линий отрывов применимы и при расчетах аэродинамических характеристик методом дискретных вихрей.
Достоверность и обоснованность результатов. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе Самарского аэрокосмического университета с использованием аттестованной измерительной аппаратуры. Полученный максимальный уровень поперечной силы хорошо согласуется с результатами зарубежных исследований. Проведенные теоретические расчеты базируются на строгой математической постановке. Математическое моделирование исследуемых физических процессов проведено в рамках известных теорий и моделей механики жидкости. Достоверность численных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований и удовлетворительной их сходимостью.
Публикации и апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 5-х научных чтениях памяти М.К.Тихонравова по военной космонавтике «Космос и обеспечение безопасности России» в 4 ЦНИИ МО РФ (Юбилейный – 2004 г.); на 5-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2006» в МАИ (Москва – 2006 г.); на научно-технической молодежной конференции «Инновационные разработки – основа создания мирового лидирующего продукта в ракетно-космической отрасли» в ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (Самара – 2007 г.). По теме диссертационной работы имеется 7 публикаций, среди них 3 работы в рекомендуемых ВАК журналах.
Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 159 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения с актами о внедрении результатов работы; основная часть содержит 100 страниц текста, 45 рисунков, 80 наименований источников литературы.
