Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Увеличение крейсерского аэродинамического качества компоновок дозвуковых пассажирских самолетов является одной из актуальных задач современной аэродинамики. Учитывая перспективу на 10-15 лет вперед, создаваемые сейчас российские магистральные пассажирские самолеты должны иметь топливную эффективность на уровне 14—15 г/кмчел. Достижение этой высокой цели является сложной наукоемкой задачей, успешное решение которой возможно только в результате глубоких теоретических, расчетных и экспериментальных исследований.
Совершенствование аэродинамики пассажирских самолетов идет сейчас по двум основным направлениям. Первое и традиционное направление заключается в том, чтобы для заданной компоновки и без активных методов управления обтеканием, чисто геометрическими методами, в рамках заданных ограничений, выбрать те проценты аэродинамического качества, которые остались до теоретического предела при турбулентном характере обтекания. Это направление себя еще не исчерпало, но оставшиеся проценты качества даются все с большими усилиями.
Второе направление улучшения аэродинамики дозвуковых пассажирских самолетов связано с использованием активных, энергетических средств управления обтеканием. Подобные методы принципиально позволяют преодолеть теоретический барьер, стоящий на пути увеличения аэродинамического качества без их применения.
Актуальность темы диссертации связана с тем, что как первое, так и второе направления в настоящее время требуют глубокого теоретического исследования физической природы аэродинамических сил, определения и изучения всех факторов влияния на подъемную силу и сопротивление летательного аппарата.
Целью диссертации является обобщение существующих теорий аэродинамического сопротивления и подъемной силы в рамках единого подхода, заполнение существующих пробелов в теории аэродинамических сил с учетом теплообмена тела со средой. Теоретическое обоснование, аналитические и расчетные исследования активных энергетических методов увеличения аэродинамического совершенства дозвуковых пассажирских самолетов. Исследование их энергетической эффективности, обоснование и выбор методов, пригодных для практического использования и реального увеличения аэродинамического совершенства компоновок перспективных дозвуковых летательных аппаратов.
Научная новизна работы. Автором построена единая теория аэродинамических сил с учетом теплообмена тела со средой или теплоподвода в плоском и пространственном случаях, теории конкретных видов сопротивления и подъемной силы с учетом теплообмена, теории конкретных энергетических методов управления обтеканием. Автором предложен, теоретически обоснован и исследован новый энергетический метод увеличения аэродинамического совершенства компоновки, имеющий в своей основе охлаждение верхней обтекаемой поверхности крыла.
Метод исследований. В диссертации применяются аналитические и численные методы исследований. С помощью аналитических методов исследования строятся общая теория аэродинамических сил с учетом возможного теплообмена тела со средой и следующие из нее частные теории различных энергетических методов влияния на суммарные аэродинамические силы. Численные исследования, приведенные в работе, используются для подтверждения теоретических предпосылок и базируются на известных и широко опробованных сеточных методах решения уравнений Навье-Стокса (осредненных по Рейнольдсу) и промышленных программах.
Достоверность полученных результатов. Результаты, представленные в диссертации, базируются на использовании известных общепризнанных моделей механики жидкости и газа и классических методах исследования. Аналитические результаты сравниваются с численными решениями и известными экспериментальными данными. Численные решения получены с помощью многократно протестированных промышленных программ расчета.
Апробация работы. Материалы диссертации (материалы отдельных глав и приложений) докладывались автором на семинаре ИПМ (Москва, 1980, руководитель Шевелев Ю.Д), семинаре ЦИАМ (Москва,1982, руководитель Крайко А.Н.), семинаре ЦАГИ по аэродинамике (1987г., руководители член-корр. РАН В.В. Сычев, член-корр. РАН В.Я. Нейланд), на V-ой Всесоюзной школе-семинаре ЧММСС, г. Красноярск, 1990г.), XIV– XVIII школах семинарах ЦАГИ «Аэродинамика летательных аппаратов» (2003-2008гг.), Международном авиационно-космическом семинаре им. С.М. Белоцерковского (Москва, 1980 – руководитель Белоцерковский С.М., 2003гг., руководитель профессор М.И. Ништ), семинаре НИИ Механики МГУ (Москва, 2006г., руководитель академик РАН Г.Г. Черный), семинаре кафедры аэрогидромеханики ФАЛТ МФТИ (2003, 2008г., руководитель Дудин Г.Н.), семинаре НИО-2 ЦАГИ (2004г., руководитель Ляпунов С.В.), семинаре НИО-8 ЦАГИ (2005, 2007гг., руководитель член-корр. РАН Егоров И. В.), Международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики», (руководитель В.Я. Нейланд, г. Евпатория, 2006-2008гг.), на НТС ЦАГИ по аэродинамике и механике полета, 2008г., руководитель д.т.н. профессор Павловец Г.А.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 23 печатных работах [1-23]. Общий объем печатных работ около 33-х учетных издательских листов. Все основополагающие работы выполнены без соавторов.
На защиту выносятся:
Обобщенная теория суммарных аэродинамических сил, действующих на тело в потоке вязкого, теплопроводного газа с учетом теплообмена тела со средой или теплоподвода в плоском и пространственном случаях. Вытекающие из нее результаты, частные случаи, доказательства, решения вспомогательных задач, выводы и обобщения.
Теория индуктивного сопротивления крыла конечного размаха в вязкой жидкости. Результаты исследований физической природы возникновения индуктивного сопротивления в вязкой и идеальной жидкостях. Вывод формулы Прандтля предельным переходом со стороны вязкой жидкости.
Теория профильного сопротивления с учетом теплообмена тела со средой. Общие выражения для теплообменных сил. Решение задачи о сопротивлении пластинки с учетом теплообмена. Метод решения уравнений Навье – Стокса и расчета профильного сопротивления в несжимаемой жидкости.
Результаты исследований метода уменьшения профильного сопротивления с помощью нагрева обтекаемой поверхности, определение его энергетической эффективности и перспектив применения.
Теория волнового сопротивления с подводом тепловой энергии в местную сверхзвуковую зону профиля в приближении трубки тока и для профиля с постоянной кривизной верхней поверхности.
Результаты исследований энергетического метода уменьшения волнового сопротивления, основанного на распределенном вдоль скачка уплотнения подводе тепловой энергии. Определение его эффективности и перспектив применения в практических целях.
Теория подъемной силы крыла при наличии несимметричного поверхностного теплообмена. Определение дополнительных составляющих подъемной силы, обусловленных теплообменом, и имеющих не циркуляционную природу. Определение вариантов организации теплообмена, оказывающих наибольшее положительное влияние на несущие свойства и поляру крыла.
Результаты аналитических и численных исследований метода увеличения несущих свойств и аэродинамического качества летательного аппарата с помощью несимметричного теплообмена, имеющего в своей основе охлаждение верхней поверхности. Определение его энергетической эффективности.
Сравнительный анализ энергетической эффективности рассмотренных в работе методов влияния на аэродинамические силы и перспектив их применения в практической аэродинамике.
Все основные результаты работы, представленные к защите, получены автором самостоятельно. Расчетные исследования по промышленным программам решения уравнений Навье-Стокса проведены д.т.н. Г.Г. Судаковым. Постановка задач и анализ результатов расчета проведены автором.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав с приложениями, являющимися неотъемлемой частью диссертации, основных выводов и результатов работы, списка литературы. Общий объем работы 365 стр. Список литературы содержит 156 наименований.
