Введение к работе
Актуальность темы.Создание аэродинамически совершенных компоновок летательных аппаратов продолжает оставаться одной из актуальных проблем как теоретической, так и практической аэродинамики. В прикладном аспекте эта проблема сводится, в частности, к определению оптимальных форм сопряжений аэродинамических элементов типа крыло-фюзеляж как с точки зрения обеспечения минимального сопротивления всей компоновки, так и сохранения или даже улучшения ее несущих свойств. В фундаментальном аспекте - к изучению физических свойств и закономерностей развития течения в областях сопряжений аэродинамических поверхностей с целью построения приемлемых методов расчета этого сложного класса течений. В частном случае подобные конфигурации имеют вид продольно обтекаемого плоского или криволинейного двугранного угла (ДУ), который широко встречается не только в конструкциях авиационно-космической техники, но даже в рабочих частях аэродинамических труб, в которых проводятся сами испытания этих конструкций.
Пространственные течения в угловых конфигурациях нередко формируются в условиях большого количества осложняющих факторов:существенного влияния предыстории потока, наличия градиента давления, продольной и поперечной кривизны сопрягаемых поверхностей, несимметрии течения, проявления существенного эффекта вязко- невязкого взаимодействия.
Актуальность проблемы обуславливает значительно возросший в последние годы интерес ряда исследователей к ее отдельным научным и практическим аспектам. Быстро растет и число публикаций, в особенности в последние два- три десятилетия. Следует выделить исследования П.Брэдшоу, И.М.М.А.Шабака, А.Д.Юнга, О.О.Мойолы, С.Саройи, Г.М.Брегга, Е.Брундретта, Ф.Гесснера, М.Парадиса, Х.Перкинса, Л.Г.Лойцянского, П.ІЇ.Воротникова, В.П.Шидловского, В.И. Субботина, Е.М.Хабахпашевой, Г.М.Бам-Зеликовича, направленные на изучение свойств сдвигового течения в угловой конфигурации; Ю.Г.Гуревича, Р.Со.Г.Меллора, Б.Рамаприана, Б.Шивапрасада, П.Брэдшоу, Р.Мерони, Я.Айхары, К.Коямы, связанные с изучением влияния кривизны; Дж.Хинце, Ф.Клаузера, П.Дж.Х.Буилтьеса, У.Моллера, Е.Марумо, П.Брэдшоу, Ф.Вонга, Л.Г.Лойцянского, Ю.В.Лапина, А.А. Пядишгоса, А.А.Шланчяускаса, Г.П.Зигмантаса, В.В.Зябрикова, посвященные изучению влияния предыстории двумерного течения; В.А.Бари-
нова, Ю.Л.Шешина, Г.А.Юдина, Ю.В.Бочаровой, А.В.Колесникова, К.А.Почкиной, А.Г.Прозорова, А.Г.Ерезы, Е.Х.Орловской, А.Д.Юнга, связанные с изучением возможности повышения эффективности элементов сопряжений; В.С.Демьяненко, Н.Ф.Воробьева, А.И.Глаголева, А.И.Зубкова, Ю.А.Панова, М.А.Зубина, Н.А.Остапенко, А.А.Желтово-дова, Г.С.Сеттлза, С.М.Богдонова, К.Поддара, посвященные изучению структуры течения в угле в условиях взаимодействия с косым скачком уплотнения.В связи с интенсивным развитием вычислительной техники и использованием суперкомпьютеров на качественно новый уровень вышли численные методы расчета (Дк.Кустейк, Д.Арналь). Тем не менее, вследствие многочисленных трудностей как экспериментального, так и расчетного характера, продвижение в понимании всех аспектов течения и, в особенности, осознания всего многообразия различных форм таких течений все же остается весьма медленным. Почти полное отсутствие экспериментальной информации по целому ряду важных практических и фундаментальных направлений этого класса течений сдерживало как создание эффективных методов расчета, так и в значительной степени ограничивало прямой выход на практическое использование. Между тем практика конструирования современных летательных аппаратов постоянно выдвигает все новые задачи, в том числе связанные^ совершенствованием их элементов сопряжений. Поэтому давно возникла необходимость более целенаправленной постановки исследований с охватом воздействия различных факторов, имеющих место в реальных условиях, в широком диапазоне геометрических и режимных параметров, чисел Маха и Рей-нольдса и в конечном итоге выявлением основных взаимосвязей внутренней структуры потока с аэродинамической эффективностью указанных сопряжений. В свете вышеизложенного и была сформулирована цель настоящей диссертации.
Целью работы является проведение систематических комплексных экспериментальных исследований структуры различных форм течений в угловых конфигурациях вплоть до получения полной информации о поле течения; переосмысление существовавших представлений об основных свойствах исследуемых течений; получение новой информации, которая полностью отсутствует или ощущается ее нехватка для разных типов течений и, наконец, непосредственное использование результатов исследований для определения рациональной формы сопряжения аэродинамических элементов типа крыло-фюзеляж.
Методика исследований. Приведенные в работе экспериментальные
данные были получены на аэродинамических трубах Т-324 и T-3I3 ИТПМ СО РАН. В процессе исследований использовались разнообразные методы и средства диагностики течения как хорошо освоенные, так и специально развитые в работе. Преимущественно применялись тер-моанемометрические, пневмометрические, "весовые", оптические и визуализационные методы измерений. Ряд методов, в частности, тер-моанемометрический, оптический, "весовой", используемые в работе, получили в ней дальнейшее развитие. Проведение широкого спектра методических исследований и выполнение тестовых экспериментов в контрольных областях течений с анализом систематических и случайных погрешностей измерений основных параметров потока способствовали получению достоверной экспериментальной информации и явились свидетельством надежности принятой методики эксперимента.
Научная новизна работы. Представленные в диссертации результаты систематических экспериментальных исследований структуры пространственного несжимаемого и сжимаемого пристенных течений в продольно обтекаемых угловых конфигурациях в широком диапазоне варьируемых условий по существу являются уникальными, не имеющими аналогов в отечественных и зарубежных исследованиях на момент их публикации. В частности, комплексный подход к изучению таких течений впервые позволил выявить и объяснить определяющую роль в процессе формирования структуры течения плажого сопряжения пересекающихся поверхностей двугранного угла, в результате чего определены условия вырождения пространственного сдвигового потока. То же относится к экспериментальным исследованиям в условиях варьируемых значений параметра несимметрии течения и геометрии передней кромки угла.Полученные при этом экспериментальные данные дали возможность понять механизм трансформации вторичных течений по длине области взаимодействия несимметрично развивающихся пограничных слоев, который состоит в том, что одновихревая структура течения в окрестности передней кромки модели постепенно переходит в двухвихревую по мере удаления от нее.
На основе детальной информации о распределении осредненных параметров течения, параметров турбулентности, пространственного вектора скорости удалось в значительной степени уточнить и конкретизировать структуру сдвигового потока в ламинарно-турбулентной области угла.При этом получена схема трансформации вторичных течений по длине области перехода, позволяющая понять механизм изменения направления таких потоков при переходе от ламинарной формы
течения к турбулентной.
Новой является и значительная часть результатов экспериментального исследования неравновесного (по Клаузеру) сдвигового потока позади двумерного источника возмущений в виде поперечно обтекаемого кругового цилиндра, установленного в развитом турбулентном пограничном слое ДУ, включая двумерную область течения. Полученные здесь данные позволили установить ряд важных свойств и закономерностей развития неравновесного потока позади источника возмущений, показать эффект усиления наследственных признаков течения вблизи ребра угла в сравнении с двумерной областью и определить доминирующие механизмы, ответственные за ослабление темпа релаксации потока в этом случае.
Шервые на основе комплексного подхода, предусматривавшего как физические исследования, так и прямые измерения с помощью специально созданной методики решена важная практическая задача, связанная с определением рациональной, с точки зрения минимального аэродинамического лобового сопротивления, формы сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета. В рамках диссертации впервые проведены экспериментальные исследования структуры сжимаемого пространственного турбулентного сдвигового потока в угловой конфигурации в условиях его взаимодействия с падающим извне косым скачком уплотнения варьируемой интенсивности и без него. Полученные данные позволили установить ряд особенностей структуры исследуемого течения, в частности, формирование отчетливо выраженного отрыва потока, локальных областей рециркуляционного и вихревого .движений. Обнаружено качественное сходство отдельных этапов развития такого потока с другими типами течений и тем самым показана возможность его описания в рамках хорошо известных подходов.
Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации результаты столь обширны и систематичны, что могут составить основу банка данных аэрофизических характеристик сдвиговых течений в областях сопряжений пересекающихся поверхностей и совокупность которых представляет собой крупный экспериментальный базис для апробации развиваемых теоретических моделей и построения новых, а также для сопоставления последующих экспериментальных данных и обоснования их достоверности. Выполненные исследования позволили выявить все разнообразие реализующихся в таких конфигурациях форм течений, обусловленных наличием сжимаемости, существенной
неравновесности потока, градиента давления, кривизны и плавного сопряжения пересекающихся поверхностей, ламинарно-турбулентного перехода. Все это дало возможность изучить принципиальные свойства таких течений, что имеет большое значение в вопросах создания эффективных методов расчета этого сложного класса турбулентных течений, в том числе неравновесных.
С практической точки зрения повышенный интерес представляют экспериментальные результаты, позволившие определить рациональную форму сопряжения крыла и фюзеляжа схематизированной модели самолета и, как следствие, снизить аэродинамическое лобовое сопротивление в сравнении с исходной конфигурацией и которые могут быть непосредственно использованы в авиационных КБ на этапе разработки элементов сопряжений летательных аппаратов.
Автор защищает:
результаты систематических экспериментальных исследований структуры различных форм пространственных течений в угловых конфигурациях в широком диапазоне условий обтекания и варьируемых параметров;
результаты экспериментальных исследований структуры существенно неравновесного турбулентного сдвигового потока в угловой конфигурации (включая двумерную область течения) в следе за источником возмущений в виде поперечно обтекаемого кругового цилиндра варьируемого диаметра;
полученные на основе физических представлений и подтвержденные прямыми исследованиями экспериментальные данные, связанные с определением рациональной формы сопряжения крыла и фюзеляжа модели самолетной конфигурации.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались: на Всесоюзной конференции "Современные проблемы аэрогидродинамики" (Иссык-Куль, 1980), на У Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981), на ІУ Национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варна, 1981), на Международной конференции по математическим методам в механике жидкости (Обервольфах, 1981), на Международной конференции по моделям турбулентности и их применению в технике (Виттенберг, 1982), на 1-ой Международной конференции социалистических стран по механике (Прага, 1987), на Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1985), на ІУ, У Всесоюзной школах и УІ Международной конференции по ме-
тодам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1986; Абакан,I989J Новосибирск, 1992), на III Всесоюзной конференции по проблемам турбулентных течений(Донецк, 1986), на Международной конференции по механике жидкости (Пекин, 1987), на ХУІІ Международном семинаре по гидродинамике судна (Варна, 1988), на Международном коллоквиуме Европейской организации механиков "Евромех 247" (Геттинген, 1989), на Всесоюзном семинаре "Отрывные и струйные течения" (Новосибирск, 1988), на Симпозиуме Международного союза по теоретической и прикладной механике по отрывным и струйным течениям (Новосибирск, 1990), на Международной конференции по экспериментальной механике жидкости (Чэнгду, 1991), на Рабочем совещании по созданию Международного аэродинамического центра (Новосибирск, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы. Основные результаты достаточно полно изложены в [I- 34].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Основная часть работы содержит 277 страниц машинописного текста и 203 рисунка. В конце каждой главы сформулированы основные результаты. Библиографический список включает 246 наименований литературных источников.