Введение к работе
Диссертация посвящена изучению влияния структуры отрывного течения на аэродинамические характеристики прямого и скользящего крыльев с гладкой и волнистой поверхностью.
Актуальность темы
В настоящее время использование летательных аппаратов (ЛА) с малым полетным числом Рейнольдса (меньше 10 ) получает все большее распространение в гражданских и военных областях деятельности. К данным аппаратам относятся: различного рода беспилотные летательные аппараты, дистанционно-пилотируемые летательные аппараты а также пилотируемые ЛА, относящиеся к классу легких и сверхлегких. Одной из особенностей обтекания крыльев данных аппаратов является наличие протяжённой зоны ламинарного течения, после которой на участке с неблагоприятным градиентом давления образуется локальная отрывная область (отрывной пузырь), где в большинстве случаев происходит переход к турбулентному течению. Отрывной пузырь способствует отрыву и срыву потока, а также образованию гистерезиса аэродинамических характеристик, что негативно влияет на аэродинамические характеристики ЛА. В развитии явлений отрыва и срыва потока большую роль играет процесс лами-нарно-турбулентного перехода (ЛТП), поэтому важной задачей является поиск средств диагностики и путей управления ЛТП.
Существующее многообразие способов управления ЛТП в общем случае можно разделить на пассивные и активные. Каждая из категорий обладает своими преимуществами и недостатками. Пассивные не нуждаются в дополнительном подводе энергии, однако они, как правило, оптимизированы для определенного режима и не способны изменяться во времени. Активные же позволяют изменять параметры воздействия в процессе обтекания, однако зачастую затраты энергии на управление превосходят выигрыш полученный от управления переходом. Поэтому не существует универсального способа управления и его выбор зависит от поставленной задачи. Для малоразмерных летательных аппаратов оптимальным видится применение пассивных способов управления ЛТП. Одним из перспективных направлений среди них является применение волнистости, расположенной на несущей поверхности продольно по потоку. В работах ряда отечественных и зарубежных авторов (Зверков и др., Miklosovic и др.) было показано, что для чисел Рейнольдса порядка 10 волнистость, расположенная на несущей поверхности крыла малого удлинения (к = 1), значительно увеличивает критические углы атаки, а также устраняет гистерезис аэродинамических характеристик путем изменения характера ламинарно-турбулентного перехода.
В данной работе исследуется влияние волнистости несущей поверхности на аэродинамические характеристики крыла конечного размаха (к = 3.5) при различных режимах обтекания соответствующих условиям реального полета. Также изучается возможность создания летательного аппарата с эластичной, адаптируемой под конкретные условия обтекания, обшивкой на базе волнистого крыла.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование характеристик прямого и скользящего крыльев конечного размаха (А, = 3.5) с гладкой и волнистой поверхностью, а также создание несущей поверхности с волнистостью, адаптируемой к конкретным полетным условиям в режиме реального времени.
В задачи диссертационной работы входило:
Разработка методик проведения экспериментов (весовые измерения, саже-масляная и тепловизионная визуализация), и изготовление экспериментальных моделей.
Исследование характеристик прямого и скользящего крыльев конечного размаха (X = 3.5) с гладкой и волнистой поверхностью путем проведения качественных и количественных аэродинамических экспериментов.
Определение путей оптимизации волнистости.
Разработка несущей поверхности с переменной волнистостью для малоразмерного летательного аппарата.
Научная новизна
Впервые получены экспериментальные данные, позволяющие сравнить структуры отрывного течения на прямом и скользящем крыле конечного (А=3.5) размаха с гладкой и волнистой несущей поверхностью в широком диапазоне углов атаки. Показано, что для чисел Рейнольдса порядка 10 на таком крыле при углах скольжения от 0 до 45 расположение продольной потоку волнистости на несущей поверхности значительно увеличивает критические углы атаки, устраняет гистерезис аэродинамических характеристик, срыв потока с крыла проходит плавно, с частичным сохранением несущих свойств.
Тестирование пробной модели с эластичной, изменяемой в режиме реального времени, волнистой поверхностью на крыле позволило предположить, что возможно не только осуществлять активное управление ЛТП на несущей поверхности, но и полноценно управлять летательным аппаратом в целом, при полном отсутствии классических органов управления (закрылки, предкрылки, интерцепторы, элероны, а также рули направления и высоты).
Впервые получены данные о структуре течения на наветренной поверхности волнистого крыла. Выявлено, что на волнистом крыле ЛТП возникает даже в области благоприятного градиента давления.
Показано, что для низких чисел Рейнольдса (Re < 10 ) изменение степени турбулентности в аэродинамической трубе с є = 0.04 % до є = 0.64 % существенно влияет на характер и особенности ламинарно-турбулентного перехода и как следствие на аэродинамические характеристики модели.
Научная и практическая ценность работы
Получены новые данные по влиянию волнистости, расположенной продольно потоку, на аэродинамические характеристики несущей поверхности прямого и скользящего крыльев конечного размаха (X = 3.5) при низких полетных числах Рейнольдса.
Разработана концепция применения вариоформного секционного крыла (ВСК) для летательных аппаратов с низкими полетными числами Рейнольдса. Изготовлена экспериментальная модель ВСК, а также проведен ряд аэродинамических экспериментов подтверждающих своевременность и ценность данного направления исследований. Получен патент на изобретение.
Достоверность полученных данных обеспечивается применением неоднократно проверенных методов качественного и количественного эксперимента, а также совмещением нескольких методик для исследования одного и того же объекта. Результаты сажемасляной визуализации и тепловизионной съемки подтверждаются тензометрическими весовыми измерениями. Сажемасляная визуализация осуществлялась с применением люминесцентного порошка, съемка полученных картин течения велась в ультрафиолетовом свете, что позволило получить высококачественные картины течения. Результаты согласуются с предыдущими исследованиями по данному направлению.
На защиту выносятся следующие научные положения диссертации:
- Полученные данные о влиянии качества потока в аэродинамической тру
бе на структуру и локализацию ламинарно-турбулентного перехода.
-Результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик гладкого и волнистого крыла конечного размаха (к = 3.5).
- Экспериментальные данные исследования влияния угла скольжения на
течение у поверхности гладкого и волнистого крыла конечного размаха в об
ласти критических углов атаки.
-Результаты экспериментального исследования течения на подветренной и наветренной сторонах гладкого и волнистого крыла конечного размаха.
- Концепция вариоформного секционного крыла.
Апробация работы
Основные результаты исследований докладывались на внутренних семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН, а также на следующих конференциях: VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория эксперимент новые технологии» (Новосибирск 2009); Всероссийская научно-практическая конференция молодых специалистов и студентов (Новосибирск, 2010); International Conference on the Methods of Aero-physical Research (ICMAR) (Новосибирск, 2010); Актуальные вопросы теплофизики и физической газодинамики (Новосибирск, 2010), 4th European Conference for Aerospace Sciences EUCASS (Санкт-Петербург, 2011); Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию со дня основания СибНИА им. С.А. Чаплыгина (Новосибирск, 2011).
Публикации
Основные результаты исследований представлены в 14 печатных работах, 5 из которых находятся в списке ВАК РФ среди них один патент на изобретение.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в изготовлении моделей, обеспечении и проведении экспериментов, а также обработке и анализе полученных данных. Автор непосредственно участвовал в подготовке материалов к публикациям. Все выносимые на защиту результаты получены лично соискателем. Результаты экспериментов опубликованы с разрешения соавторов. Содержание диссертации согласовано с руководителем.
Структура и объем работы
