Управление потоком с помощью встроенных в контур тела вихревых ячеек : Численное моделирование Пригородов, Юрий Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы. Одно из актуальных направлений современной аэрогидромеханики связано с организацией управления потоками, в том числе, при обтекании тел различной геометрии. Основная цель исследований в этой области состоит в формировании облика перспективных высокоэффективных летательных аппаратов. Наряду с известными пассивными и активными способами управления пристеночными течениями, заслуживает внимания рассматриваемый в работе способ активного управления с помощью так называемых вихревых ячеек, представляющих собой поперечные профилированные вырезы, расположенные на поверхности обтекаемого тела. Принципиальным отличием рассматриваемого способа управления является то, что он сочетает в себе два важных свойства:

1. широкие возможности практической реализации;

2. изменение характера обтекания тела путем маломасштабного активнзационного воздействия.

Численный анализ механизма управления течением с помощью вихревых ячеек открывает возможности для установления основных закономерностей, которые могут служить исходными данными на этапах предварительного, проектирования перспективных летательных аппаратов интегральной компоновки (например, аппаратов, тина «ЭКИП»).

Рассматриваемые в диссертационной работе вопросы входят в ряд проектов РФФИ, в частности, 96-01-01290, 99-01-01115 (руководитель Г.Ю. Степанов) и 96-01-00298, 99-01-00722 (руководитель А.Г. Судаков) - «Исследование проблем управления обтеканием тел с помощью вихревых ячеек». Таким образом, очевидна актуальность диссертационной работы для современной науки и практических приложений.

Цели работы

1. Исследовать физический механизм управления обтеканием тел
с помощью вихревых ячеек, определить влияние физической вязкости
потока и основных геометрических и режимных параметров вихревых
ячеек на характер обтекания и интегральные аэродинамические ха
рактеристики обтекаемых тел классической конфигурации (попереч
ного цилиндра) и приближенного к реальной геометрии (толстого
профиля).

2. Исследовать способы интенсификации течения в вихревых
ячейках, связанные с вращением центральных тел и с отсосом на их
поверхности.

3. Произвести оценку эффективности предлагаемых способов
управления обтеканием тел.

4. Апробировать и верифицировать разработанный вычислитель
ный инструмент для численного моделирования разномасштабных
вихревых течений при обтекании тел с вихревыми ячейками.

Научная новизна работы

1. Апробация многоблочного расчетного алгоритма при численном моделировании разномасштабных турбулентных отрывных течений около двумерных тел с вихревыми яч'ейками.

2. Оценка приемлемости двухпараметрических дифференциальных моделей турбулентности: высокорейнольдсовой к—є- модели Лаундера-Сполдинга и низкорейнольдсовой к - со модели Ментера при решении задачи обтекания цилиндра и задачи о движении воздушного потока в канале с круговой вихревой ячейкой.

3. Обоснование нетрадиционного способа снижения лобового сопротивления цилиндра и повышения аэродинамического качества толстого профиля за счет интенсификации потока в вихревых ячейках при вращении центральных тел и при отсосе воздуха через их поверхность. Такой способ существенно отличается от классического подхода к управлению турбулентным пограничным слоем на крыле, связанного с трудностями его реализации и большими энергозатратами.

Практическая ценность работы

1. Апробированный расчетный комплекс является прогностиче
ским инструментом, позволяющим идентифицировать механизм сни
жения сопротивления движению и повышения аэродинамического
качества объектов различного назначения при использовании вихре
вых ячеек.

2. Полученные в работе результаты составляют информацион
ную базу данных на этапах предварительного проектирования пер
спективных летательных аппаратов с системами активного управле
ния обтеканием.

Автор защищает:

4. Результаты верификации расчетного алгоритма при решении тестовых задач и проведении физического эксперимента, а также при моделировании многосвязных отрывных течений на многоблочных пересекающихся расчетных сетках.

5. Результаты численных исследований по нетрадиционному способу снижения лобового сопротивления цилиндра и повышения аэродинамического качества профиля большой относительной толщины

за счет интенсификации потока в вихревых ячейках при маломасштабном активизационном воздействии.

3.Результаты численных исследований влияния физической вязкости потока, основных геометрических и режимных параметров вихревых ячеек на характер обтекания и интегральные аэродинамические характеристики поперечного цилиндра и профиля большой относительной толщины.

4. Результаты оценки эффективности предлагаемых способов управления обтеканием тел.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1-ой Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность полетов и государственное регулирование в гражданской авиации" (Санкт-Петербург, 1995);

двух всероссийских конференциях молодых ученых "Гагарин-ские чтения" (Москва 1998, 1999);

международной научно-практической конференции "Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях" (Киев, 1997);

семинаре под руководством акад. Черного Г.Г. в НИИ механики МГУ (1998);

семинаре под руководством проф. Ускова В.Н. в Балтийском ГТУ им. Д.Ф. Устинова (Санкт-Петербург, 1998);

на объединенном семинаре кафедр механики и аэродинамики Академии гражданской авиации (Санкт-Петербург, 1999);

на семинаре кафедры аэрогидромеханики СПбГТУ под руководством проф. Лапина Ю.В. (Санкт-Петербург, 1999).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 11 печатных трудов.

Объем и структура Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения и списка литературных источников из 62 наименований. Работа изложена на 119 страницах, включая 12 таблиц и 39 рисунков.