Управление потоком с помощью встроенных в контур тела вихревых ячеек тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный морской технический университет

Па правах рукописи УДК532.517.2 : 4

РГБ ОД

Пригородов Юрий Сергеевич

2 * Р.НЗ 2300

УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКОМ С ПОМОЩЬЮ ВСТРОЕННЫХ В КОНТУР ТЕЛА ВИХРЕВЫХ ЯЧЕЕК (ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ)

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре механики Академии гражданской авиации

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Исаев Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Емельянов Владислав Николаевич кандидат физико-математических наук Усачев Александр Евгеньевич

Институт механики МГУ

Защита состоится «/У~» гзре^клр 2000 года в часов на заседании диссертационного совета Д053.23.01 в актовом зале Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « /Ол 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Кадыров С.Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одно из актуальных направлений современной аэрогидромеханики связано с организацией управления потоками, в том числе, при обтекании тел различной геометрии. Основная цель исследовании 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 активизационного 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 типа «ЭКИГ1»),

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 характеристики обтекаемых тел классической конфигурации (поперечного 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 вычислительный 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 ячейками.

2. Оценка приемлемости двухпараметрических дифференциальных моделей турбулентности: высокорейнольдсовой к-Е- 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 прогностическим инструментом, позволяющим идентифицировать механизм снижения сопротивления движению и повышения аэродинамического качества объектов различного назначения при использовании вихревых ячеек.

2. Полученные в работе результаты составляют информационную базу данных на этапах предварительного проектирования перспективных летательных аппаратов с системами активного управления обтеканием.

Автор защищает:

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

2. 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 активтационном 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость развиваемого научного направления. Сформулированы цели исследования, дано представление о структуре диссертации и перспективах использования полученных в ней результатов.

В первой главе производится обзор активных и пассивных способов управления потоками и возможностей их численного модели-

рования. Проанализированы основные аспекты применения вихревых ячеек на перспективных летательных аппаратах (в том числе "ЭКИП").

1. Способы воздействия на течение при обтекании тел различной геометрии разделяются на пассивные (каверны, преграды) и активные (с энергетическими затратами).

2. Новый импульс исследованиям обтекания тел с кавернами был дан в связи интересом, проявляемым в последнее время к уловленным вихрям и к вихревым ячейкам,

3. Активные способы воздействия на течение разделяются на две группы: без массоподвода (или массоотвода) и с массооподводом.

4. Интенсификация циркуляционного потока в ячейках сделала возможной решение проблемы управления обтеканием тел вплоть до формирования безотрывного режима течения.

5. При турбулентном режиме обтекания поперечного цилиндра с вихревыми ячейками для интенсификации циркуляционного течения используется отсос жидкости через центральные тела ячеек

6. Другой способ интенсификации течения в вихревой ячейке без массоподвода может быть осуществлен при вращении размещенного в ячейке центрального тела.

7.Полагают, что перспективные воздушные суда (ВС) будут иметь полностью интегральную компоновку. В этом случае корпус ВС большой относительной толщины (до 50%) на основных полетных режимах является неудобообтекаемым. Для таких ВС требуется система управления обтеканием (СУО). Примером ВС служит опытный образец летательного аппарата "ЭКИП". Его СУО включает расположенные на верхней (возможно, и нижней) поверхности аппарата активные вихревые ячейки, представляющие собой поперечные профилированные вырезы, в которых генерируются вихревые структуры, обеспечивающие безотрывное обтекание корпуса.

8. Отличительной особенностью активной СУО на крейсерских режимах полета являются небольшие энергетические затраты из-за малого масштаба воздействия в вихревых ячейках.

9. Принципиальную важность представляет численное исследование модельных конфигураций (цилиндр с вмонтированными вихревыми ячейками, каналы и профили с ячейками) при различных режимах их обтекания и степени вихревой интенсификации течения.

Во второй главе описывается конечно-объемный факторизован-ный алгоритм расчета стационарных ламинарных и турбулентных течений несжимаемой вязкой жидкости. Представляется многоблочный подход, позволяющий получить решение двумерной задачи в много-

связной расчетной области с корректным воспроизводством существенно разномасштабных элементов течения.

1. Осредненное течение описывается эллиптическими уравнениями Рейнольдса.

2. Для замыкания уравнений используются высокорейнольдсовая диссипативная двухпараметрическая к - е модель турбулентности Лаундера-Сполдинга и низкорейнольдсовая SST-модель турбулентности Ментера к- со, модифицированные с учетом влияния кривизны линий тока на характеристики турбулентности в рамках подхода Л ешцинера-Роди.

3. На внешних границах расчетной области задаются априорно известные распределения скорости и параметров турбулентности. На твердой стенке задаются условия прилипания при использовании низкорейнольдсовой модели турбулентности, а в случае высокорей-нольдсовой модели для определения параметров турбулентности используется метод пристеночных функций.

4. При построении конечно-разностного алгоритма используются схемы, записанные в приращениях искомых величин. Такой подход позволяет конструировать эффективные схемы с высокой скоростью сходимости итерационного процесса.

5. Конвективные потоки в явной части уравнений переноса определяются по противопоточной схеме с квадратичной интерполяцией (схема Леонарда) и UMIST TVD схеме.

6. Применение в неявной части уравнений противопоточной схемы с односторонними разностями позволяет получить диагональное преобладание матрицы коэффициентов. В диффузионную часть введен схемный параметр ОТЪ>1, позволяющий повысить устойчивость расчетной процедуры за счет подавления нефизических высокочастотных осцилляций.

7. При расчетах на центрированных сетках используется подход Рхи-Чоу, связанный с введением монотонизатора давления (с коэффициентом, равным 0.1).

8. Для решения задачи применяется процедура коррекции давления SIMPLEC, а для решения систем алгебраических уравнений - метод неполной матричной факторизации Вулеева в версии SIP Стоуна.

9. В рассматриваемом подходе используется набор пересекающихся топологически независимых сеток. Обмен информацией между сетками осуществляется через зоны их взаимного пересечения с использованием интерполяционных зависимостей, связывающих между собой значения переменных в узлах различных сеток. На рис.1 приведен фрагмент сеточной структуры, построенной для расчета обтека-

ния кругового цилиндра в двумерной постановке, который может

19. На рисунке 2 показан фрагмент сетки, построенной для расчета обтекания цилиндра с вихревыми ячейками.

20.В работе используется способ передачи информации между сетками, получивший название «метод консервативной интерполяции». Распределение переменных в ячейках принимается кусочно-постоянным.

Третья глава посвящена апробации и тестированию многоблочного расчетного алгоритма при решении задач ламинарного и турбулентного отрывного обтекания кругового цилиндра, а также численного и физического моделирования турбулентного течения в канале с круговой вихревой ячейкой.

1. Результаты расчета (1) .распределений давления по контуру кругового цилиндра (а) и в плоскости симметрии ближнего следа (б)

при числе Рейнольдса 1.45x104, проведенного на многоблочной сетке с использованием низкорейнольдсовой к-о - модели Ментера, хорошо согласуются с данными эксперимента (2) А.Рошко (рис.3). Следует отметить, что в эксперименте А.Рошко рассматривается обтекание поперечного цилиндра с установленной разделительной пластинкой, препятствующей реализации неустановившегося режима с вихревой дорожкой Кармана.

Рис.3

2.Экспериментальное исследование течения в канале с поперечной цилиндрической выемкой проведено в Институте механики МГУ на установке, представляющей малогабаритную аэродинамическую трубу прямого действия в диапазоне 11е=104 - 1,37x10' и степени турбулентности набегающего потока 1.5%. Внутри цилиндрической ячейки наблюдается в среднем стабильное течение, характеризую-

щееся наличием одного крупномасштабного вихря, отделенного от внешнего течения сдвиговым слоем смешения. Центр вихря смещен от центра окружности и локализуется к окрестности «центра площади» поперечного сечения ячейки.

3 .Обнаруженное совпадение результатов расчетов течения в канале с круговой каверной на основе высокорейнольдсовой двухпара-метрической диссипативной модели и низкорейнольдсовой двухпа-раметрической модели Ментера оправдывает использование к - Е -модели для моделирования обтекания тел с вихревыми ячейками.

4. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов (модель Ментера) в срединном сечении каверны (рис.4): профилей продольной составляющей скорости для значений толщины пограничного слоя в сечении канала х=-1,06 5Ы=0,04 (а) и 0,10 (б), распределений приведенного статического давления Р (в) и завихренности (г) показывают приемлемость разработанного вычислительного комплекса (рис.4,в,г соответствуют <5Ы=0,1).

Рис.4

Интересно, что существование в каверне зоны практически постоянной завихренности вполне коррелирует с известной моделью Дж. Бэтчелора, в соответствии с которой при Не--»« в каверне реализуется

10

идеальный вихрь постоянной завихренности, окруженный тонким пограничным слоем.

В четвертой главе численно обосновывается способ управления обтеканием кругового цилиндра с расположенными в его контуре вихревыми ячейками, рассматриваются различные методы интенсификации возвратного потока в ячейках, а также проводится оценка эффективности вихревых ячеек с энергетической точки зрения.

б)

Рис.5

-Л..

---

2

1 - 23- Сх Скр С*

................

................*

0.0 0.2 0.4 0.6 ое У( 1.0

Рис.6

1.Решение задачи об обтекании цилиндра равномерным потоком вязкой несжимаемой жидкости получается в предположении о симметричности течения относительно геометрической плоскости симметрии, что позволяет ограничить расчетную область верхней полуплоскостью. Численные эксперименты, выполненные при отказе от

сделанного предположения, подтвердили справедливость примененного подхода. В контуре цилиндра располагается вихревая ячейка круговой формы с цилиндрическим центральным телом (рис.5). На внутренней поверхности вихревой ячейки, так же как и на поверхности центрального тела, могут задаваться параметры интенсификации: нормальные и касательные составляющие скорости Ц, и 1Л соответственно.

2.При ламинарном обтекания (Яе=-40) гладкого цилиндра (а) и цилиндра с вихревыми ячейками варьирование скорости вращения центральных тел: Д = О (б); 0.5 (в); 1.0 (г) приводит к заметному влиянию на длину циркуляционной зоны в ближнем следе и на снижение коэффициента лобового сопротивления (д). Интересно, что зависимости С* и его составляющих от и, носят линейный характер, а спектры обтекания гладкого цилиндра и цилиндра с пассивными вихревыми ячейками оказываются близкими (рис.6).

Рис.7

3. В турбулентном режиме (Яе= 1.45x104) пассивная вихревая ячейка не оказывает влияния на картину турбулентного обтекания цилиндра (на рис.7 сопоставляются картины обтекания гладкого цилиндра (а) и цилиндра с вихревыми ячейками при варьировании скоростью вращения центральных тел Д = 0 (б); 0.5 (в); 1.0 (г); 1.5 (д); 2.0 (е); 2.5 (ж); 3.0 (з)). Для скоростей вращения центральных тел, не

превышающих 1.5, эволюция вихревой структуры в следе за цилиндром по мере возрастания Д выглядит довольно вялой (рис.7,в,г,д).

Однако при и, > 1.5 происходит резкое изменение картины течения, связанное с перемещением точки отрыва за вихревую ячейку и со значительным (более чем в 1.5 раза) уменьшением длины циркуляционной зоны в следе за цилиндром (рис.7,е,ж,з). По мере роста скорости вращения центрального тела точка отрыва смещается вниз по потоку по контуру цилиндра. Причина перестройки структуры течения в окрестности цилиндра лежит в изменении характера течения внутри вихревой ячейки. Как следует из рис.8 (при тех же вариантах интенсификации, что и на рис.7), генерирование турбулентности при относительно малых скоростях вращения центрального тела весьма незначительно, что и предопределяет низкий темп эволюции крупномасштабных вихрей в ближнем следе. .

а)

б)

*

0.4-

Р

00-02-

а\ (А чОг^

XV 1.2,3 __ 8

0 2 0.4 □ 6 «■« 5 "

б) V .

О

( )

\ /

3

Рис.8 Рис.9

В то же время при и( >1.5 имеет место взрывная турбулизация потока в вихревой ячейке, способствующая быстрому увеличению вихревой турбулентной вязкости и ее растущему влиянию на перенос импульса в прилегающих к цилиндру слоях жидкости. Именно это обстоятельство обуславливает быструю перестройку картины течения, которая сопровождается также сменой знака наклона отрывной линии тока к плоскости симметрии в точке отрыва (рис.8, д,е).

На рис.9 проведено сопоставление распределений статического давления по контуру гладкого цилиндра (кривая 1) и цилиндра с вихревыми ячейками (а) при различных и, (кривые 2-8 соответствуют величинам 0 - 3 с шагом 0.5) и зависимости от 11е (б) коэффициента ло-

бового сопротивления Сх (кривая 1) и его составляющих - Сч, (кривая 2) и Сх{ (кривая 3), а также коэффициента дополнительного сопротивления Сха<м (пунктирная кривая 4) и скорректированного с учетом энергетических затрат коэффициента лобового сопротивления Схсог (пунктирная кривая 5). Как видно из рис.9,а, процесс перестройки вихревой структуры также иллюстрируется деформацией распределения давления по контуру цилиндра при возрастании скорости вращения центральных тел. С ростом и1 набирает силу тенденция к увеличению разрежения в зоне, расположенной выше по потоку от вихревой ячейки, причем непосредственно по контуру ячейки давление изменяется мало. При переходе от и( =1.5 к и, -2 наблюдается резкий (почти в два раза) провал минимального давления р1ШП.

Анализ эффективности вихревых ячеек производится на основе оценки дополнительного (эквивалентного) сопротивления, вызванного вращением центральных тел в вихревых ячейках (отсосом жидкости через поверхность центрального тела). В случае вращающихся центральных тел, дополнительное сопротивление определяется через мощность, потребную для поддержания вращения. Как видно из рис.21, дополнительное сопротивление цилиндра растет примерно пропорционально квадратичной зависимости от скорости вращения. Очевидно, что существует оптимум и£, при котором скорректированный коэффициент лобового сопротивления принимает минимальное значение. В рассматриваемом случае и( ор( = 2.3, а Схсог при этом значении оказывается равным 0.48. Это на 36% ниже, чем коэффициент лобового сопротивления гладкого кругового цилиндра, что доказывает эффективность данного способа управления течением.

3. При турбулентном режиме (Яе= 104) отсос на центральном теле ячейки обуславливает растущую интенсификацию течения внутри ячейки, при этом с увеличением скорости отсоса локальный минимум лобового сопротивления цилиндра с ячейками, а также локальные экстремумы его составляющих (коэффициентов сопротивления давления и трения), смещаются в сторону заднего расположения ячейки на контуре цилиндра (при постоянной скорости отсоса). Как следует из рис.10 (на нем сопоставлены картины турбулентного обтекания цилиндра с вихревой ячейкой (при ип=0.05 и Хь=0.1) и гладкого цилиндра (а), зависимости коэффициента лобового сопротивления Сх цилиндра с вихревой ячейкой от скорости отсоса (б): 1 - Хь = -0.2; 2 -0; 3 - О.2.), усиление импульса турбулентного потока в пристеночной зоне цилиндра, вызванное интенсивным возвратным течением в ячейке, существенно деформирует область отрывного течения в ближнем следе за цилиндром.

Постепенно возрастающий отсос жидкости на центральном теле ячейки обуславливает прогрессирующую интенсификацию течения в каверне. Па рис.11 показаны перестройки картины турбулентного течения в вихревой ячейке при Хь=0.1 (а), картин изолиний продольной составляющей скорости вокруг цилиндра, эпюр давления на его контуре и распределений скорости в ближнем следе (б) при изменении скорости отсоса от 0.031 до 0.032, а также сравнение зависимостей лобового сопротивления цилиндра и его составляющих от ип (в): 1 -

б)

Рис.10 15

В)

сх

ОХсу! Г у

Схсь0-5

0.3 0.2 0.1 0.0

£

О.ОО 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Рис.11

Так, зависимость СХ(Ц,), как видно из рис.11,в, имеет скачкообразный участок. В диапазоне изменения ип от 0.031 до 0.032 Сх падает более, чем в два раза (при расположении ячейки с Хь=0.1). Причина такого поведения кривой Сх(и„) состоит не только в резком перераспределении локальных нагрузок на поверхность цилиндра, но и в трансформации картины его обтекания (рис.11,6). Как следует из рис.11,а, кардинальное усиление импульса турбулентного потока в пристеночной зоне цилиндра вызывается взрывной интенсификацией возвратного течения в ячейке, в свою очередь связанной с его турбу-

лизацией. Как результат, существенно деформируется область отрывного течения в ближнем следе за цилиндром (рис.11 ,б).

Дополнительное сопротивление в случае отсоса с поверхности центрального тела определяется через мощность, погребную для поддержания расхода жидкости через центральное тело. Как видно из рис.12, дополнительное сопротивление цилиндра растет примерно пропорционально квадратичной зависимости от скорости отсоса жидкости с поверхности центрального тела в вихревой ячейке. Существует оптимум и„, при котором скорректированный коэффициент лобового сопротивления принимает минимальное значение. В рассматриваемом случае ип°г' ~ 0.034, а Схсог при этом значении оказывается равным 0.35, что на 53% ниже, чем коэффициент лобового сопротивления гладкого кругового цилиндра. Таким образом показывается эффективность данного способа управления течением.

Рис.12

В пятой главе численно анализируется способ управления обтеканием толстого профиля с расположенными в его контуре вихревыми ячейками эллиптической формы в широком диапазоне числа Рей-нольдса и углов атаки, проводится анализ интегральных аэродинамических характеристик компоновки и оценка эффективности вихревых ячеек.

При турбулентном обтекании профиля с ячейками (Яе=104) влияние отсоса с поверхности центральных тел исследуется при сопоставительном анализе трех вариантов и„: 1) 0.02 во всех ячейках; 2) 0.05 во всех ячейках; 3) 0.05 в первых двух ячейках, в третьей 0.075, в четвертой 0.1 (рис.13). В результате такого воздействия внутри ячеек во внешний поток через разрезы в толстом профиле вносится импульс, существенно изменяющий обтекание профиля. Повышение скорости

отсоса в последних ячейках интенсифицирует течение в них и способствует реализации полностью безотрывного обтекания верхней части профиля. Высокое качество толстого профиля (порядка 25) обусловлено не только сильным разрежением на верхней поверхности, но и повышением давления снизу профиля, вызванным изменением угла подхода потока к профилю.

Рис.13 18

Рис.14

С целью выяснения вопроса о влиянии числа Рейнольдса на турбулентное обтекание профиля с вихревыми ячейками, второй случай интенсификации (ип=0.05 во всех ячейках) был дополнен двумя вариантами при Яе^СР и 106 соответственно. Основные результаты расчетов представлены в таблице 1 и на рис. 14, где показано влияние числа Рейнольдса па турбулентное обтекание профиля с вихревыми ячейками и фрагменты картин течения в кормовой части профиля при скоростях отсоса через центральное тело ип=0.05 во всех ячейках (а,г - Ле=104; б,д - 105; в,е - 106). Распределение давления (ж) и трения (з)

по профилю соответственно для трех рассматриваемых чисел Рей-нольдса (1 - К.е=]04; 2 - 105; 3 - 10б).

Таблица 1.

Влияние числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики профиля с вихревыми ячейками

Яе Сх Схр Cxf Су тг К

10" 0.0982 0.0637 0.0345 1.0123 -0.0010 10.308

10ь 0.0674 0.0447 0.0227 1.9924 -0.0314 29.560

10® 0.0607 0.0549 0.0058 2.4356 -0.0345 40.125

Рис Л 5

На рис. 15 (11е=10') приводятся зависимости от угла атаки аэродинамических коэффициентов профиля Сх(а), Су(б). ш2(в), К(г) для двух рассматриваемых вариантов отсоса через центральные тела ячеек. При переходе от нулевого к отрицательным (не превышающих 10°) углам атаки сохраняется режим безотрывного обтекания толстого профиля, причем достигается гладкость течения в окрестности задней острой кромки в связи с инициализацией последней вихревой ячейки. Выход на положительные (также ограниченные 10°) углы атаки, напротив, приводит к перестройке картины течения и формированию развитой вихревой структуры в ближнем следе за профилем. При этом усиление отсоса в вихревых ячейках (вариант 2) не оказывает заметного влияния на характер отрывного обтекания профиля. В то

же время при безотрывном режиме обтекания профиля это влияние, не слишком ярко выраженное в окрестности профиля, значительно видоизменяет течение в следе и оказывает сильное воздействие на суммарные аэродинамические характеристики тела.

На рис.16 пунктирными линиями нанесены кривые зависимости Ксог (а) - скорректированного с учетом энергетических затрат коэффициента аэродинамического качества профиля с вихревыми ячейками. Существует максимум Ксог (а), который для первого варианта активизации составляет 8.5 при а = -2.5°, для второго 14.8 при а = -1°.

Рис.16

Выводы

1. Численно обоснован новый способ вихревой интенсификации течения как элемент управления обтеканием объекта на примерах классического тела (кругового цилиндра) с вихревыми ячейками, а также профиля, по своим геометрическим параметрам аналогичного упрощенной конфигурации летательного аппарата интегральной компоновки "ЭКИП". Обтекание профиля рассмотрено в широком диапазоне углов атаки. Исследования проведены в ламинарном и турбулентном режимах при различных способах интенсификации течения в вихревых ячейках: а) вращение центрального тела; б) отсос через поверхность центрального тела.

2. Детально исследован механизм способа управления обтеканием и изменением интегральных аэродинамических характеристик тел с помощью вихревых ячеек с точки зрения влияния:

- физической вязкости потока в ламинарном режиме;

- скорости отсоса в турбулентном режиме.

3. Показана принципиальная возможность перестройки крупномасштабной вихревой структуры в следе за профилем, обеспечения его безотрывного обтекания, уменьшения лобового сопротивления и значительного увеличения аэродинамического качества путем воздействия на течение в малогабаритной вихревой ячейке при приемлемых энергетических затратах и относительной простоте практической реализации.

4. Специально разработанный оригинальный расчетный алгоритм верифицирован при моделировании многосвязных отрывных течений на многоблочных пересекающихся расчетных сетках.

5. Представленные результаты стимулируют численные исследования нестационарных режимов течения вблизи профилей с вихревыми ячейками, а также обтекания пространственных компоновок при наличии маломасштабных элементов управления.

Результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в следующих работах:

1. Баранов П.А., Исаев С.А., Пригородов Ю.С., Судаков А.Г. Численное моделирование эффекта снижения сопротивления цилиндра с вихревыми ячейками при наличии системы управления турбулентным пограничным слоем // Письма в ЖТФ, 1998. Т.24. Вып.17. С. 16-23.

2. Баранов П.А., Пригородов Ю.С. Численное исследование концепции влияния интенсификации вихревого течения в маломасштабной ячейке внутри контура цилиндра на характер обтекания и аэродинамическое сопротивление компоновки // Сборник трудов аспирантов Академии гражданской авиации, СПб: АГА, 1998. С.43-52.

3. Баранов П.А., Исаев С.А., Пригородов Ю.С., Судаков А.Г. Расчет ламинарного обтекания профиля с пассивными и активными вихревыми ячейками на многоблочных пересекающихся сетках // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. №3. С.30-35.

4. Баранов ПЛ., Исаев СЛ., Пригородов Ю.С., Судаков А.Г. Численное моделирование ламинарного обтекания цилиндра с пассивными и активными вихревыми ячейками в рамках концепции декомпозиции расчетной области и при использовании многоярусных сеток // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. Вып.8. С.33-41.

5. Баранов П.А., Исаев СЛ., Пригородов Ю.С., Судаков А.Г. Численное моделирование эффекта увеличения аэродинамического каче-

ства профилей за счет отсоса в вихревых ячейках // Инженерно-физический журнал. 1999. Т.72. № 3. С.572-575.

6. Исаев С.А., Пригородов Ю.С. Численные исследования в обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов нетрадиционной схемы типа "ЭКИП"// Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях", Киев, 27-29 мая, 1997. Киев. МУИГА: 1997. С.24-25.

7. Исаев С.А., Пригородов Ю.С., Судаков А.Г. Расчет отрывного обтекания низкоскоростным воздушным потоком профиля с вихревыми ячейками // Инженерно-физический журнал. 1998. Т.71. N6. С.1116-1120.

8. Ковалев Д.П., Пригородов Ю.С. Численное моделирование управления обтеканием профилей аппаратов типа "летающее крыло" за счет интенсификации потока в вихревых ячейках // Тезисы докл. Всеросс. конф. молод, ученых "Гагаринские чтения", М.: МАТИД998.Т.8. С. 124.

9. Куклев Е.А., Пригородов Ю.С., Судаков А.Г. Обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов нетрадиционной аэродинамической схемы типа "ЭКИП" // Тезисы докл. 1-ой Всероссийской научно-практ.конф. "Безопасность полетов и гос. регулирование в гражданской авиации", 1995, СПб:АГА, с.48-49.

10. Пригородов Ю.С. Методические аспекты численных исследований в обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов нетрадиционной аэродинамической схемы типа "Экип" // Сборник трудов аспирантов Академии гражданской авиации, СПб: АГА, 1996.Т.1.С.136-142.

П.Исаев С.А., Гувернюк C.B., Зубин М.А., Пригородов Ю.С. Численное и физическое моделирование низкоскоростного воздушного потока в канапе с круговой вихревой ячейкой // Инженерно-физический журнал. 2000. Т.73.№>2. С.220-227.