Разработка методики определения аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в закрученном потоке винтокольцевых устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.01, кандидат технических наук Неманов, Иван Олегович

  • Неманов, Иван Олегович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2005, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.07.01
  • Количество страниц 228
Неманов, Иван Олегович. Разработка методики определения аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в закрученном потоке винтокольцевых устройств: дис. кандидат технических наук: 05.07.01 - Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов. Москва. 2005. 228 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Неманов, Иван Олегович

Введение.

Глава 1. Анализ исследований физического и математического моделирования процессов управления обтеканием транспортных средств с винтокольцевым движителем.

1.1. Аэродинамические рули в винтокольцевых движителях.

1.2. Особенности работы воздушного винта в кольце.

1.3. Расчет свободного винта.

1.4. Расчет воздушного винта в кольце.

1.5. Обтекание руля расположенного за воздушным винтом.

1.6. Математическое моделирование дозвукового вязкого обтекания рулевых поверхностей.

1.7. Цели и задачи исследования.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Экспериментальные исследования обтекания аэродинамических органов управления закрученным дозвуковым потоком.

2.1. Экспериментальная установка «винт-кольцо».

2.2. Аэродинамическая труба Т-500.

2.3. Экспериментальные модели.

2.4. Термоанемометрический эксперимент.

2.5. Дренажный эксперимент.

2.6. Визуализационный эксперимент.

2.7. Весовой эксперимент.

2.8. Анализ точности измерений.

2.9. Достоверность полученных результатов.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Анализ результатов экспериментальных исследований аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в закрученном потоке.

3.1. Особенности обтекания рулевой поверхности закрученным потоком.

3.2. Физическая модель течения.

3.3. Осреднение скорости неравномерного потока.

3.4. Влияние конструктивных параметров руля на аэродинамические характеристики.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Метод расчета аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в закрученном потоке.

4.1. Расчет управляющего усилия при безотрывном и локально-отрывном обтекании.

4.2. Расчет управляющей силы при отрывном обтекании.

4.3. Описание метода контрольных объемов и математическая модель.

4.4. Расчетные сетки и граничные условия.

4.5. Дискретный аналог дифференциальных уравнений и расчет поправки давления.

4.6. Решение СЛАУ. Метод Стоуна.

Критерий сходимости.

4.7. Выбор формы и типа разбиения расчетной области.

4.8. Результаты тестового эксперимента.

4.9. Результаты численного решения задачи.

4.10.Расчет методом плоских сечений.

Выводы к главе 4.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов», 05.07.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики определения аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в закрученном потоке винтокольцевых устройств»

Актуальность темы. Управление малоскоростным летательным аппаратом (ЛА) связано со значительным трудностями из-за незначительной величины скоростного напора набегающего потока. Традиционные аэродинамические органы управления (ОУ) малоэффективны и для создания необходимых управляющих усилий должны быть значительных размеров, а применение других, например струйных, затруднено. Наиболее остро эта проблема стоит для малоскоростных дистанционно пилотируемых JIA ввиду их небольших габаритов. Решением проблемы является установка рулевых поверхностей в спутной струе толкающего воздушного винта, обладающей большей энергией по сравнению с набегающим на JIA невозмущенным потоком.

Основными преимуществами подобных органов управления являются сравнительно небольшие размеры рулей, а также то, что возникающий на руле момент крена частично компенсирует реактивный момент винта.

Тот факт, что такая рулевая поверхность обеспечивает достаточную управляющую силу даже на скорости движения близкой к нулевой, очень важен для катеров на воздушной подушке, глиссеров и аэросаней, на которых также применяются подобные рулевые поверхности.

Отсутствие систематических исследований и методик расчета аэродинамических характеристик не позволяет проектировать органы управления, расположенные в спутной струе воздушного винта в кольце, выбрать их оптимальную конфигурацию. Поэтому проведение комплексных исследований обтекания рулевых поверхностей закрученным потоком, систематизация структур течения, выработка рекомендаций по выбору конструктивных параметров рулей и создание инженерной методики расчета параметров обтекания и аэродинамических характеристик управляющих устройств является актуальной задачей.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью проведенных исследований было определение аэродинамических характеристик органа управления на основе физического и математического моделирования, выявление структур обтекания и выбор конструктивных параметров управляющих поверхностей обеспечивающих требуемые управляющие силы. В процессе достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведение комплекса экспериментальных аэродинамических исследований, включающего термоанемометрический, дренажный, весовой и визуализационный эксперименты на специально созданной аэродинамической экспериментальной установке, моделирующей работу органа управления в закрученном потоке.

2. Анализ результатов экспериментальных исследований с целью установления особенностей обтекания рулевых поверхностей закрученным потоком, выявления влияния конструктивных параметров на аэродинамические характеристики рулей и выработка рекомендаций по проектированию ОУ в закрученном потоке, обеспечивающих максимальное управляющее усилие.

3. Создание математической модели обтекания и инженерной методики расчета аэродинамических характеристик рулевых поверхностей в закрученном потоке.

Методы исследования. В работе использованы методы экспериментальной аэродинамики, предусматривающие термоанемо-метрические измерения, визуализацию течений, испытаний дренированных моделей ЛА и проведение весовых экспериментов. На основе результатов исследования физических процессов проводилось математическое моделирование обтекания органов управления. Созданная методика расчета базируется на сочетании численного решения плоской задачи вязкого несжимаемого обтекания профиля рулевой поверхности с учетом неравномерности локальных параметров набегающего потока по методу плоских сечений.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов гарантирована корректностью выбора исходных ограничений и допущений при постановке задачи; приемлемой точностью при проведении экспериментальных исследований измеряемых и вычисляемых величин; последовательным использованием при построении математических моделей обтекания органов управления основных уравнений аэрогазодинамики, которые являются выражением фундаментальных законов сохранения массы, количества движения и энергии; согласованием результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований соискателя и данными, полученными при проведении физических испытаний в ЦАГИ.

Научная новизна. В диссертационной работе экспериментально исследовано обтекание управляющих поверхностей закрученным потоком. Выявлены структуры течения и особенности их трансформации при изменении угла отклонения руля б по сравнению с обтеканием равномерным потоком. Установлено влияние удлинения, положения оси вращения и передней кромки руля, а также влияние конструктивного исполнения ОУ на создаваемую им управляющую силу. Предложена математическая модель обтекания и метод расчета аэродинамических характеристик рулевой поверхности закрученным потоком.

Практическая значимость работы заключается в создании методики, алгоритма и программы расчета управляющих сил создаваемых рулем в закрученном потоке; систематизации структур обтекания руля закрученным потоком, вычислении аэродинамических коэффициентов для различных условий обтекания управляющей поверхности; получении большого объема экспериментальных данных по аэродинамическим характеристикам руля в закрученном потоке; выработке рекомендаций по выбору конструктивных параметров и особенностям исполнения ОУ. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию явились составной частью госбюджетной НИР «Кедр-СМЗ» МГТУ им. Н.Э. Баумана и НИР «Совершенство-205» ВВИА им. Н.Е. Жуковского.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований обтекания аэродинамических органов управления полетом летательных аппаратов в закрученных потоках.

2. Методика и алгоритм расчета аэродинамических характеристик управляющих поверхностей летательных аппаратов в закрученном дозвуковом потоке, результаты математического моделирования и параметрических исследований.

3. Рекомендации по выбору конструктивных параметров органа управления.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции посвященной 80-летию аэрофлота (Москва, МГТУ ГА, 2003г.), научно-технической конференции посвященной 65-летию факультета СМ (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 г.) и научных семинарах кафедры «Баллистика и аэродинамика» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при создании аэросаней АС-2 в ОАО «Туполев» и внедрены в учебный процесс МГТУ им. Баумана.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 2 опубликованных статьях, тезисах докладов и научно-технические отчетах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержащего листинг разработанной программы и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 228 страниц, в том числе 112 страниц текста, 132 рисунка, 5 таблиц. Список литературы содержит 54 наименования.

Похожие диссертационные работы по специальности «Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов», 05.07.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов», Неманов, Иван Олегович

Выводы по работе

1. Проведен комплекс экспериментальных исследований, включающий термоанемометрический, визуализационный, дренажный и весовой эксперименты, позволивший выявить основные структуры течений около рулевых поверхностей, обтекаемых закрученным сильнотурбулентным потоком. Определены закономерности и особенности трансформации структур обтекания в зависимости от угла отклонения рулей. Установлено, что смена режима течения с безотрывного на отрывное происходит постепенно, отрывная зона распространяется вдоль размаха руля по мере возрастания угла его отклонения. Это приводит к увеличению протяженности линейного участка зависимости Y(5).

2. В результате проведенных экспериментов установлено влияние конструктивных параметров органа управления и вариантов его исполнения на аэродинамические характеристики рулевых поверхностей и даны рекомендации по их выбору:

• при установке одного диаметрально расположенного руля диапазон оптимальных удлинений руля составляет А,=2.4;

• изменение положения передней кромки относительно заднего среза кольцевого канала xedge в пределах (-0.5.+0.5)6 не влияет на аэродинамические характеристики руля;

• аэродинамические характеристики руля незначительно зависят от скорости обдувки в исследованном диапазоне скоростей;

• суммарная управляющая сила, создаваемая двумя параллельными рулями, превышает силу, возникающую на одиночном, диаметрально расположенном руле эквивалентной площади на ~20% во всем диапазоне углов отклонения 5 = 0.30°;

• для конфигурации с двумя параллельными рулевыми поверхностями, расположенными в местах максимумов скоростей, оптимальное удлинение лежит в диапазоне Х> 3;

• при использовании двух взаимноперпендикулярных рулей необходим учет взаимного влияния, получены коэффициенты интерференции позволяющие рассчитать величину управляющего усилия, создаваемого рулями в такой конфигурации;

• положение оси вращения вдоль хорды руля х^ в диапазоне (0.0.25)6 не влияет на управляющую силу.

3. Разработана методика определения аэродинамических характеристик рулей в закрученном потоке, дающая приемлемое для инженерных рас-четов согласование результатов с результатами эксперимента. Методика включает в себя численное решение (методом контрольных объемов) задачи вязкого обтекания руля равномерным потоком с учетом неравномерности локальных параметров течения по методу плоских сечений.

159

Заключение

На основании выполненного диссертационного исследования, носящего квалификационной характер, представляется возможным заключить, что на его основе решена актуальная научно-техническая задача посвященная разработке методики определения аэродинамических характеристик рулевой поверхности в спутной струе воздушного винта.

На специально созданной аэродинамической установке проведен комплекс экспериментов (дренажных, визуализационных, весовых и термоанемометрических), анализ результатов которых позволил выявить характерные структуры течения и закономерности их трансформации, определить влияние конструктивных параметров на аэродинамические характеристики органа управления и дать рекомендации по их выбору.

Разработанная методика расчета аэродинамических характеристик рулевой поверхности, базирующаяся на решении задачи вязкого обтекания руля с учетом неравномерности потока по методу плоских сечений показала удовлетворительное согласование с экспериментом в широком диапазоне конструктивных параметров.

Основные работы, отражающие содержание диссертации:

1. Калугин В.Т., Неманов И. О. Особенности обтекания аэродинамических рулевых поверхностей в закрученном потоке. // Научный вестник МГТУ ГА. Аэромеханика и прочность. — 2002 — №50. - С. 95 - 99.

2. Калугин В.Т., Чилингаров А.Р., Неманов И.О. Управление движением аэросаней-амфибии с винтокольцевым движителем // Научный вестник МГТУ ГА. Аэромеханика и прочность. - 2003 - №59. - С. 20 - 23.

3. Неманов И.О. Аэродинамические характеристики управляющих поверхностей летательных аппаратов в закрученном дозвуковом потоке. // Тез. докл. международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию Аэрофлота - М., 2003. - С.35-36.

4. Военно-технические исследования по обоснованию приоритетных направлений повышения уровня технического совершенства J1A, обеспечивающих создание и модернизацию авиационных комплексов военного назначения на период до 2015 года: Отчет о НИР по теме "Совершенство-205" / ВВИА им. Н.Е. Жуковского. - Инв. №0702\102216. - М. - 2003. - 414с.

161

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Неманов, Иван Олегович, 2005 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. -888 с.

2. Аэросани-амфибия АС-2. Технические характеристики. М.: ОАО «АНТК им. Туполева», ЗАО «Аэрокон», 1996 - 4с.

3. Белов И. А., Исаев С. А. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001 г. - 143 с.

4. Белов И. А., Кудрявцев Н. А. Теплоотдача и сопротивление пакетов труб. JT.: Энергоатомиздат, 1987. - 223с.

5. Беспилотные летательные аппараты / С.М. Ганин, А.В. Карпенко, В.В. Колногоров, Г.Ф. Петров СПб.: "Невский бастион", 1999.- 142 с.

6. Глауэрт Г. Основы теории крыльев и винта: Пер с англ. / Под ред. В.Л. Александрова. M.-JL: ГНТИ, 1931. - 163 с.

7. Горлин С. М. Экспериментальная аэромеханика: Учебник для вузов. -М.: «Высшая школа», 1970 г. -423 с.

8. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М.:Наука, 1964. - 720 с.

9. Жуковский Н.Е. Вихревая теория гребного винта. M-JI: Гостехиздат, 1950.-239 с.

10. Козлов С.Г., Курицкес Я.М., Пышнов B.C. Практическая аэродинамика. М.: Оборонгиз, 1939. - 454 с.

11. Краснов Н.Ф. Аэродинамика. 4.1. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла: Учебник для студентов втузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1980. - 495 с.

12. Москаленко В.О., Хлупнов А.И. Измерение скорости потока с помощью лазерного и термоанемометрического оборудования. Методические указания. М.: Издательство МГТУ, 2003 - 32 с.

13. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

14. Прикладная аэродинамика.: Учебное пособие для втузов / Под ред. Н.Ф. Краснова. М.: Высшая школа, 1974. - 752 с.

15. Шайдаков В.И., Аэродинамика винта в кольце. М.: Изд-во МАИ, 1996. - 90 с.

16. Шайдаков В.И., Маслов, А.Д. Аэродинамическое проектирование лопастей воздушного винта. М.: Изд-во МАИ, 1995. - 108 с.

17. Аэродинамика частей самолета при больших скоростях / Под ред. А.Ф. Донован, Г.Р. Лоуренс; Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы, 1959. - С. 288-328.

18. Бельчихина А.А., Долженко Н.Н., Дубов Ю.Б. Аэродинамические характеристики плоских пластин различных форм в плане на углах атаки от нуля до 85° // Труды ЦАГИ (М.) 1987. - Вып. 233. - С. 3-8.

19. Борин А.А. Влияние обдувки частей самолета струей винта на характеристики разбега и взлета // М.: Труды ЦАГИ 1970. -Вьш. 1278. - 16 с.

20. Ведров B.C., Остославский И.В., Расчет обдувки монопланных крыльев с винтами перед крылом // Труды ЦАГИ (М.). 1935. -Вып. 232. - 22с.

21. Ветчинкин В.П., Поляхов Н.Н. Теория и расчет воздушного гребного винта (аэродинамика) // Труды ЦАГИ (М.) 1939. - Вып. 366. - 130 с.

22. Ганабов В.И. Индуктивные скорости при работе винта в сжимаемом газе И Труды ЦАГИ (М.) 1959. - Вып. 761. - 22с.

23. Калугин В.Т., Неманов И. О. Особенности обтекания аэродинамических рулевых поверхностей в закрученном потоке. // Научный вестник МГТУ ГА. Аэромеханика и прочность. 2002. - №50. - С. 95 - 99.

24. Калугин В.Т., Чилингаров А.Р., Неманов И.О. Управление движением аэросаней-амфибии с винтокольцевым движителем // Научный вестник МГТУ ГА. Аэромеханика и прочность. 2003. - №59. - С. 20-23.

25. Москаленко В.О., Туполев А.С. Термоанемометр для диагностики течений жидкости и газа // Аэроспейс джорнал (Aerospace Journal) -1997. Ноябрь-декабрь. - С. 32-35.

26. Наумов С.Я., Пустовойтов В.П., Руденя В.И. Методика расчета влияния воздушных винтов на аэродинамические характеристики самолета // Труды ЦАГИ (М.) 1971. - Вып. 1312. - 40с.

27. Остославский И.В., Матвеев В.Н. О работе винта помещенного в кольце // Труды ЦАГИ (М.). 1935. - Вып. 248. - 30с.

28. Остославский И.В., Халезов Д.В. Взаимное влияние винта и самолета // Труды ЦАГИ (М.). 1935. - Вып. 213. - 30с.

29. Рхи С. М., Чоу У. JL "Численный расчёт турбулентного обтекания профиля с отрывом у задней кромки" // Аэрокосмическая техника — 1984.-Т. 2,№7-С. 33-43.

30. Франкль Ф.И. Теория винта с конечным числом лопастей при больших поступательных и окружных скоростях // Труды ЦАГИ (М.) — 1942.-Вып. 540.-50с.

31. Наумов С.Я., Подсевалов Н.Н. Влияние работающих турбовинтовых двигателей на характеристики продольной устойчивости самолета // Технические отчеты ЦАГИ. М., 1966. - С.3-8

32. Остославский И.В., Шарохин Н.И. Влияние обдувки крыла винтами на летные характеристики самолета // Технические отчеты ЦАГИ (М.). -1943.-Вып. 9-С. 9-12.

33. Ferziger J., Peric М. Computational Methods for Fluid Dynamics. 3rd, rev. ed. - Berlin et al.: Springer, 2002. - 423p.

34. Beam R.M., Warming R.F., An Implicit Finite-Difference Algorithm for Hyperbolic Systems in Conservation Law Form // Journal of Computational Physics 1976. - Vol. 22 - P. 87-109.

35. Beam R., Warming R.F., An Implicit Factored Scheme for the Compressible Navier-Stokes Equations // AIAA Paper. 1977. - №77-645 -20 p.

36. Chai J. C., Lee H. S., Patankar S. V. A Finite-Volume Radiative Heat Transfer Procedure for Irregular Geometries // AIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 1995. - Vol. 9, №3. - P. 410-415.

37. Chai J. C., Lee H. S., Patankar S. V. Treatment of Irregular Geometries Using a Cartesian Coordinates Finite-Volume Radiation Heat Transfer Procedure // Numerical Heat Transfer. 1995. - Vol. 26, Part B. -P. 225-235.

38. Chow F., Krause E., Liu C.H., Numerical Investigations of an Airfoil in a Nonuniform Stream // Journal of Aircraft. 1970 - Vol. 7, №6. -P.531-537.

39. Ludwig G.R., Erickson J.C. Jr. Airfoils in Two-Dimensional Nonuniformly Sheared Slipstreams. // Journal of Aircraft 1971. - Vol.8, №11-P. 874-880.

40. Karki K.C., Patankar S.V. A Pressure-Based Calculation Procedure for Viscous Flows at All Speeds in Arbitrary Configurations // AIAA Journal. -1989.-Vol. 27, №9.-P. 1167-1174.

41. Kriebel A.R. Theoretical Investigation of Static Coefficients, Stability Derivatives, and Interference for Ducted Propellers //Journal of Aircraft. -1964. Vol.1, №4. - P. 203-210.

42. Pope S.B. The Calculation of Turbulent Recirculating Flows in General Orthogonal Coordinates // Journal of Computational Physics. 1978. -Vol. 26, №2.-P. 197-217.

43. Rethorst S. Aerodynamics of Nonuniform Flows as Related to an Airfoil Extending Through a Circular Jet // Journal of Aerospace Science. 1958. -Vol. 25, № l.-P. 11-58.

44. Steger J.L., Kutler P. Implicit Finite-Difference Procedures for the Computation of Vortex Wakes // AIAA Journal. 1977. - Vol. 15, №4- P. 581-590.

45. Ting L., Liu C.H., Kleinstein G.: Interference of Wing and Multi-Propellers // AIAA Journal. -1972. Vol. 10, №7. - P. 906-914.

46. Ting L., Liu C.H. Thin Airfoil in Nonuniform Parallel Streams // Journal of Aircraft. 1968. - Vol.6, №2. - P. 173-175.

47. Black D.M., Wainauski H.S., Rohrbach C. Shrouded Propellers A Comprehensive Performance Study // AIAA Paper. - 1968. -№68-994. -20 p.

48. Kriebel A.R., Mendenhall M.R. Predicted and Measured Performance of Two Full-Scale Ducted Propellers // NASA. Washington (DC), 1966. -116 p. (NASA CR-578)

49. Lazareff M. Controle de diffusion aval sur le helice carenee // Agard CP. -1967.-№22. -P.l-13.

50. Wu T.Y., Talmadge R.B. A Lifting Surface Theory for Wings Extending Through Multiple Jets // Vehicle Research Corp. Pasadena (CA), 1968. -52 p. (Rep. №8)

51. Kriebel A.R., Sacks A.H., Nielsen J.N. Theoretical Investigation of Dynamic Stability Derivatives of Ducted Propellers / Itek Corp, Vidya Div. Palo Alto (CA), 1963. - 24 p. (Rep. №63-95)

52. Chaussee D.S., Kutler P. User's Manual for Three Dimentional Analysis of Propeller Flow Fields // NASA. Washington (DC), 1983. - 40 p. (NASA CR-167959)

53. Ordway D.E., Sluyter M.M., Sonnerup B.O.U. Three-Dimensional Theory of Ducted Propellers // Therm Advanced Research. Ithaca (NY), 1960. -48 p. (TAR-TR-602)166

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.