Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Институт теоретической и прикладной механики

им. С.А. Христиановича

УПРАВЛЕНИЕ ВОЛНОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ЦИЛИНДРА С ГАЗОПРОНИЦАЕМОЙ ВСТАВКОЙ ВПЕРЕДИ

С.В. Кириловский

Управление обтеканием тел позволяет сверхзвуковым летательным аппаратам изменять аэродинамическое сопротивление и выполнять маневры по траектории движения. Основным принципом управления является формирование эффективного тела, изменяющего его обтекание. При формировании заостренного тела можно изменить аэродинамическое сопротивление, при формировании несимметричного тела можно создать усилия, перпендикулярные направлению поле, дающие возможность управления по тангажу и рысканию. В настоящее время известны способы изменения аэродинамического сопротивления с помощью аэродинамической иглы [1], подвода энергии в поток перед телом [2], выдува струй навстречу потоку [3] и установки перед телом сетчатых экранов [4] или газопроницаемых пористых вставок [5-6].

Рис.1

Данная работа направлена на изучение процессов, повышающих эффективность управления волновым сопротивлением тел с передней газопроницаемой пористой вставкой в высокоскоростных потоках. Газопроницаемый материал вставок, используемый в экспериментальных исследованиях, представляет собой ячеисто-пористый никель с размером пор 1 и 3мм, расположенный на переднем торце модели цилиндра (рис. 1).

В численных исследованиях моделирование пористого материала производится с использованием модели пористой среды (МПС), заложенной в пакете ANSYS Fluent. При этом влияние пористого материала на течение газа учитывается дополнительным импульсом в уравнениях движения. Величина импульса зависит от двух коэффициентов (1/, С2) характеризующих пористый материал. Первый коэффициент соответствует вязкостному сопротивлению газа в порах, второй инерционному сопротивлению. В рамках МПС определять значение этих коэффициентов предлагается по эмпирической зависимости перепада давления от скорости газа в пористой вставке.

Для этого были проведены специальные эксперименты, схема которых приведена на рис.2, в которых определялись зависимости средней скорости фильтрации воздуха через образец от перепада давления между атмосферой и камерой. аэродинамический сопротивление игла газопроницаемый

Рис.2

По полученной эмпирической зависимости перепада давления от скорости, можно вычислить требуемые в МПС параметры вязких и инерционных потерь импульса при протекании воздуха через пористую вставку в предположении квадратичной зависимости скорости от перепада давления. Однако аппроксимировать полученные экспериментальные данные во всем диапазоне скоростей единой квадратичной зависимостью не удалось, что говорит о сильной скоростной неоднородности течения в пористой вставке. Поэтому были получены два набора параметров МПС для случаев малых (менее 20 м/с) и больших (более 20 м/с) скоростей [7-8].

Далее были проведены расчеты обтекания сверхзвуковым потоком (М = 5) цилиндра диаметром D =14,5мм с пористыми газопроницаемыми вставками на его переднем торце. Пористая вставка разбивалась на две зоны, в каждой из которых задавались свои параметры МПС, зависящие от величины скорости фильтрации. Длина пористой вставки варьировалась x = 7, 15, 29, 45 и 50 мм при общей длине модели 100мм. В расчетах были получены все характеристики течения воздуха внутри и вне пористого материала. На рис. 3 приведены поля изолиний скорости для двух выдвижений пористой вставки 15 (а) и 45 (б) мм, где видна сильная неоднородность распределения скорости в пористой вставке.

Рис.3

Получено согласие с экспериментальными данными [7] по положению головной ударной волны и показано, что при обтекании цилиндра с пористой вставкой впереди лобовая часть эффективного тела имеет заострение, что и приводит к снижению волнового сопротивления модели с пористой вставкой.

Рис.4.

Волновое сопротивление, т.е. потери на образование ударных волн и трение при сверхзвуковых скоростях движения, в данной работе рассчитывалось по разнице в величине импульса до и после тела по формуле

,

где - безразмерный аэродинамический коэффициент сопротивления, S - площадь круга диаметром, равным расстоянию от поверхности цилиндра до головной УВ, индекс «?» соответствует параметрам набегающего потока, индекс «e» - параметрам на заднем торце цилиндра.

На рис.3 приведены данные по эффективности снижения волнового сопротивления цилиндра с пористой вставкой от величины выдвижения пористой вставки, где коэффициенты сопротивления цилиндра с пористой вставкой отнесены к коэффициенту сопротивления сплошного цилиндра той же длины . Видно, что при увеличении длины передней пористой вставки значительно (до 30-40%) снижается волновое сопротивление цилиндра. Сравнение с экспериментальными данными [5,6] показывает согласие при больших выдвижениях (29, 45 и 50мм), но существенную разницу для малых выдвижений.

Другим способом изменения волнового сопротивления тела с пористой вставкой впереди является нагрев пористого материала. Увеличение температуры газа в порах через нагрев пористого газопроницаемого материала может привести к повышению вязкости потока и его торможению в порах. Отсюда следует принципиальная возможность через изменение температуры пористого тела влиять на аэродинамические параметры летательного аппарата. Данная схема управления аэродинамическими характеристиками была опробована на выдвижениях x< 30мм. Для этого были проведены эксперименты с моделью цилиндра с передней газопроницаемой вставкой, состоящей из двух половинок, разделенных изолятором. Схема модели с несимметричным подогревом газопроницаемых пористых вставок тлеющим электрическим разрядом показана на рис.5. Использован ячеисто-пористый материал с диаметром пор 1мм. Нагрев верхней пористой вставки осуществлялся посредствам тлеющего разряда, возникающего при подаче электрического напряжения между пористой вставкой (катодом) и металлическим диском на торце цилиндра (анодом). Тлеющий разряд объемно нагревал пористый материал верхней вставки, что приводило к увеличению гидравлического сопротивления пористой вставки и увеличению угла наклона головной УВ по сравнению с углом наклона УВ при обтекании нижней вставки.

Рис.5 Рис.6

На рис. 6 для наглядности приведена картина визуализации течения, полученная вычитанием двух фотографий обтекания модели (с разрядом и без разряда). Видно, что на нижней вставке ударная волна отсутствует, что означает неизменность наклона УВ в обоих случаях. А на верхней вставке видны обе УВ, не совпадающие по углу наклона. Это приводит к возникновению сил, перпендикулярных направлению потока (сверху вниз по рис. 6), что дает возможность управлять тангажом и рысканием летательного аппарата.

Таким образом в работе численно и экспериментально исследована эффективность управления волновым сопротивлением тел в высокоскоростных потоках с помощью выдвижения и/или нагрева передней газопроницаемой пористой вставки.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 12-08-00357-а).

Список литературы

Запрягаев В. И., Миронов С. Г. Особенности механизма пульсаций отрывного течения перед цилиндром с острой иглой при сверхзвуковом обтекании // ПМТФ. 1991. №6. С. 101 - 108.

Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Сверхзвуковое обтекание тела при подводе тепла перед ним // Тр. АН СССР. Мат. Ин-т. Соврем. Пробл. Механики и их прил. 1989. С. 197 - 201.

Фомин. В. М., Маслов А. А., Шашкин А. П. и др. Режимы обтекания, формируемые противоточной струей в сверхзвуковом потоке // ПМТФ. 2001. Т. 42, № 5. С. 27 - 36.

Гувернюк С.В. О гиперзвуковом обтекании тел с сетчатыми экранами // Сб.: Газовая и волновая динамика. М.: Айрис-Пресс. 2005. С.236-242.

Фомин В.М., Миронов С.Г., Сердюк К.М. Снижение волнового сопротивления тел в сверхзвуковом потоке пористыми материалами // Письма в ЖТФ. 2009. Т.35. Вып.3. С.39-45.

Бедарев И.А., Миронов С.Г., Сердюк К.М., Федоров А.В., Фомин В.М. Физическое и математическое моделирование сверхзвукового обтекания цилиндра с пористой вставкой // ПМТФ. 2011. Т.52. № 1. С.13-23.

Миронов С.Г., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Численное моделирование сверхзвукового обтекания цилиндра с передней газопроницаемой пористой вставкой // Сб. научных трудов Всерос. конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке, технике, медицине». 2012. С. 76-78.

Поплавская Т.В., Кириловский С.В., Миронов С.Г. Численное моделирование обтекания газопроницаемого пористого материала в приложении к сверхзвуковой аэродинамике // Материалы XVIII Межд. конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам ВМСППС'2013. 2013. С. 652-654.

Размещено на Allbest.ru