Ликвидация «Взрыва» вихрей на треугольном крыле с помощью выдува локальной струи в окрестность ядра вихря

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ НАГИ Том XVII 1986

№ 2

УДК 629.735.33.015.3.025.47

ЛИКВИДАЦИЯ «ВЗРЫВА» ВИХРЕЙ НА ТРЕУГОЛЬНОМ КРЫЛЕ С ПОМОЩЬЮ ВЫДУВА ЛОКАЛЬНОЙ СТРУИ В ОКРЕСТНОСТЬ ЯДРА ВИХРЯ

Е. С. Вождаев, В. А. Головкин, М. А. Головкин, В. П. Горбань, Е. В. Симусева

С использованием визуализации проведено исследование вихревых жгутов, образующихся в окрестности передних кромок треугольного крыла. Обнаружено, что наряду с потерей устойчивости течения в ядре первичных вихрей («взрывом» вихрей) может наблюдаться «взрыв» вторичных вихрей. Показано, что путем выдува локальной турбулентной струи в окрестность ядра первичного вихря можно при определенных условиях обеспечить затягивание по углу атаки или полную ликвидацию явления «взрыва» этого вихря и сохранение упорядоченной вихревой структуры до больших углов атаки как на стационарных, так и нестационарных режимах обтекания крыла.

Исследованию явления «взрыва» вихрей — явления потери устойчивости вихревого течения и перестройки структуры вихревого жгута, сопровождающегося образованием «спиралевидных» или «пузыревидных» форм течения, — уделяется большое внимание. «Взрыв» вихря во многом определяет характер статических и динамических характеристик летательных аппаратов, в том числе гистерезис в аэродинамических характеристиках, потерю устойчивости летательного аппарата, антидемпфирование. Имеется ряд работ, касающихся изучения проблемы «взрыва» вихря [1—6].

Известно применение струй для управления пограничным слоем, создания эффекта суперциркуляции и использование струй в качестве реактивных закрылков, а также для увеличения несущих свойств путем выдувания струи вдоль размаха крыла [7—12]. В данной работе основное внимание уделяется исследованию воздействия на явление «взрыва» вихря путем выдува локальной струи в окрестность ядра вихря с целью упорядочения вихревой структуры. Физические исследования показали, что локальный ввод дополнительной кинетической энергии в виде струи в окрестность вихря может при определенных условиях обеспечить ликвидацию явления «взрыва» вихря и сохранение упорядоченной вихревой структуры до больших углов атаки со всеми вытекающими отсюда положительными последствиями.

Методика и режимы исследования. Эксперименты проводились в гидродинамической трубе с рабочей частью 40X40 см. Для изучения явления «взрыва» вихря и исследования возможности управления им путем благоприятного взаимодействия струи с этим вихрем была использована модель тонкого треугольного крыла с углом стреловидности по передней кромке хп. к=70°; хорда центрального сечения крыла Ь = 21 см, площадь 5=147 см2 (рис. 1). В области вершины модели на ее поверхности имелось дренажное отверстие, из которого выпускалась визуализирующая жидкость (молоко), что позволяло наблюдать положение ядер вихрей и явление их «взрыва».

Исследования проводились при скорости набегающего потока У=5-н17,5 см/с, что соответствовало числам Ие = УЬ/м— 12 ООО—36 500, где V — коэффициент кинематической вязкости воды. При этом положение области «взрыва» вихрей практические не зависело от числа Ие. Известно [5], что для таких крыльев изменение числа Ие в гораздо более широких пределах практически не влияет на положение области «взрыва» вихрей.

Для выдува подкрашенной струи под ядром вихря над верхней поверхностью крыла на расстоянии 0,49 Ь от его вершины в трех положениях по высоте /г, соответствующих расстоянию по нормали от верхней поверхности крыла до нижнего края сопла, устанавливалось сопло с площадью сечения 5С = 0,019 6X0,0067 0,0546 см2. Первое положе-

ние— /г = 0, когда срез сопла касался верхней поверхности крыла, т. е. выдув струи осуществлялся в пограничный слой; среднее положение— /г = 0,03 Ь и самое верхнее положение — к = 0,043 Ь, когда сопло находилось достаточно близко к оси вихря. Профиль внутреннего канала этого сопла (см. рис. 1) был выполнен таким образом, что генерируемая им струя являлась турбулентной. Направление выдува струи было параллельно плоскости крыла.

Проведенные предварительные исследования с соплом круглого поперечного сечения, генерирующим ламинарную струю, показали, что его применение практически не приводило к устранению явления «взрыва» вихрей. Поэтому ниже приведены лишь результаты исследования с соплом, генерирующим турбулентную струю, установленным в

наиболее эффективном его положении по высоте — к = 0,03 Ь, ниже ядра вихря.

Установка сопла только с правой стороны верхней поверхности крыла позволяла путем сравнения обтекания левой и правой его частей в процессе эксперимента наблюдать и фиксировать влияние выдува струи на явление «взрыва» вихря. Скорость истечения струи изменялась в пределах V = 40^-305 см/с путем наддува резервуара, соединенного с соплом, или дросселирования подводящего канала. Расходные характеристики струи приведены в таблице, где <3 — расход жидкости^ через СОПЛО, V — средняя скорость истечения жидкости через сопло; v = v/V.

I -- О

Коэффициент импульса струи сц = ^ ^ = 2г>2 , где У — р^5с —

секундный импульс струи, р —плотность жидкости.

0>, см3/с V, см/с V ср-

2.3 40 5,33 28,4 0,042

3.8 69,5 9,3 85,9 0,128

11,7 214 28,5 814 1,209

14,0 255 34 1156 1,717

16,7 305 40,7 1654 2,457

Значения коэффициента с^. даются в расчете на два симметрично расположенных сопла, хотя в эксперименте, как указывалось выше, для наглядности было установлено одно сопло.

Результаты экспериментов фиксировались с помощью фото- и киноаппаратуры.

Явление «взрыва» вихрей в отсутствие струи. Для того чтобы выполнить корректное сравнение полученных результатов, было проведено исследование спектров обтекания крыла без сопла на тех же режимах обтекания, что и с соплом.

Результаты исследования и спектры обтекания крыла при различных значениях углов атаки а и скольжения р иллюстрируются на рис. 2 и 3,а—д. При а=10°, р = 0 четко визуализируется известная схема обтекания треугольного крыла с двумя интенсивными первичными вихревыми жгутами и так называемыми вторичными, более слабыми

Рис. 3

вихревыми жгутами, имеющими, как известно, обратное по отношению к первичным направление вращения. «Взрыв» первичных вихрей происходит по потоку существенно ниже задней кромки крыла (вне поля фотографии). Интересно, что при этом наблюдается «взрыв» вторичных вихрей крыла, который происходит по потоку значительно выше его задней кромки.

Следует отметить, что обнаруженное явление «взрыва» вторичных вихрей, видимо (особенно на малых углах атаки), может заметно влиять на характер аэродинамических характеристик летательного аппарата, в частности, может привести на таких углах атаки к появлению близкой к нулю производной в зависимости момента тангажа от угла атаки. Кроме того, более ранний «взрыв» вторичных вихрей может способствовать «взрыву» первичных вихрей, и в этом смысле это явление может, по-видимому, в некоторых случаях служить своего рода предвестником «взрыва» первичных вихрей. При больших углах атаки краситель попадает только в ядра первичных вихревых жгутов (см. рис. 3,6—д), а вторичные вихри не визуализируются, причем при а=30°, р = 0 четко видна спиралевидная форма левого вихревого жгута ниже точки «взрыва» и близкая к пузыревидной форма правого вихревого жгута.

Течение ниже точки «взрыва» вихрей даже при фиксированных значениях углов атаки и скольжения и скорости набегающего потока имеет нестационарный характер; при этом может наблюдаться ¡переход спиралевидной формы «взрыва» вихревого жгута в пузыревидную и наоборот.

В экспериментах было определено положение точки «взрыва» первичных вихрей х = х*/Ь, где х* — отсчитываемое от вершины крыла расстояние вдоль хорды центрального сечения крыла до точки «взрыва», в зависимости от угла атаки и скольжения (рис. 2). Видно (см. рис. 2, а), что при а = 20°-т-25° «взрыв» первичных вихрей происходит в окрестности задней кромки крыла, а при а = 55о-т-60° — в непосредственной близости от вершины треугольного крыла. На графике показаны также результаты из работы [5]; наблюдается удовлетворительное согласование приведенных данных.

При скольжении крыла (см. рис. 2, б и 3, в) подветренный вихрь «взрывается» по потоку значительно ниже наветренного. Точка же «взрыва» наветренного вихря лежит несколько ближе к вершине крыла, чем точка «взрыва» вихрей в отсутствие скольжения, причем это различие быстро исчезает с увеличением угла атаки крыла.

Очевидно, что отмеченные явления вызывают поперечную неустойчивость такого крыла по углу скольжения и соответствующие нелинейности в зависимости момента тангажа от а.

О возможности борьбы со «взрывом» вихрей путем выдува струи. В экспериментах предварительно было рассмотрено влияние на явление «взрыва» вихрей установленного на поверхности крыла сопла, из которого струя не выдувалась. Это приводило к более раннему (ближе к вершине крыла) «взрыву» вихрей. Так, при а = 30° и 40° при отсутствии скольжения, с левой стороны крыла, где сопло отсутствовало, «взрыв» вихрей наблюдается соответственно на расстояниях х = 0,72 и 0,33, а с правой стороны крыла, где установлено сопло, — на л: = 0,44 и 0,22 (рис. 3, е, ж). Такая несимметричность, видимо, обусловлена влиянием возмущений и положительного градиента давления, вызванных установкой сопла, на устойчивость вихря. Причем, как видно из сравнения приведенных результатов с результатами исследований области «взрыва» на крыле без сопла (см. рис. 3,6, г), установка сопла с правой стороны крыла как при наличии выдува струи, так и при его отсутствии практически не влияет на положение области «взрыва» левого вихревого жгута.

На рис. 4 показан эффект выдува струи при различных значениях ср. и различных углах атаки. Видно весьма существенное влияние выдува струи на явление «взрыва» вихрей. Для исследованных режимов при коэффициенте импульса струи £^>0,128 (см. рис. 4, а—д) явление «взрыва» при всех рассматриваемых в эксперименте значениях угла атаки крыла отсутствует, даже при а = 60°, когда без струи вихрь «взрывается» непосредственно около вершины крыла. В этом случае на виде сбоку (рис. 5) особенно четко видно подсасывающее действие струи, проявляющееся в характерном искривлении оси вихря, которое вызывает, в силу самоиндукции этого вихря, соответствующее искривление ее и при виде в плане.

При значениях коэффициента импульса = 0,042 и 0,128 (см. рис. 4, е, д) «взрыв» вихря хотя и наблюдается при а = 60°, но происходит гораздо ниже по потоку (непосредственно перед соплом), чем в случае течения в отсутствие струи, т. е. и в этом случае видно значительное благоприятное влияние выдува струи на характер течения.

Отмеченное выше управляющее воздействие струи на вихревое течение сохраняется и при скольжении крыла (рис. 6).

На рис. 7 представлены спектры обтекания крыла со струей при резком увеличении его угла атаки с 25° до 60° за безразмерное время т=У//Ь = 0,36 (здесь ^ — время в секундах). Крыло вращалось относи-

Рис. 4

Рис. 5

А АЛ

тельно поперечной оси, расположенной на расстоянии х = 0,55 от вершины крыла. Видно, что даже при столь высокой скорости изменения угла атаки струя стабилизирует течение, не позволяя развиться явлению «взрыва» вихря.

Таким образом, проведенное исследование показало эффективность воздействия выдува локальной струи на явление «взрыва» вихрей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лейбович С. Распад вихря. — В кн.: Вихревые движения жидкости. Устойчивость и отрыв пограничного слоя, свободные и квантовые вихри. — М.: Мир, 1979.

2. Бетчелор Дж. Введение в динамику жидкости.— М.: Мир,

1973.

3. В и з е л ь Е. П., К а р а с к А. А. О влиянии фюзеляжа на разрушение вихрей треугольного крыла. — Труды ЦАГИ, 1982, вып. 2174.

4. Апарин о в В. А., Павлов А. А., С т о л я р о в Г. И., Храбро в А. Н. Исследование вихревой структуры крыла сложной формы в плане и ее устойчивости при стационарном обтекании. — Труды ЦАГИ,

1982, вып. 2174.

5. Erickson G. Е. Water tunnel flow visualisation: Iusigkt into complex three — dimensional flow fields.—AIAA 12-th fluid and plasma dynamics conference. July '23—25, 1979/Williamsdyry, Virginia (AIAA P—79—1530).

6 Erickson G. E. Flow studies of slender wing vortices. — AIAA 13-th fluid and plasma dynamics conference. July 14—16, 1980/Showmass, Colorado (AIAA P—80—1423).

7. Мартынов А. К. Прикладная аэродинамика. — М.: Машиностроение, 1972.

8. Петров А. В., Шеломовская А. В. Метод расчета коэффициента импульса струи, потребного для ликвидации отрыва потока на профиле крыла.— Труды ЦАГИ, 1979, вып. 1977.

9. Г а н и ч Г. А., Ж у л е в Ю. Г., Н е й м а р к Р. В. Исследование характеристик модели крыла с эжекторным увеличителем подъемной силы.— Труды ЦАГИ, 1980, вып. 2082.

10. Campbell Т. F. Augmentation of vortex lift by spanwise blowing. — AIAiA 1975 Aircraft systems and technology meeting. August.

4—7, 1975/Los Angeles, California (AIAA P—75—993).

11. Erickson G. E. Effect of spauwise blowing on the aerodynamic characteristics of the F—5. — AIAA P—79—0118.

12. Campbell T. F., Erickson G. E. Effect of spauwise blowing on surface pressure distributions and vortex — lift characteristics of a trapezoidal wingstrake configuration. — NASA TP 1290, 19>79.

Рукопись поступила 8/1 1985 г.