Математическое моделирование процессов обтекания рулевой поверхности при струйной обдувке

2006

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 97

УДК.533.6.011

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБТЕКАНИЯ РУЛЕВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СТРУЙНОЙ ОБДУВКЕ

А.Г. ГОЛУБЕВ, В.Т. КАЛУГИН, П.А. ЧЕРНУХА

Представлены результаты численного моделирования сверхзвукового обтекания рулевой поверхности при выдуве вблизи ее затупленной кромки вертикальной струи газа. Выявлены основные структуры течений, установлены закономерности изменения аэродинамических характеристик рулевой поверхности в условиях комбинированного воздействия основного и инжектируемого потоков.

При проектировании высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) с целью обеспечения необходимых управляющих усилий при их торможении и маневрировании на конечном участке траектории находят применение аэродинамические рулевые поверхности. Такие органы управления (ОУ) на сравнительно кратковременном участке траектории подвергаются воздействию высоких тепловых потоков. Для снижения этих нагрузок рулям придают особую форму, характеризующуюся большим углом стреловидности и затупленной передней кромкой, а также используют значительный по толщине слой теплозащитного покрытия. В результате аэродинамическая форма ОУ отличатся от традиционной формы тонких рулевых поверхностей и имеет свои особенности взаимодействия с внешним потоком (рис. 1).

Рис. 1

Однако в некоторых случаях, несмотря на принимаемые меры, локальные тепловые нагрузки на поверхности ОУ могут превышать допустимые, что приводит к обгару рулевой поверхности и изменению ее формы. Одним из возможных способов повышения тепловой защиты на особо теплонагруженных участках траектории является применение локальной струйной обдувки с поверхности ЛА. Направленный подвод холодного (относительно местной температуры основного потока) газа уменьшает тепловые потоки к рулевой поверхности. Дополнительная обдувка приводит к сложному перераспределению параметров потока по поверхности ОУ и оказывает влияние не только на тепловые, но и на силовые характеристики руля.

Для того чтобы установить степень изменения аэродинамических коэффициентов рулевой поверхности при использовании дополнительной тепловой защиты было проведено численное и экспериментальное моделирование обтекания руля основным потоком в условиях дополнительного выдува

струи газа вблизи его передней кромки. Основные безразмерные геометрические параметры руля, установленного на плоскости, представлены на рис. 1. Исследования проводились для чисел Маха основного потока М» = 2,0 - 3,4, соответствующих числах Рейнольдса Яе1х = (9 - 18)-107 1/м и относительных толщинах пограничного слоя перед областью взаимодействия 5/Ь = 0,06 - 0,07 в диапазоне изменения относительной интенсивности выдува 1р0 = рэ/р,» = 14 - 125 (здесь р^, р» - соответственно давление торможения в инжектируемой струе и статическое давление в невозмущенном потоке) при повороте руля на угол 5р = 0° - 30°.

В физическом эксперименте струйная обдувка реализовывалась в виде звуковых блочных струй. При математическом моделировании для упрощения построения расчетной сетки блочная инжекция была заменена моноструей с эквивалентной площадью сопла.

Как показали экспериментальные исследования, при расположении отверстия инжекции на небольшом расстоянии 0 < Іі < 0 ,375 вся область в пространстве между соплом выдува и ОУ, а также

непосредственно передняя кромка руля находится в области струйного взаимодействия, и отрыв потока перед рулевой поверхностью отсутствует.

Это позволяет применить для математического описания взаимодействия основного потока с системой "руль-струя" численный метод, записанный в трехмерной постановке, в основе которого лежат уравнения Эйлера.

Рассматривается нестационарное трехмерное течение идеального газа при отсутствии вязкости, теплопроводности и неравновесных физико-химических превращений. В декартовой системе координат уравнения сохранения аэрогазодинамики для такой модели газа записываются в виде:

ЭЛ ЭБх

+

ЭБУ ЭБ,

+

Э Эх Эу Э,

= 0,

где

Л =

р Р^ " 2 Р^ + р 1 у > 1 1 о 1

р V х Р^у Р^Е

р^ , Бх = Р^у , Бу = 2 Р^ + р , Б, = Р^,

р^ Р^, Р^, 2 Р^ + р

ср 1 о _Р^0 _ і "О V 0 і і о 0 1

Здесь 1 - время; ух,уу,у2 - составляющие вектора скорости в декартовой системе координат; р, р -плотность и давление газа; ^ - удельная полная энтальпия газа. Данная система уравнений дополнена уравнением состояния.

Для решения данной системы уравнений использовался модифицированный метод Годунова С.К. второго порядка аппроксимации по всем направлениям интегрирования.

Все численные расчеты обтекания рулевой поверхности со струей проводились в расчетной области, ограниченной эллипсоидом вращения Е12ОЕ1Ь конической поверхностью Е11Е21Е22Е12, плоскостью Е21Е22, а также поверхностью руля (рис. 2). На этом же рисунке показана построенная в выделенной области расчетная сетка.

В качестве начальных данных для численного решения задачи вводились следующие безразмерные параметры набегающего потока: давление, отнесенное к двойному скоростному напору

р¥ = 1/(кМ¥), плотность р¥ = р / р¥ = 1, полная энтальпия = 0,5 + 1/[(к - 1)М¥ ] и составляющие

вектора скорости набегающего потока в декартовой связанной системе координат: УХ¥ = УХ¥ / V¥,

: V™, / V¥, где к - показатель адиабаты. Они задаются на внешней границе

V

V /V

у ус ' С

V,

расчетной области Еі2ОЕц и Ец...Е22. На поверхности руля, а также в меридиональной плоскости ставились условия непротекания (обнуление нормальной к поверхности руля составляющей скорости), а на границе Е21Е22 - условие свободного вытекания газа (экстраполяция параметров потока).

В результате решения такой задачи было получено распределение давления, плотности, и других газодинамических, а также кинематических параметров потока по опорной плоскости (пластине) и по поверхности ОУ, которые позволяют наглядно иллюстрировать формирующуюся картину течения вблизи области взаимодействия инжектируемого потока и руля. На рис. 3 в качестве примера показаны изобары в расчетных областях.

1_е\е1 Р

61 0.614654

56 0.245401

51 0.176397

46 0.121 554

41 0.0810846

36 .654672

31 0.0632276

26 0.062 5576

21 0.0622755

16 0.0616353

11 0.0526167

6 0.0448787

1 0.0101963

Рис. 3.

Зависимости аэродинамических коэффициентов продольной схр и нормальной сур сил от перераспределения давления по боковой поверхности руля (без учета влияния давления на торцевую поверхность ОУ) в условиях инжекции поперечной струи газа относительной интенсивностью 1р0 = 125 и изменении угла поворота 5р = 0° - 30° показаны на рис. 4. Здесь же приведены результаты расчета обтекания руля при отсутствии выдува. Видно, что во всем исследованном диапазоне изменения 5р коэффициент продольной силы уменьшается по сравнению с схр при отсутствии выдува за счет воздействия на рулевую поверхность области пониженного давления за струей. При этом также происходит снижение коэффициента нормальной силы.

Сравнение результатов продувок без дополнительной инжекции и расчетов показало, что получено хорошее согласование аэродинамических характеристик. При струйной инжекции совпадение данных наблюдается при малых углах поворота руля (5р < 10°). Для больших 5р их расхождение связано с тем, что при выдуве моноструи инжектируемый поток воздействует на меньшую площадь рулевой поверхности, чем при блочном выдуве.

Таким образом, проведенный комплекс исследований показал, что выбранный подход к построению математической модели системы "набегающий поток - струя - руль" позволяет с удовлетворительной для инженерной практики точностью проводить расчеты параметров обтекания и аэродинамических характеристик сложных комбинированных органов управления современных ЛА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Голубев А.Г., Калугин В.Т., Кошевой В.Н. Управление параметрами обтекания аэродинамических рулей высокоскоростных летательных аппаратов // НТС Боеприпасы. - 1994. - № 3 - 4.

2. Чернуха П.А. Математическое моделирование безотрывного обтекания летательных аппаратов конической формы при инжекции поперечных струй газа // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 72, 2004.

MATHEMATICAL MODELLING OF FLOW AROUND A CONTROL SURFACE AT NAPPE

BLOWING

Golubev A.G., Kalugin V.T., Chernukha P.A.

Results of numerical modelling of a supersonic flow around of a steering surface are presented at injection near to its blunted edge of a vertical jet of gas. The basic flow structures are revealed, laws of change of aerodynamic characteristics of a steering surface in conditions of the combined influence of the basic and injected streams are established.

Сведения об авторах

Голубев Алексей Геннадьевич, 1961 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (1984), преподаватель кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 20 научных работ, область научных интересов - отрывные, струйные течения и управление процессами обтекания летательных аппаратов.

Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 200 научных работ, область научных интересов - аэрогазодинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.

Чернуха Полина Алексеевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001), кандидат технических наук, ассистент кафедры баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 20 научных работ, область научных интересов - отрывные, струйные течения и управление процессами обтекания летательных аппаратов.