Влияние потока от несущего винта вертолета на колебания массивного груза на внешней подвеске

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 154

УДК 629.735.015

ВЛИЯНИЕ ПОТОКА ОТ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА НА КОЛЕБАНИЯ МАССИВНОГО ГРУЗА НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ

ИВ. БОРИСОВ

Статья представлена доктором технических наук Ципенко А.В.

С помощью численного эксперимента показано, что поток от несущего винта вертолета не вызывает сильных колебаний выливного противопожарного устройства на внешней подвеске.

Ключевые слова: численное моделирование, влияние несущего винта вертолета, колебания груза на внешней подвеске.

Эффективность применения вертолета при тушении пожара зависит от целого ряда факторов, среди которых не последнюю роль играют колебания выливного устройства на внешней подвеске. В свою очередь, причины колебаний могут быть различными. Это и неравномерное движение ЛА, и воздействие сильных восходящих потоков в зоне пожара, и форма устройства, и влияние струи от несущего винта (НВ).

Целью представленной работы является выяснение роли последних двух факторов. Эта задача может решаться с помощью расчетно-аналитических методов анализа колебаний или путем натурного или численного эксперимента.

Численное моделирование удобно тем, что позволяет рассмотреть каждый фактор в отдельности, и тем самым оценить его вклад в общую картину колебаний. Эта задача решается средствами пакета Flow Vision [1]. Этот пакет позволяет решать уравнения турбулентного потока с учетом движения твердого тела из-за аэродинамического воздействия. В нашем случае использовалась стандартная k-e модель турбулентности. В качестве подвижного тела рассматривалось выливное устройство неизменной формы на абсолютно жестком тросе-стержне длиной 10 м.

Для начала посмотрим, какую роль играет форма выливного устройства. При обтекании воздухом причина колебаний - периодическое изменение давления у поверхности устройства, которое вызвано вихреобразо-ванием. В качестве выливного устройства рассматривался подвесной вы-ливной опрыскиватель ВОП-3 разработки НПО "ПАНХ". Чтобы получить максимальные колебания (отклонения) груза от вертикали, масса устройства полагалась 300 кг, что соответствует порожней емкости. Груз находится в равномерном набегающем потоке, перпендикулярном вектору силы тяжести. Из результатов расчета (рис. 1) видно, что размах колебаний незначителен.

Для оценки роли потока от несущего винта сначала необходимо адекватно смоделировать этот поток. Эта задача может решаться или в общей постановке - трехмерное моделирование обтекания вертолета с вращающимися лопастями, или с учетом целого ряда приближений. Например, принимается дисковая модель винта и не учитывается периодическое изменение поля скоростей, не учитывается влияние фюзеляжа и т.д. Это вызвано тем, что трехмерное моделирование требует огромных вычислительных ресурсов и пока не под силу даже суперЭВМ. С другой стороны, так как речь идет всего о нескольких типах вертолетов, которые могут транспортировать ВОП-3, экспериментальное определение потока НВ на различных режимах полета является наиболее быстрым, относительно недорогим и максимально учитывающим реальную форму ЛА и положения лопастей НВ. В ЛИИ и НТК "Камов" [2] были проведены соответствующие эксперименты для Ка-32, Ми-4. Таким образом, задача учета потока от НВ сводится к задаче правильного введения в численный эксперимент данных о реальном потоке вокруг ЛА.

Представив нижние плоскости лопастей как источники воздушных струй, а верхние - как стоки (чтобы компенсировать прирост массы воздуха), можно подобрать распределение скорости по радиусу лопасти так, чтобы итоговая струя от НВ совпадала с наблюдаемой экспериментально при соответст-

Рис. 1. Крайние положения ВОП-3 в набегающем потоке 10 м/с

вующей полетной скорости. Такое распределение было подобрано, пример сравнения расчета и эксперимента приведен на рис. 2.

Рис. 2. Скорость полета 37,6 км/ч: а - эксперимент [2], угол наклона плоскости винта к скорости полета (-0,3°), точками показаны положения концевых вихрей в плоскости симметрии ЛА; б - расчет ("мгновенный снимок"), точки - тестовые частицы диаметром 1 мкм и плотностью 50 кг/м3, выпущенные из торцов лопастей для визуализации концевого вихря

N \

Рис. 3. Скорость полета 5 км/ч, точки - тестовые частицы диаметром 1 мкм и плотностью 50 кг/м3, выпущенные из торцов лопастей для визуализации концевого вихря

Из результатов расчета на режиме висения (рис. 3) также видно, что имеет место поджатие струи. Это соответствует известной теории НВ [3] и подтверждает правильность постановки численного эксперимента.

При моделировании взаимодействия потока от НВ с ВОП-3 в полете полагалось, что система "трос с грузом" абсолютно жесткая, точка вращения расположена на днище вертолета. ЛА движется прямолинейно и равномерно, то есть колебания контейнера вызваны только аэродинамическими силами (иными словами, ускорение точки подвеса не учитывается).

Расчеты проводились по следующему сценарию: скорость набегающего потока 5 км/ч, трос рас-

а б

Рис. 4. Крайние положения ВОП-3 при равномерном движении Ка-32 со скоростью 37,5 км/ч; стрелки показывают только направление скорости в системе координат, связанной с ЛА

положен вертикально, после одного периода колебаний скорость дискретно увеличивалась до 38 км/ч (при этой скорости груз находится в зоне максимальных скоростей струи от НВ, то есть следует ожидать колебаний с максимальной амплитудой). После этого дискретно изменялась масса груза и положение центра масс (приближенно моделировался слив воды из ВОП-3). Масса груза менялась от 3 тонн до 1,2 тонны. Предельные положения ВОП-3 показаны на рис. 4.

Из результатов расчетов следует, что груз колеблется в плоскости, практически совпадающей с плоскостью симметрии ЛА (отклонение составляет не более 2° и вызвано отсутствием симметрии струи НВ относительно плоскости симметрии ЛА). Амплитуда и период колебаний практически не меняются при изменении массы груза, то есть груз можно считать математическим маятником с достаточно высокой точностью. Однако период его колебаний составляет 6,75 с, а формула определения частоты колебаний маятника [4] (V = [2л(8^)1/2]-1, где 8 - расстояние от точки подвеса до центра масс) дает 6,65 с. Различие вызвано силой аэродинамического сопротивления.

Таким образом, можно заключить, что поток от НВ весьма слабо влияет на колебания массивного груза на внешней подвеске. Это объясняется отличием основных частот НВ и груза на внешней подвеске, а также тем, что в зоне ВОП-3 меняется, главным образом, вертикальная составляющая скорости воздуха (рис. 5), которая не может раскачать груз.

Вывод

Из численных экспериментов следует, что, во-первых, ВОП-3 обладает достаточно хорошей формой, которая не вызывает заметных колебаний, а во-вторых, поток от НВ не создает сильных колебаний вылив-ного устройства на внешней подвеске вертолета. Наблюдаемые на практике колебания груза, таким образом, вызваны предысторией полета (ускорение-замедление на маршруте от водоема до очага пожара).

ЛИТЕРАТУРА

1. Система моделирования движения жидкости и газа Flow Vision. -http://www.tesis.com.ru/software/flowvision/.

2. Акимов А.И. и др. Летные исследования и анализ вихревой структуры винтов соосного вертолета // Труды I форума Российского вертолетного общества. - М.: МАИ, 1994. - С. 161 - 181.

3. Миль М.Л. и др. Вертолеты. Расчет и проектирование. - М.: Машиностроение, 1966. - Т. 1. Аэродинамика.

4. Элементарный учебник физики / под ред. акад. Г.С. Ландсберга.- М.: Наука, 1971. - Т. III.

HELICOPTER LIFTING ROTOR FLOW INFLUENCE ON HEAVY EXTERNAL LOAD

Borisov I.V.

Simulation was shown helicopter lifting rotor flow don’t cause heavy external bleed fire fighting equipment oscillation.

Key words: numerical modeling, rotor influence, cargo vibration, external suspension.

Сведения об авторе

Борисов Игорь Викторович, 1957 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1980), соискатель кафедры 806 МАИ, область научных интересов - летная эксплуатация воздушных судов.

Рис. 5. Скорость полета 37,6 км/ч: а - величина вертикальной составляющей скорости вдоль линии 1 (над ВОП-3); б - величина вертикальной составляющей скорости вдоль линии 2 (под ВОП-3); в - величина модуля скорости вдоль линии 1; г - величина модуля скорости вдоль линии 2; вертикальный размер ячейки сетки соответствует 3 м/с, горизонтальный 1 м; видно, что модуль скорости отличается от вертикальной составляющей всего на несколько м/с