Аэродинамические характеристики дирижабля в неравномерном потоке вблизи экрана

2010

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 151

УДК: 629.735.015

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИРИЖАБЛЯ В НЕРАВНОМЕРНОМ ПОТОКЕ ВБЛИЗИ ЭКРАНА

Н.В. СЕМЕНЧИКОВ, ЧЖОУ ЦЗЯНЬХУА, О.В. ЯКОВЛЕВСКИЙ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Приводятся результаты численных исследований обтекания оперенного корпуса дирижабля неравномерным потоком вязкого воздуха вблизи земной поверхности. Получены структуры обтекания, распределение давления по дирижаблю, коэффициенты сил и моментов, действующих на дирижабль. Выявлено заметное влияние неравномерности потока и близости земли на аэродинамические характеристики оперенного корпуса дирижабля.

Ключевые слова: аэродинамические характеристики, дирижабль вблизи экрана, оперение.

Практика эксплуатации дирижаблей в прошлом и в наши дни показывает, что большинство аварий дирижаблей происходит вблизи земной поверхности: при швартовке и стоянке на причальной мачте, вводе (выводе) в эллинг, маневрировании над аэродромом и пр. В этих условиях дирижабль может попасть в неравномерный по высоте воздушный поток. Эта неравномерность может заметно повлиять на аэродинамические характеристики дирижабля и показатели его устойчивости и управляемости.

Изучению влияния близости земли на аэродинамические характеристики различных тел посвящен ряд работ, например, [1 - 4]. В основном в них рассматривалось влияние земли на аэродинамику профилей, крыльев конечного размаха и самолетов различного типа.

В данной статье представлены результаты численного моделирования обтекания оперенного корпуса дирижабля неравномерным потоком вязкого газа вблизи земной поверхности.

Объектом исследования являлся оперенный корпус дирижабля. Он представлял собой гладкое тело вращения, координаты которого в плоскости ХОУ, связанной с ним системы координат с началом в вершине тела, определялись соотношениями:

x = L

где t - параметр, 0 < t < 1; L - длина тела; D - диаметр его миделевого сечения. Удлинение тела в расчетах было равно Хф = L/D = 4,0. В указанной системе координат центр объема тела определялся координатами: x = 0,45L, y = 0, z = 0. Консоли оперения дирижабля имели симметричный профиль NACA 0008, трапециевидную форму в плане, удлинение Х = 1,395, сужение пк = 1,5, угол стреловидности по передней кромке Хпк = 37°. Относительная площадь двух консолей

оперения с учетом их подфюзеляжной части составляла S = 8/8м = 0,925, где Бм - площадь миделевого сечения корпуса. Консоли оперения были ориентированы по схеме "х" относительно плоскости изменения углов скольжения дирижабля. Относительное расстояние вершины бортовой хорды консолей от носка корпуса составляло x к = x к /L = 0,767. Гондола и винтомоторная группа на корпусе с оперением отсутствовали, а рули находились в неотклоненном положении.

В расчетах скорость натекающего на дирижабль неравномерного потока вязкого газа изменялась по закону:

V» = V10

где V10 - скорость воздушного потока на высоте 10 м над землей; z - высота, характеризующая расположение центра объема корпуса дирижабля над земной поверхностью, а - числовой параметр. Данное распределение скоростей моделирует закон изменения по высоте осредненной скорости ветра в приземном пограничном слое, принятый в СНИП Российской Федерации [5]. Параметр а зависит от турбулентности приземного слоя и определяется типом земной поверх-

ности. Для открытой местности без строений и деревьев обычно принимают а = 0,16 [5]. Скорость на высоте 10 м в расчетах была принята равной У10 = 5 м/с.

Помимо обтекания дирижабля неравномерным потоком для сравнения и выявления влияния неравномерности потока численно исследовалось обтекание и аэродинамические характеристики дирижабля при его движении над земной поверхностью в первоначально спокойной атмосфере (в дальнейшем этот случай будем называть "прямым движением" в спокойной атмосфере). При этом скорость поступательного движения центра объема корпуса на высоте Н принималась равной Уда, подсчитанной по формуле (2).

В обоих случаях исследования выполнены при углах атаки корпуса а = 0, углах скольжения Ь = 0° 40°, относительных расстояниях от центра объема корпуса до земной поверхности

Н = Н/Ь = 0,2 8, где Ь - длина корпуса дирижабля. Число Рейнольдса, подсчитанное по длине

корпуса дирижабля и скорости У10, составляло Яе = 1,84х107.

Течение около дирижабля предполагалось турбулентным. Для решения задачи использовались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, записанные для пространственного случая течения и замкнутые модифицированной моделью турбулентности "к-е" [6]. На поверхности корпуса дирижабля и на земной поверхности ставилось условие прилипания. Задача решалась численно. Расчетная сетка имела блочную структуру. Структура счетной области выбиралась из условия минимизации количества ячеек, форма которых ухудшала сходимость и аппроксимацию. Для достоверного определения газодинамических параметров сетка была адаптирована к особенностям течения и имела сгущение в области развитого пограничного слоя на теле.

В результате расчетов были получены параметры потока в расчетных точках и определены структуры течения, найдено распределение коэффициентов давления в различных меридиональных и поперечных сечениях (0 < ф < 180°) дирижабля, рассчитаны коэффициенты аэродинамических сил и моментов, действующих на дирижабль. При определении последних использовалась связанная декартова система координат, начало которой помещалось в центре объема корпуса дирижабля, а ось ОХ направлялась вдоль продольной оси тела от носка корпуса в сторону его кормовой части. Коэффициенты аэродинамических сил были отнесены к W (где W -объем корпуса) и скоростному напору, который соответствовал скорости на линии, проходящей через центр объема корпуса дирижабля. Коэффициенты аэродинамических моментов подсчитывались по моментам относительно центра объема корпуса и относились к его объему W.

На рис. 1 показаны примеры распределения давления в меридиональных сечениях корпуса дирижабля, обтекаемого равномерным потоком при различных относительных расстояниях его центра от земной поверхности (0,2 < И < 8). Справа на этих рисунках приведены значения угла Ф, характеризующего положение меридионального сечения корпуса. Угол Ф = 0 определял точки обвода корпуса в его плоскости симметрии, перпендикулярной земле, расположенные с противоположной стороны от земли.

с

1.2-

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

-0.4

00

— Л — 22.50

V — 67.50

— О — 90°

—<]— 112.50

— [>— 157.5°

о 180°

0.4 0.6 0.8

Х/Ь

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

-0.4

-о- 0°

—д— 22.5°

—V— 67.5°

—о— 90°

—<] — 112.5°

157.5°

— О — 180°

0.4 0.6

Х/Ь

а б

Рис. 1. Примеры распределения коэффициента давления по различным меридиональным сечениям (Ф = уаг) оперенного корпуса дирижабля при Н = 8 (а) и Н = 0,2 (б); а = 0, в = 0

с

Н=8Ь

Н=0.2Ь

0.0

0.2

1.0

0.0

0.2

0.8

1.0

Видно, что вблизи земли (H= 0,2) при нулевых углах атаки и скольжения распределение давления по корпусу теряет осевую симметрию и, следовательно, на дирижабль действует не только продольная сила, но и нормальная сила и момент тангажа. При H/L = 8 распределение давления очень близко к осесимметричному и нормальная сила и момент тангажа практически нулевые (рис. 3).

Распределение давления по дирижаблю при Ф = const сильно зависит от близости земли, в чем можно убедиться на примере графиков, представленных на рис. 2. Как видно из этих материалов, наиболее сильно изменяются под воздействием близости земли величины давления в окрестности оперения.

C 1.2-1p

1.0-

0.8

0.6-

0.4-

0.2-

0.0

-0.2-

-0.4

Ф=0°

H=0.2L

— А — H=0.25L

—V— H=0.5L

—о— H=0.75L

—о — H=1 L

— о— H=3L

— 0 — H=5L

H=8L

C

1.2- p — a— H=0.2L

0 О 0\ II 0 — Д— H=0.25L

1.0- 1 — v— H=0.5L

0.8- 1 — o— H=0.75L

$ — h = 1L

0.6- £ — H=3L

0.4- I — a— h=5L

X j&r — H=8L

0.2-

-0.2

-0.4-

0.0

0.2

0.4 0.6

X/L

0.8

1.0

C

1.2- p — О— H=0.2L

- F=180o — д— H=0.25L

1.0- 1 — v— H=0.5L

0.8- 1 —o— H=0.75L

1 —H=1L

0.6- X — H=3L

0.4- 1 — o— H=5L

а Ш — H=8L

0.2- % ж

-0.2

-0.4

X/L

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

X/L

Рис. 2. Примеры распределения коэффициента давления по различным меридиональным сечениям (Ф = уаг) корпуса е дирижабля при различных Н ; а = 0, в = 0

0.0

0.4

0.8

Наблюдается существенное различие в аэродинамических характеристиках в прямом движении дирижабля над неподвижным экраном и в случае, когда равномерный поток набегает над таким экраном на дирижабль (рис. 3); эта разница зависит от наличия оперения на корпусе.

Полученные материалы и аналогичные им могут быть использованы для определения поправок к результатам экспериментальных исследований дирижабля над неподвижным экраном в аэродинамических трубах.

Неравномерность натекающего на дирижабль потока вблизи экрана сильно влияет на структуру течения в окрестности дирижабля и его аэродинамические характеристики.

Под влиянием неравномерности потока изменяется картина линий тока в окрестности дирижабля как при малых (когда обтекание дирижабля безотрывное), так и при больших углах скольжения (когда оно является отрывным) (рис. 4).

На небольших расстояниях от экрана даже в прямом движении дирижабля в спокойной атмосфере при отрывном обтекании вихревая система дирижабля асимметрична относительно плоскости углов скольжения. Если же поток, натекающий на дирижабль, является неравномерным, существенно изменяются расположение и интенсивность вихрей, формирующихся вблизи его подветренной стороны, и асимметрия течения в окрестности дирижабля усиливается.

Распределение давления по поперечным сечениям дирижабля оказывается неодинаковым в прямом движении дирижабля в спокойной атмосфере и при натекании на дирижабль вблизи экрана неравномерного потока (рис. 5). Это приводит к тому, что суммарные аэродинамические характеристики в этих случаях также заметно различаются (рис. 6, 7).

Влияние неравномерности потока при малых углах скольжения дирижабля сильно зависит от расстояния центра объема его корпуса до экрана (рис. 6).

С

0,040 Н

0,038

0,036

0,034

- прямое движение

- обращенное движение

с

0,00-

-0,03-

-0,06-

-0,09-

0

Н/Ь

-

Г"

-

—— прямое движение —— обращенное движение

т

0,012-

0,008-

0,004-

0,000-

0

8 Н/Ь

—— прямое движение -—— обращенное движение -

\

=И==! і  -

О

н/ь

с

У

0,000

-0,015-

-0,030-

- прямое движение

- обращенное движение

т

0,000-

-0,005-

-0,010-

8 Н/Ь

1 -

1

—— прямое движение —— обращенное движение

б

8 Н/Ь

Рис. 3. Аэродинамические характеристики неоперенного (а) [7] и оперенного (б) корпуса дирижабля при его движении в спокойной атмосфере над неподвижным экраном,

а = в = 0, Яе = 5,3х106

Н/Ь = 0,2; р = О

Н/Ь = 0,2; в = 30° а б

Рис. 4. Картины линий тока в окрестности оперенного корпуса дирижабля: а - при его движении над неподвижным экраном в спокойной атмосфере; б - и при натекании неравномерного потока на дирижабль при различных углах скольжения

а

с

Н/Ь = 0,2; р = 0

Н/Ь = 0,2; Р = 30е

б

Рис. 5. Распределение давления в различных поперечных сечениях дирижабля: (а) - х = 0,3Ь, (б) - х = 0,9Ь; 1 - прямое движение в спокойной атмосфере,

2 - натекание неравномерного потока на дирижабль

с

0.055

0.050-

0.045-

0.040-

0.035-

1 1 0 < 1 1 С у

0.02- /ЛЛ^ 1 1 0 < 1 1

1 .

2 3 4 5

И/Ь

6 7 8 9

0.00

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08

0123456789

И/Ь

б

Рис. 6. Зависимости коэффициентов аэродинамических сил и момента тангажа оперенного корпуса дирижабля от относительного расстояния от дирижабля до земной поверхности; а = р = 0°, Яе = 1,38х106; 1 - прямое движение дирижабля в спокойной атмосфере,

2 - натекание неравномерного потока на дирижабль

Например, при Н < 1 в неравномерном потоке по сравнению со случаем движения дирижабля в первоначально спокойной атмосфере существенно растут значения его коэффициента

а

0 1

а

т

в

продольной силы Сх и могут изменяться не только величины коэффициентов нормальной силы Су и момента тангажа ш2, но и их знаки.

Различия оказываются столь же большими и при движении дирижабля (или натекании потока на дирижабль) при больших углах скольжения (рис. 7). В наибольшей степени они наблюдаются у коэффициентов продольной силы, момента крена и момента тангажа. Например, в неравномерном потоке вблизи экрана при в < 10° различны не только величины, но и знаки коэффициентов ш2. При больших углах скольжения (в = 40°) знаки коэффициента момента тангажа одинаковы, но его величина при натекании на дирижабль неравномерного потока уменьшается более чем вдвое по сравнению со случаем движения дирижабля вблизи экрана в первоначально спокойной атмосфере.

Рис. 7. Сравнение аэродинамических характеристик дирижабля вблизи экрана в прямом движении в спокойной атмосфере (светлые символы) и при натекании на дирижабль неравномерного потока (зачерненные символы); а = 0°, И/Ь = 0,2, Яе = 1,38х106

Влияние неравномерности потока на аэродинамические силы и моменты дирижабля сильно зависит не только от относительного расстояния до экрана, но и от величины угла скольжения дирижабля в. На рис. 8 представлены результаты исследований совместного влияния этих факторов на аэродинамические характеристики дирижабля. Углы атаки корпуса в данном исследовании были равны нулю. При всех относительных расстояниях И = И/Ь дирижабля от земной поверхности наблюдается значительное и нелинейное по углу скольжения изменение величин коэффициентов его аэродинамических сил и моментов.

Рост угла скольжения вызывает падение величин коэффициентов продольной силы при всех исследованных относительных расстояниях корпуса от земли. Приближение корпуса к земле приводит к более быстрому падению величин коэффициентов продольной силы по углу скольжения. В диапазоне углов скольжения в = 36° 39° коэффициенты Сх становятся отрица-

тельными.

Появляющаяся вблизи экрана и вследствие влияния неравномерности потока нормальная сила изменяется сложным образом по углу скольжения и параметру И (рис.8). При углах

в < 30° и значениях параметра И < 0,2 на корпус действует отрицательная нормальная сила. Возрастание относительного расстояния корпуса от земли при таких значениях в быстро увеличивает коэффициент этой силы, и при И = 0,5 он достигает наибольшей положительной вели-

чины. При И = 8 коэффициент Су оказывается практически равным нулю. При в > 30° изменение коэффициентов Су по углу скольжения еще сильнее зависит от величины параметра И . При малых значениях этого параметра (И < 0,2) увеличение угла скольжения приводит к росту величин коэффициентов Су. При в > 31° они становятся положительными.

с

1.2-

1.0

0.8-

0.6-

0.4

0.2-

0.0-

д

Н=0.2Ь

Н=0.251_

Н=0.51_

Н=11_

н=зі_

Н=81_

т.

0.020

0.016

0.012

0.008

0.004

0.000

-0.004

т

0.08-,

0.06

0.04

0.02

0.00

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08

-0.10

20 30

Р

20 30

Р

Н=0.21_

Н=0.251_

Н=0.51_

Н=11_

Н=31_

Н=81_

Н=0.21_

Н=0.251.

Н=0.51_

Н=11_

Н=ЗЬ

Н=8Ь

Рис. 8. Зависимости коэффициентов аэродинамических сил и моментов оперенного корпуса дирижабля от угла скольжения в и расстояния до земли; а = 0

При скольжении на дирижабль действуют поперечная сила и момент рыскания. Изменение коэффициентов этой силы и момента рыскания по углу скольжения носит такой же характер, как и изменение коэффициентов нормальной силы и момента тангажа дирижабля по углу атаки при отсутствии скольжения, и связано с формированием вихрей вблизи подветренной стороны корпуса. При всех относительных расстояниях корпуса от земли коэффициент поперечной силы оказался положительным и увеличивающимся с ростом угла скольжения. Из графиков на рис. 8 видно, что уменьшение относительного расстояния корпуса дирижабля до земли приводит при увеличении угла скольжения к росту значений коэффициентов поперечной силы и моментов рыскания. Но при этом характер зависимостей С7 = А(Р) и Шу = ДР) не изменяется.

Влияние угла скольжения дирижабля на величины его коэффициента момента крена Шх зависит от относительного расстояния дирижабля до земной поверхности (рис. 8г). При И < 0,25 увеличение угла скольжения вызывает рост коэффициента шх при всех значениях угла скольжения. При И > 0,5 коэффициенты Шх имеют максимум, величина которого падает с ростом значений И , для в > 30° при таких И коэффициенты шх становятся отрицательными.

б

а

в

г

е

Изменение коэффициента момента тангажа ш2 по углу скольжения для всех относительных расстояний И оказывается сложным. Видно, что при И > 0,25 и в < 10° вблизи земли коэффициенты момента тангажа ш2 положительны и действуют на пикирование. При И = 0,25 они

растут с увеличением углов скольжения и при в > 20°. При в > 20° и 0,25 < И < 1 моменты тангажа являются моментами на кабрирование, причем их величины сильно растут с увеличением

в и И . При И > 3 моменты тангажа при всех в незначительны.

Отмеченные факторы необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации дирижаблей. Например, при выборе силовой установки необходимо, учитывая влияние неравномерности потока, увеличивать ее мощность примерно на 30 %. С точки зрения устойчивости и управляемости дирижабля при проектировании его рулей необходимо принимать во внимание дополнительные силы и моменты, а также их сложное изменение по высоте и углам ориентации дирижабля в неравномерном потоке вблизи земной поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. - М.: Наука, Физматлит, 1978.

2. Аубакиров Т.О., Белоцерковский С.М., Желанников А.И., Ништ М.И. Нелинейная теория крыла и ее приложения. - Алматы: Гылым, 1997.

3. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов / под ред. Г. С. Бюшгенса. - М.: Наука, Физматлит, 1998.

4. Аэродинамика летательных аппаратов / Колесников Г.А., Семенников Н.В., Яковлевский О.В. и др. / под ред. Г. А. Колесникова. - М.: Машиностроение, 1993.

5. Динамический расчет зданий и сооружений: Справочник проектировщика. - М.: Стройиздат, 1984.

6. Бондарев Е.Н., Дубасов В.Т., Рыжов Ю.А., Свирщевский С.Б., Семенчиков Н.В. Аэрогидромеханика. -М.: Машиностроение, 1993.

7. Семенчиков Н.В., Чжоу Цзяньхуа, Яковлевский О.В. Аэродинамические характеристики корпуса дирижабля вблизи экрана // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 138(1), 2009.

AIRSHIP AERODYNAMIC CHARACTERISTICS IN A NONUNIFORM FLOW NEAR A SCREEN

Semenchikov N.V., Zhou Jianhua, Yakovlevsky O.V.

The results of numerical researches of a viscous air turbulent flow around an airship are resulted in a not uniform flow near a screen. The flow structures and coefficients of aerodynamic forces and moment are received. The appreciable influence of a dimensionless distance between airship and screen (ground surface) and a nonuniformity of flow on the aerodynamic characteristics of the airship is found.

Сведения об авторах

Cеменчиков Николай Витальевич, 1941 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1964), кандидат технических наук, профессор кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), автор более 120 научных работ, область научных интересов - вихревые, струйные и отрывные течения, аэродинамика летательных аппаратов.

Чжоу Цзяньхуа, 1977 г.р., окончил Пекинский аэрокосмический университет (2002, КНР), магистр аэродинамики, аспирант кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), автор 10 научных работ, область научных интересов - аэродинамика летательных аппаратов.

Яковлевский Олег Васильевич, 1932 г.р., окончил МФТИ (1955), кандидат технических наук, профессор кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ (ГТУ), автор более 130 научных работ, область научных интересов - турбулентные струйные течения, аэроакустика, аэродинамика летательных аппаратов и промышленная аэродинамика.