Аэродинамические характеристики корпуса дирижабля вблизи экрана

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 138

УДК: 533.601

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРПУСА ДИРИЖАБЛЯ

ВБЛИЗИ ЭКРАНА

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

Приводятся результаты численных исследований обтекания неоперенного корпуса дирижабля установившимся равномерным турбулентным потоком вязкого воздуха вблизи экрана. Получены распределения давления в различных меридиональных и поперечных сечениях корпуса, коэффициенты сил и моментов, действующих на корпус. Выявлено заметное влияние близости экрана на аэродинамические характеристики корпуса дирижабля. Обнаружена разница в аэродинамических характеристиках корпуса дирижабля вблизи экрана в прямом и обращенном движениях.

Наблюдающийся в последнее время большой интерес к дирижаблям различного типа и назначения вызвал проведение широких научных и проектных исследований таких аппаратов. Создатели дирижаблей сталкиваются со значительными техническими проблемами различного плана: научными, проектными, конструкторскими, производственно-

технологическими и другими. Одной из наиболее важных является проблема исследования и определения аэродинамических характеристик дирижабля при взлете и приземлении, когда влияние близости земли, экранного эффекта, на его аэродинамические характеристики становится значительным. Изучению влияния близости экрана на аэродинамические характеристики различных тел посвящен ряд работ [1 - 4]. В основном в них рассматривалось влияние экрана на аэродинамику профилей, крыльев конечного размаха и самолетов различного типа.

В данной работе представлены результаты численного моделирования обтекания изолированного корпуса дирижабля (который моделировался телом вращения) вблизи плоского экрана равномерным потоком вязкого воздуха. Г ондола, консоли оперения и винтомоторная группа на корпусе отсутствовали.

Рассматривались два случая обтекания изолированного корпуса дирижабля: 1 - обтекание корпуса при его движении над неподвижным экраном ("прямое движение"); 2 - обтекание неподвижного корпуса равномерным потоком над неподвижным относительно корпуса экраном ("обращенное движение"). В обоих случаях скорость корпуса дирижабля в "прямом движении" и скорость невозмущенного потока, набегающего на корпус дирижабля в "обращенном движении", была одинаковой и составляла V¥ = 70 км/ч.

Исследования выполнены при углах атаки корпуса а = 0°, углах скольжения в = 0° 40°,

относительных расстояниях от продольной оси корпуса до экрана H = H/L = 0,15 10, где L

- длина корпуса дирижабля. Число Рейнольдса, подсчитанное по длине корпуса дирижабля и скорости V¥, составляло Re = 5,3x10 . Координаты контура корпуса в плоскости ХОУ связанной с корпусом системы координат с началом в его вершине определялись соотношениями x = L(1,8t - 0,8t2), y=2D(Vt -1 ), где t - параметр, 0 < t < 1; L - длина корпуса; D - диаметр

его миделевого сечения. Удлинение корпуса дирижабля l = L/D = 4. Координаты центра объема тела в этой системе координат были: x = 0,45L, y = 0, z = 0.

Течение около корпуса принималось турбулентным. Для решения задачи использовались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, записанные для пространственного случая течения и замкнутые моделью турбулентности "k-w" [5]. На поверхности корпуса дирижабля и экране при анализе обращенного движения 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 вблизи поверхности тела в области развитого пограничного слоя.

В результате расчетов были получены параметры потока в расчетных точках, определены распределения относительного давления р/р¥ в различных меридиональных сечениях (0° < ф < 180°) корпуса дирижабля, найдены коэффициенты сил и моментов, действующих на корпус. При расчете последних использовалась декартова система координат, начало которой помещалось в центре объема корпуса дирижабля, а ось ОХ направлялась вдоль продольной оси тела от носка корпуса к его кормовой части. Коэффициенты аэродинамических сил

2/3

были отнесены к W , где W - объем корпуса. Коэффициенты моментов были подсчитаны относительно центра объема корпуса и отнесены к его объему W.

На рис. 1 - 4 показаны примеры результатов расчета при различных относительных расстояниях корпуса дирижабля от экрана 0,15 < H < 10.

На рис. 1 - 2 для случая а = 0, Р = 0 и фиксированных значений параметра H представлены примеры численного исследования распределения относительного давления р/рда по корпусу дирижабля в его различных меридиональных сечениях. Справа на этих рисунках приведены значения угла ф, характеризующего положение меридионального сечения корпуса.

Рис. 1. Примеры распределения давления по различным меридиональным сечениям (ф = уаг) корпуса дирижабля в прямом движении при Н = 10,(а) и Н = 0,15, (б); а = 0, Р = 0

а) б)

Рис. 2. Примеры распределения давления по различным меридиональным сечениям (ф = уаг) корпуса дирижабля в обращенном движении при различных Н = 10, (а) и Н = 0,15, (б); а = 0, Р = 0

Рис. 3. Примеры распределения давления по различным меридиональным сечениям (ф = уаг) корпуса дирижабля в прямом движении при различных Н ; а = 0, в = 0

Рис. 4. Примеры распределения давления по различным меридиональным сечениям (ф = уаг) корпуса дирижабля в обращенном движении при различных Н ; а = 0, в = 0

Угол ф = 0 определял точки обвода корпуса в его плоскости симметрии, перпендикулярной экрану, расположенные с противоположной стороны от экрана. На рис. 1 приведены результаты расчетов в случае прямого движения, на рис. 2 - в случае обращенного движения. Аналогичные данные для случая а = 0, в = 0 и фиксированных значений меридионального угла ф представлены на рис. 3 - 4. На этих рисунках справа приведены значения параметра

Н, использованные в расчетах. На рис. 3 представлены расчеты для случая прямого движения корпуса, на рис.4 - для обращенного.

Видно, что принципиальной разницы в распределениях давления по корпусу в конкретном меридиональном сечении при ф = со^ и Н = со^ в прямом и обращенном движениях корпуса дирижабля не наблюдается. На лобовой поверхности корпуса величина давления из-за увеличения скорости потока, начиная от передней критической точки, быстро падает, достигает минимума в области между носовой и центральной частями корпуса, а в кормовой части растет. Из-за влияния пограничного слоя величина давления в кормовой критической

точке оказывается меньше ее значения в передней критической точке. При Н = 10 и а = 0, в = 0 распределение давления по корпусу (рис. 1а и рис. 2а) не зависит от величины угла ф.

Это означает, что при таком значении параметра Н аэродинамические характеристики корпуса дирижабля можно считать соответствующими случаю неограниченного потока. Вообще

говоря, влияние параметра Н на распределение относительного давления р/рда по углу ф становится заметным лишь при Н < 5. Этот вывод подтверждается и результатами расчета аэродинамических характеристик (рис. 5 - 6).

При Н < 5 величина относительного давления р/рда в данной точке корпуса даже при а = 0, в = 0 зависит от угла ф и относительного расстояния продольной оси корпуса от экрана

Н. Наиболее сильно это проявляется при малых относительных расстояниях, характеризующих положение корпуса дирижабля относительно экрана. Наименьшая величина давления достигается при ф = 180° на стороне корпуса дирижабля, обращенной к экрану. Из графиков рис. 1 - 4 видно, что точка минимума давления при уменьшении параметра Н от 10 до 0,15 смещается с носовой части корпуса (х/Ь ~ 0,17) в его центральную часть (х/Ь ~ 0,37). Это имеет место как в прямом, так и в обращенном движениях. Распределение давления по кормовой части корпуса слабо зависит от изменения вида движения, величин угла ф и параметра Н.

На рис. 5 приведены зависимости коэффициентов аэродинамических сил и момента тангажа корпуса от его относительного расстояния Н до экрана. Данные получены при углах а = 0, в = 0 для случаев прямого и обращенного движений. Видно, что наибольшее влияние близости экрана на аэродинамические характеристики корпуса наблюдается при сравнительно небольших и малых расстояниях от него до экрана (Н < 5). Отметим, что при таких относительных расстояниях корпуса от экрана на корпус помимо продольной силы действуют

отличные от нуля нормальная сила и момент тангажа. При этом зависимости сх, су, ш2 = Д Н ) оказываются существенно нелинейными.

Влияние экрана на коэффициент продольной силы проявляется на значительных расстояниях корпуса от экрана. Видно, что при Н < 1,5 с ростом этого параметра коэффициент продольной силы сх увеличивается и достигает максимальной величины при относительном

расстоянии до экрана Н= 1,5. При Н > 1,5 с увеличением Н значения коэффициента сх медленно уменьшаются и стремятся к своему значению в безграничном потоке. При всех относительных расстояниях корпуса от экрана величины коэффициента продольной силы корпуса в обращенном движении оказываются больше, чем в прямом движении. Но их разница

уменьшается с увеличением относительного расстояния Н. При Н = 5 коэффициенты продольной силы в прямом и обращенном движении оказываются практически одинаковыми.

Как уже указывалось выше, только при таком значении параметра Н коэффициенты продольной силы можно считать независящими от расстояния до экрана.

Рис. 5. Зависимости коэффициентов аэродинамических сил и момента тангажа корпуса дирижабля от относительного расстояния Н; а = 0, в = 0; 1 - обращенное движение, 2 - прямое движение

При малых относительных расстояниях Н изменение вида движения тоже сильно влияет

и на величины коэффициентов нормальной силы су и момента тангажа ш2 корпуса. При Н < 1

коэффициенты нормальной силы отрицательны. При таких значениях параметра Н величины модуля коэффициентов нормальной силы су в прямом движении оказываются существенно

меньше их значений в обращенном движении. С ростом параметра Н разница в коэффициентах нормальной силы, полученных в прямом и обращенном движениях, уменьшается. При Н > 1 величины коэффициентов су в прямом и обращенном движениях практически совпадают.

Наиболее сильно расстояние от корпуса до экрана влияет на величины коэффициентов момента тангажа. Из графиков рис. 5 видно, что зависимости момента тангажа корпуса изменяются нелинейным образом по относительному расстоянию корпуса от экрана как в прямом, так и в

обращенном движениях. В случае обращенного движения при Н< 0,35 коэффициент момента тангажа является положительным. Уменьшение относительного расстояния Н приводит к появлению момента тангажа на пикирование, тем большего, чем больше значение параметра Н . Наоборот, при Н> 0,35 на корпус действует момент на кабрирование. В случае прямого движения моменты на пикирование имеют место при Н < 0,8, а при Н > 0,8 - на кабрирование. При

этом максимальные величины моментов тангажа на кабрирование достигаются в случае обращенного движения при Н = 1,5, а в случае прямого движения при Н = 1,0.

Приведенные на рис. 5 данные могут быть использованы для определения в первом приближении поправок к результатам весового эксперимента в аэродинамических трубах для корпусов дирижаблей вблизи неподвижного по отношению к корпусу экрана.

На рис. 6 представлены зависимости от угла скольжения коэффициентов сил и моментов, действующих на корпус дирижабля в прямом движении при различных относительных расстояниях корпуса от экрана. Углы атаки корпуса в данном исследовании были равны нулю. Наблюдается значительное и нелинейное изменение по углу скольжения величин коэффициентов аэродинамических сил и моментов, действующих на корпус дирижабля вблизи экрана.

Т---------г---------1--------.---------1--------.-------1----------1--------1—

О 10 20 30 40

Р

Рис.6. Зависимости коэффициентов аэродинамических сил и моментов корпуса дирижабля от угла скольжения в и расстояния до экрана; прямое движение, а = 0

Рост угла скольжения вызывает падение величин коэффициентов продольной силы при всех исследованных относительных расстояниях корпуса от экрана. При этом приближение корпуса к экрану приводит к более быстрому падению величин коэффициентов продольной силы по углу скольжения. В диапазоне углов скольжения в = 28° 36°, зависящих от рас-

стояния корпуса от экрана, коэффициенты сх отрицательны.

Отметим одну особенность аэродинамики корпуса дирижабля, движущегося вблизи экрана при нулевом угле атаки со скольжением. В этих условиях вблизи экрана на корпус могут действовать нормальная сила и момент тангажа, что свидетельствует о потере симметрии обтекания и распределения давления по корпусу вблизи экрана относительно плоскости изменения его углов скольжения (в рассматриваемом случае она параллельна экрану).

Из графика зависимости су = Г(в, Н ) на рис. 6 видно, что коэффициент нормальной силы

ведет себя сложным образом по углу скольжения и параметру Н. Его величины сильно зависят от относительного расстояния корпуса дирижабля от экрана и величины угла скольжения

в. При углах в < 30° и значениях параметра Н < 1 на корпус действует отрицательная нормальная сила. Увеличение относительного расстояния корпуса от экрана при таких значениях в быстро уменьшает модуль коэффициента этой силы. При Н = 5 он практически оказывается равным нулю. При в > 30° изменение коэффициентов су по углу скольжения еще

сильнее зависит от величины параметра Н . При малых значениях этого параметра

(Н < 0,25) увеличение угла скольжения приводит к росту величин коэффициентов су. При в > 30° они становятся положительными и тем большими, чем меньше величина параметра

Н. При Н > 0,25 с ростом угла скольжения значения коэффициентов су уменьшаются.

Влияние удаления корпуса от экрана на зависимость коэффициента момента тангажа от

угла скольжения также оказалось значительным. При Н < 0,5 уменьшение относительного расстояния корпуса от экрана приводит к появлению момента тангажа на пикирование, тем

большего, чем больше значение угла р. Наоборот, при Н > 0,5 увеличение угла скольжения приводит к появлению момента на кабрирование. Величина модуля этого момента растет с

увеличением угла скольжения. При Н > 5 моменты тангажа близки к нулю.

Наличие скольжения у корпуса приводит к возникновению поперечной силы и момента рыскания, действующих на корпус дирижабля. Изменение коэффициентов этой силы и момента по углу скольжения носит такой же характер, как и изменение коэффициентов нормальной силы и момента тангажа тел вращения по углу атаки при отсутствии скольжения, и связано с формированием вихрей вблизи подветренной стороны корпуса. При всех относительных расстояниях корпуса от экрана коэффициент поперечной силы оказался положительным и увеличивающимся с ростом угла скольжения. На рис. 6 видно, что уменьшение относительного расстояния корпуса дирижабля от экрана приводит к более интенсивному росту коэффициентов поперечной силы с увеличением угла скольжения.

Зависимость коэффициента момента рыскания от угла скольжения шу = Г(в) имеет нелинейный характер. Абсолютные значения коэффициентов моментов рыскания растут при увеличении угла скольжения и уменьшении параметра Н .

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., Семенчиков Н.В., Яковлевский О.В. и др.; Под ред. Г. А. Колесникова. - М.: Машиностроение, 1993.

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

THE AIRSHIP BODY AERODYNAMIC CHARACTERISTICS IN GROUND PROXIMITY

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

The numerical researches of a viscous air flow around a smooth body of airship at various angles of yaw in ground proximity are resulted. The pressure distributions and coefficients of forces and moments are received. The appreciable influence of dimensionless distance between body and ground surface on the aerodynamic characteristics of a body is found.

Сведения об авторах

Семенчиков Николай Витальевич, 1941 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1964), кандидат технических наук, профессор кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ им. С. Орджоникидзе (ГТУ), автор 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), аспирант кафедры аэродинамики летательных аппаратов МАИ им. С. Орджоникидзе (ГТУ), автор 7 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 им. С. Орджоникидзе (ГТУ), автор более 120 научных работ, область научных интересов - турбулентные струйные течения, аэроакустика, аэродинамика летательных аппаратов и промышленная аэродинамика.