Экспериментальное и теоретическое исследование поперечной силы при обтекании тел вращения под большими углами атаки

• Автор: Гумеров, Анвар Василович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 159 с. : ил.

Введение
Глава 1. Поперечная сила на осесимметричных телах, обтекаемых под большими углами атаки
1.1 Обзор экспериментальных исследований
1.2 Обзор методов численного моделирования
1.3 Цели -и задачи настоящих исследований
Глава 2. Экспериментальное исследование поперечной силы при обтекании тел вращения под углом атаки
2.1 Описание экспериментальной установки
2.2 Подготовка и проведение экспериментов
2.3 Анализ результатов экспериментов
2.3.1 Модель «конус-цилиндр»
2.3.2 Модель «полусфера-цилиндр»
2.3.3 Модель «оживал-цилиндр»
2.3.4 Модели наклонных цилиндров
2.4 Визуализация вихревых структур
Глава 3. Метод сосредоточенных вихрей в расчетах обтекания
тел ращения
3.1 Общая постановка задачи гидродинамики
3.2 Зависимости угла отрыва потока от поверхности
3.2.1 Изменение угла отрыва в начале движения
3.2.2 Изменение угла отрыва относительно среднего положения
3.3 Модель сосредоточенных вихрей поперечного обтекания
кругового цилиндра
3.4 Модель сосредоточенных вихрей обтекания тел вращения
под углом атаки
3.5 Поперечная и нормальная сила сопротивления при обтекании
тел вращения под углом атаки
3.5.1 Невихревая составляющая сил
3.5.2 Вихревая составляющая сил
3.6 Исследование устойчивости симметричного развития
вихрей за круговым цилиндром
3.7 Описание вычислительной программы

Глава 4. Проведение расчетов обтекания тел вращения
4.1 Расчет поперечного обтекания кругового цилиндра
методом сосредоточенных вихрей
4.1.1 Двухвихревая модель обтекания
4.1.2 Трехвихревая модель обтекания
4.1.3 Четырехвихревая и пятивихревая модели обтекания
4.2 Расчет обтекания тела вращения под углом атаки методом сосредоточенных вихрей
4.2.1 Расчет обтекания модели Ламонта
«оживал-цилиндр» (К=2П)
4.2.2 Расчет обтекания модели Ламонта и Ханта «конус-цилиндр» (К=2П)
Заключение
Список литературы
Приложение. Акты о внедрении результатов работы

ВВЕДЕНИЕ
Достаточно давно известно, что при обтекании тел вращения под большими углами атаки формируется асимметричная вихревая система. Первоначально это явление интересовало аэродинамиков только из-за возникновения интерференции сходящих с корпуса летательного аппарата вихрей и расположенных вниз по потоку поверхностей оперения. И лишь позднее стало ясно, что формирование асимметричной вихревой системы способно индуцировать значительные по величине асимметричные нагрузки на корпус летательного аппарата даже при нулевом угле скольжения. Результаты экспериментальных исследований показали, ' что индуцированная такой вихревой системой боковая сила может по величине превосходить нормальную силу. Это в свою очередь вызывает момент рыскания, который может превосходить управляющий момент при полном отклонении руля направления. В частности замечено, что при определенных условиях движения летательного аппарата по крену может произойти внезапное изменение направления индуцированной вихревой системой боковой силы и момента рыскания на противоположное.
Предъявляемые в настоящее время к ракетам и самолетам требования по устойчивости и управляемости на больших углах атаки вынудили к проведению интенсивных исследований явлений, связанных с образованием асимметричной вихревой системы около тел вращения. Изучение довольно большого числа публикуемых работ, посвященных этой тематике, показывает, что проведение экспериментов оказывается не простым делом. Эксперименты в аэродинамических трубах указывают на высокую чувствительность ассиметричных нагрузок к микроасимметрии моделей, значению числа Рейнольдса, числа Маха, турбулентности потока в трубе и т.д. Хотя опубликованные материалы и позволяют обнаружить некоторые закономерности, связанные с рассматриваемым течением, наличие расхождений затрудняет глубокое понимание механизмов наблюдаемых

существенными являются влияние положения границ расчетной области и характера граничных условий, необходимость построения расчетной сетки и решения во всей расчетной области. Использование грубой сетки в области больших градиентов параметров течения приводит к ошибкам. Расчеты на достаточно мелкой сетке ведет к большим вычислительным затратам.
При использовании лагранжевых методов поле течения определяется на самой поверхности и в следе. Автоматическое удовлетворение условиям на бесконечности, снимает проблему с влиянием положения границ и характера граничных условий при рассмотрении задач обтекания двумерного цилиндра безграничным потоком. Недостатками лагранжевых методов это невозможность явного учета вязкости, поскольку уравнение Лапласа для потенциала скорости является следствием уравнения Эйлера, наличие ряда свободных параметров.
Эйлеровы методы основаны на решении уравнений движения невязкой или вязкой среды на разного рода сетках - конечно-разностых, конечно-элементных или конечно-объемных. Уравнения движения, могут быть записаны в компонентах скорости и, V, и давления р. При рассмотрения отрывного обтекания уравнение движения может быть сведено к переменным «функция тока |/ — завихренность со». Такое представление сочетает в себе эйлеровый и лагранжевый методы. Данная запись позволяет уменьшить размеры расчетной области без потери точности, и тем самым уменьшить вычислительные затраты.
Наиболее распространенной разновидностью лагранжевых методов являются вихревые методы, использующие в качестве особенностей разного рода распределения завихренности, моделирующие поверхность и след за ней. В рамках вихревых методов предполагается, что обтекание моделируется невязкой несжимаемое средой (число Маха = 0, число