Управление сверхзвуковым и трансзвуковым обтеканием тел с помощью локального теплоподвода и мини-щитков

• Автор: Стародубцев, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 92 с. : ил.

I. Управление сверхзвуковыми течениями с помощью локального подвода тепла
1.1 Постановка задачи
1.2 Описание численного метода
1.3 Обтекание изолированного тела
1.4 Обтекание тела при наличии падающей косой ударной волны
Заключение
II. Управление трансзвуковым обтеканием аэродинамического профиля с помощью теплоподвода
2.1 Исходные уравнения, граничные условия и описание численного метода
2.2 Расчетная сетка
2.3 Верификация численного метода
2.4 Подвод тепла вне пограничного слоя
2.5 Подвод тепла внутри пограничного слоя
Заключение
III. Управление трансзвуковым обтеканием аэродинамического профиля с помощью мини-щитков
3.1 Постановка задачи
3.2 Мини-щиток на задней кромке профиля
3.3 Смещение мини-щитка вверх по потоку
Заключение
Основные результаты работы
Список литературы

Аэродинамика крыла интенсивно исследуется с первых дней зарождения авиации, и на протяжении всей своей столетней истории совершенствование внешней аэродинамики летательных аппаратов осуществляется главным образом путем изменения формы поверхности. Фундаментальные исследования влияния формы обтекаемых тел на их аэродинамические характеристики позволили создать обширный арсенал практических средств обеспечивших высокое аэродинамическое совершенство современных летательных аппаратов. Однако дальнейший прогресс идет все медленнее и требует все больших усилий и затрат. Поэтому, все большее внимание исследователей уделяется поиску новых, нестандартных методов управления течениями (МГД воздействие, подвод тепла в поток, нагревание и охлаждение обтекаемой поверхности, вдув и отсос пограничного слоя и т.д.).
Вообще, задача отыскания оптимальных методов управления течениями состоит в нахождении таких мест в рассматриваемом течении и таких свойств этих течений, применение к которым тех или иных управляющих воздействий ведет к максимальной перестройке течения и аэродинамических характеристик обтекаемого аппарата в желаемом направлении. К числу таких “чувствительных” свойств течений относятся, например, устойчивость течения, ламинарно-турбулентный переход, бифуркация, смена режима взаимодействия скачков уплотнения, смена режима отражения скачков от стенки и некоторые другие.
Так, например, в пограничном слое охлаждение обтекаемой стенки или соответствующий подвод тепла в пограничный слой вблизи передней кромки посредством нагревания поверхности ведет к увеличению устойчивости слоя и затягиванию перехода к турбулентному течению [1,2].
Другим примером воздействия на течение возле тела является подвод тепла в набегающий газ, К настоящему времени и теоретически, и экспериментально продемонстрирована возможность существенного уменьшения сопротивления

путем энергоподвода в набегающий поток в некоторой области перед телом [3-16]. Помещенный в набегающий поток источник тепла создает след с повышенной температурой и пониженной плотностью. Скорость и давление потока изменяются незначительно, так что числа Маха в следе меньше, чем в остальном набегающем потоке. Если поперечный размер следа охватывает обтекаемое тело, то сопротивление тела уменьшается из-за уменьшения скоростного напора. Указанный механизм воздействия теплоподвода обладает и другим важным для разработчиков сверхзвуковой авиации свойством -возможностью использования теплоподвода для борьбы со звуковым ударом [17-20]. Тем не менее, простые оценки и ряд численных расчетов [21, 22] показывают энергетическую неэффективность такого подхода. В этом случае, энергия, вложенная в источник тепла, оказывается больше экономии энергии идущей на преодоление аэродинамического сопротивления.
В то же время оценки указывают на энергетически выгодное уменьшение сопротивления для локализованного теплоподвода, когда источник тепла воздействует на течение посредством развития предвестника [23], механизм которого в работах [24-28] именуется как “тепловая игла”. Действительно, наличие небольшого источника тепла на линии тока, идущей в критическую точку тела, уменьшает давление в этой точке, что, при достаточной интенсивности источника тепла, приводит к образованию зоны замедленного течения или отрывной застойной области перед телом, заменяющую собой физическую иглу перед телом, которая, как уже давно известно, при сверхзвуковых скоростях набегающего потока уменьшает сопротивление. Данный подход дает высокую энергетическую эффективность для плохо обтекаемых тел (например: цилиндр, сфера и т.п.), в то же время для хорошо обтекаемых тел практическая организация энерго-эффективного уменьшения сопротивления значительно сложнее и более проблематична. Кроме того, подвод тепловой энергии ведет не только к уменьшению сопротивления летательного аппарата, но и к увеличению тепловых нагрузок действующих на поверхность обтекаемого тела [5, 17].

і Без подвода тепла С подводом тепла
Рис. 2.11 Поле чисел Маха, давление и коэффициент трения при теплоподводе в точке 5.