Физико-математическая модель вихревого следа самолета в турбулентной атмосфере

• Автор: Вышинский, Виктор Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 278 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА I ВИХРЕВОЙ СЛЕД САМОЛЕТА В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

1.1. Двумерная турбулентность

1.2. Использование статистики летных происшествий, связанных с попаданием в след, при

разработке математических моделей

1.3. Вихревая структура волнородном поле турбулентности

1.4. Вихревой кластер в неоднородном поле турбулентности

1.4.1. Сдвиговый ветер и струйные течения в атмосфере

1.4.2. Стратификация атмосферы

1.5. Атмосферная турбулентность при численном моделировании
1.6. Возмущения траектории самолета при полете в турбулентной атмосфере
1.6.1. Расчет динамических нагрузок, действующих на конструкцию самолета при полете в
турбулентной атмосфере
1.6.2. Экспериментальные исследования колебаний упругой модели при воздействии на нее
порывов в потоке аэродинамической трубы
1.7. Измерение параметров вихревого следа в летном эксперименте
Заключение
ГЛАВА II ПРИБЛИЖЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ
ВИХРЕВОГО СЛЕДА В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ
2.1. Аэродинамическая модель самолета и его вихревая система в ближнем поле
2.1.1. Математическое моделирование вихревой структуры самолета в ближнем поле в рамках
панельного метода
2.1.2. Влияние законповок крыла на структуру и время жизни вихревого следа за самолетом
2.2. Модель дальнего следа
2.2.1. Механизмы разрушения вихревое следа
2.2.2. Блочная инженерная модель следа
2.2.2.1. Атмосферная турбулентность
2.2 2.2. Влияние компоновки самолета
2.2.2.3. Расчет потери циркуляции
2.3. Тестирование математических моделей вихрево о следа по данным эксперимента
2.3.1. Эксперименты а аэродинамической трубе малых скоростей Т5
2.3.2. Эксперименты в большой аэродинамической трубе
2.3.3. Эксперименты на катапультной установке СМЕЯА 1МБЬ
2.3.4. Опыты в малотурбулектной аэродинамической трубе Т4 по влиянию мелкомасштабной
турбулентности
2.4. Влияние синусоидальной неустойчивости на величину безопасного расстояния между
самолетами
Заключение
ГЛАВА III КРАЕВАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ ЭЙЛЕРА КАК
ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ
3.1. Особенное численной схемы
3.1.1. Постановка задачи
3.1.2. Механизмы порождения завихренности
3.1.3. Численная схема и нсфизическая вязкость
3.1.4. Особенности визуализации вихрей в пространственном случае
3.2. Моделирование вихревой структуры самолета и следа
3.2.1. Расчет обтекания изолированного крыла и крыла с закрылком
3.2.2. Вихревая система компоновки крылофюзеляж
3 2.3. Исследование влияния отклонения интерцепторов на структуру вихревого следа за крылом с
закониовками
3.2.4. Динамика вихревого следа вблизи земли
3.2.4.1. Особенности численной схемы
3.2.4.2. Модель вихря
3.2.4.3. Результаты расчетов
3.2.5. Взаимодействие поперечного и продольного течений в колоннообразном вихре
3.3. Компоновка самолета в вихревом возмущенном потоке
3.3.1. Численное моделирование обтекания компоновки самолета в завихренном потоке
3.3.2. Приближенные методы расчета обтекания полной компоновки самолета в завихренном
потоке
3.3.2.1. Метод вихревой решетки
3.3.2.2. Модифицированный метод полос V
3.3.2.3. Панельные методы
3.4. Тестирование методов расчета обтекания самолета в условиях вихревого следа по
результатам трубных экспериментов
3.5. Исследование дифракции вихря на препятствии
Заключение
ГЛАВА IV КРАЕВАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕСТОКСА ПРИ
ИССЛЕДОВАНИИ ВИХРЕВОГО СЛЕДА
Введение
4.1. Моделирование в рамках двухмерных уравнений НавьсСтокса, осредненных по Рейнольдсу 2
4.1.1. Общая классификация моделей турбулентности
4.1.1.1. Алгебраические модели
4.1.1.2. Однопараметричсскис модели с одним дополнительным дифференциальным
уравнением
4.1.1.3. Двухпараметричсскис модели с двумя дополнительными днфференцитьнымн
уравнениями
4.1.1.4. Многопараметрические модели
4.1.2. Физические особенности вихревых течений
4.2. Модифицированная доз модель турбулентности для моделирования вихревых движений газа I
4.2.1. Апробация модифицированной ш модели турбулентности
4.2.2. Эволюция пары вихрей
4.2.3. Явление Гэаброса при опускании вихревого кластера в турбулентной атмосфере
4.2.4. Опускание вихревого кластера в стратифицированной атмосфере
4.2.5. Пара вихрей у поверхности земли
4.2.6. Взаимодействие пары вихрей с боковым сдвиговым ветром
4.2.7. Пара вихрей у поверхности земли при наличии сдвиговою вегра
4.2.8. Влияние тепловых пятен от двигателей на устойчивость вихревого кластера
4.2.9. Основные особенности концепции изотропной вихревой вязкости
4.3. Нелинейная алгебраическая модель вихревой вязкости
4.3.1. Постановка задачи
4.3.2. Турбулентная вязкость
4.3.3. Верификация метода и результаты расчетов
Заключение
ГЛАВА V ТРЕХЗОННАЯ МОДЕЛЬ СТРУЙНОВИХРЕВОГО СЛЕДА
Введение
5.1. Постановка задачи
5.2. Метод моделирования больших вихрей при исследовании струйновихревого следа
5.2.1. Постановка залами
5.2.2. Численная схема
5.2.3. Модель Смагоринского
5.2.4. Численное моделирование турбулентной струи и пары вихрей
5.2.5. Моделирование турбулентного струйновихревою следа за самолетом
5.3. Диффузия струйновихревого следа
5.4. Синусоидальная неустойчивость
5.5. Верификация метода н результаты расчетов
5.6. Эволюция вихрей вблизи земли с учетом устойчивости атмосферы
5.7. Обнаружение вихревого следа по температурному контрасту
Заключение
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
ЛИТЕРАТУРА


Конопке за постоянный интерес к исследованиям и помощь в получении базы данных по вихревым следам аэропорта Хитроу и записей ультразвуковых анемометров аэропорта ФранкфуртанаМайне. Я и, пу п. V м. Ср и постоянном объеме СУ для воздуха при н у. ПП. V СцХ 1 i
ii. Римана а скорость звука число Куранта Си аДД. След за самолетом в своем развитии проходит ряд этапов. Первый этап формирования вихревой пелены. Процесс этот достаточно сложный, так как летательный аппарат состоит из многих элементов крыла, фюзеляжа, механизации, горизонтального и вертикального оперения и т. След за самолетом в посадочной конфигурации с отклоненной механизацией крыла имеет ряд особенностей, сильно усложняющих задачу. В области ближнего следа вихревая пелена сворачивается в несколько вихрей со сложной структурой. Характерным размером этой области является размах крыла. На расстоянии 6 размахов зона промежуточного следа многоядерная вихревая структура преобразуется в двуядерную. В зоне дальнего следа 0 размахов и более происходит разрушение следа изза диффузии вихрей и развития синусоидальной неустойчивости. Белоцерковский ГМ, , Белоцерковский СМ. Гкиевский, , Аубакиров, Белоцерковский, Желанников, Ништ, и приближенные инженерные методики Баранов. Белоцерковский Ал. С Белоцерковский С. СРГ для исследования отдельных фрагментов изучаемого явления см. Главы III, IV и V. Аналитические исследования, которые позволяют выяснить некоторые фундаментальные свойства течения в следе, например, топологию многоядерной вихревой системы, механизм потери циркуляции в вихре, возможность появления локального максимума в распределении циркуляции по радиусу Гзаброс. Экспериментальные исследования. Малотурбулентная Г4 и вертикальная Т5 аэродинамические трубы ЦЛГИ позволяют получить подробные характеристики следа на расстоянии 0 5 размахов крыла за моделью. Качественные характеристики поведения струйновихревого следа исследованы в гидротрубе ЦАГИ ГТ0. Использованы также результаты испытаний в большой аэродинамической трубе КЕЯ, на катапультной установке ОМЕЯА 1МРЬ, а также данные летных экспериментов, которые удалось получить в ходе выполнения совместных исследований с европейскими и американскими партнерами. Исследуемое явление, учитывая его большие по самолетным меркам пространственные и временные масштабы, сегментировано на следующие подзадачи Турбулентная атмосфера совокупность вихревых структур разных масштабов при наличии сдвигового ветра, стратификации и турбулентного фона случайных порывов. Самолет источник долгоживущей когерентной вихревой пары и мелкомасштабной турбулентности, порождаемой шасси, механизацией крыла, аэродинамическими тормозными устройствами и струями от двигателей. Последние являются также источником эмиссии НгО, СО2, ЬЮХ, С2 и т. Аэродинамическая модель вихревого следа используется для сравнительных исследований различных самолетов или модификаций одного самолета на сталии проектирования при одинаковых условиях например, полет по глиссаде с одинаковой скоростью и максимальным допустимым весом. При этом выводы но результатам исследований зависят от выбранного критерия см. Блоксхему 1. Блоксхема I. Не все составные части этой модели достаточно строги и поддаются экспериментальной проверке. При сс создании использован принцип разумной достаточности, чтобы не перетяжелить модель ненужными деталями, для корректного описания которых не хватает исходных данных. Взаимодействие вихрей поддерживает случайные пульсации завихренности, а механизм случайных блужданий передает завихренность к меньшим пространственным масштабам энергетический каскад по сплошному спектру волновых чисел. При этом скорость передачи энергии по каскаду не зависит от вязкости, которая вызывает диссипацию наименьших масштабов. В этом смысле принятые допущения при создании модели вихревого следа являются вполне корректными. На примере экспериментальных результатов, полученных при изучении течений в тонких пленках , v, , представлена физическая модель явления в двумерном приближении. Рассмотрены механизмы порождения завихренности и формирование вихрей в поле завихренности, а также взаимодействие вихрей разных масштабов.