WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«Использование локального метода для расчета аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов в переходном режиме Зея Мьо Мьинт, А.Ю. Хлопков, Чжо Зин, Тху ...»

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 53 www.mai.ru/science/trudy/

УДК 533.6.011.8

Использование локального метода для расчета

аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных

аппаратов в переходном режиме

Зея Мьо Мьинт, А.Ю. Хлопков, Чжо Зин, Тху Рейн Тун

Аннотация

Приведены исследования расчета аэродинамических характеристик гиперзвуковых

летательных аппаратов в переходном режиме с помощью инженерного локального метода .

Эта проблема особенно важна при движении летательных аппаратов на больших высотах. В работе предлагается создание инженерной программы определения основных аэродинамических характеристик разных формы тел. В работе представлены аэродинамические расчеты компоновок гиперзвуковых летательных аппаратов с помощью локального метода при различных числах Рейнольдса .

Ключевые слова аэродинамика в переходном режиме, аэродинамические характеристики гиперзвуковых летательных аппаратов, числа Рейнольдса, гипотеза локальности Введение Компьютерное моделирование позволяет при помощи инженерных методов быстро проводить анализ аэродинамических характеристик летательных аппаратов. Технический прогресс в космической технике и гиперзвуковой авиации привел к интенсивному развитию теоретических и экспериментальных исследований в области аэродинамики гиперзвуковых течений. Важное значение имеет исследование двух областей общей газовой динамики. Одна из них - изучение обычной газовой динамики сплошной среды, а другая динамика – свободномолекулярная газовая динамика и примыкающая к ней среда, где течение газа является разреженным [1] .

Направление исследования гиперзвукового обтекания тел разреженном газом можно определить так: в первом случае в рамках обычной теории газовой динамики учитывают явления скольжения на поверхности обтекаемого тела, которое пропорционально разреженности среды, а второе, исходя из известной теории свободномолекулярного потока, пытаются учесть влияние межмолекулярных столкновений на аэродинамические характеристики [2] .

Трудность экспериментального исследования аэродинамики гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) обуславливается воспроизведением натурных условий полета в аэродинамических трубах. Моделирование высокоскоростных течений предполагает соблюдение критериев подобия, в первую очередь по числам Маха и Рейнольдса и отношением температур набегающего потока и температуры поверхности, а также обеспечением низкой степени турбулентности и однородности потока в рабочей части установки. При моделировании натурных условий основного критерия подобия Рейнольдса необходимо выдерживать целый ряд других критериев подобия. Одновременное решение этих проблем в рамках одной экспериментальной установки представляется невозможным .

Законы поведения аэродинамических характеристик в переходной области весьма сложны и не могут быть получены простой интерполяцией данных для сплошной среды и свободномолекулярных течений [2]. Исследование течений газа в переходной области между течениями сплошной среды и свободномолекулярным представляет собой достаточно сложную задачу. Сложность обусловлена тем, что описание этих течений выходит за рамки обычной газовой динамики и требует учета молекулярной структуры газа для чего необходимо решать уравнение Больцмана. Решение уравнения Больцмана при малых числах Кнудсена, особенно для сложных тел - задача чрезвычайно трудоемкая. В этой связи естественным является появление и развитие инженерных методов, обоснованных совокупным материалом экспериментальных, теоретических, численных результатов, дающих возможность предсказания аэродинамических характеристик (АДХ) сложных тел в переходном режиме .





Метод основан на так называемой гипотезе локальности, предполагающей, что поток импульса на элемент поверхности определяется местным углом его наклона к набегающему потоку. Обработка экспериментальных данных показывает, что точность теории локального взаимодействия вполне приемлема для инженерных расчетов аэродинамических характеристик широкого класса тел на этапе предварительного проектирования [3] .

Целью настоящей работы является создание простой в применении инженерной программы определения основных аэродинамических характеристик сложной формы тел .

Программа удобна для учета влияния числа Re в различных модификациях моделей локальности, предусматривает простой метод задания формы тела. Проведены аэродинамические расчеты воздушно-космического аппарата (ВКА) типов «Клипер (Clipper), модель ЦАГИ» и ГЛА «Сокол (Falcon HTV-2)» в разреженной атмосфере с помощью метода, основанного на гипотезе локальности при различных числах Re .

Методы расчета аэродинамических характеристик тел в переходном режиме Трудности решения аэродинамических задач обтекания пространственных тел потоком разреженного газа вызвали развитие инженерных полуэмпирических методов, использующих накопленные экспериментальные и расчетные данные. При моделировании натурных условий необходимо учитывать влияние основных критериев подобия .

Число Кнудсена Kn и число Рейнольдса Re определялись так:

–  –  –

где – длина свободного пробега, L – характерный размер тел, – коэффициент вязкости, М

– число Маха. В условиях гиперзвуковой стабилизации более рационально использовать в качестве критерия разреженности не число Кнудсена, а число Рейнольдса .

В настоящее время условно можно выделить два инженерных подхода к вычислению аэродинамических характеристик по числам Рейнольдса [4, 5]. Первый подход состоит в построении функции аппроксимации при известных предельных значениях свободномолекулярного С(0) и сплошносредного, обычно моделируемого по методу Ньютона С() .

–  –  –

Функция F зависит от свойств газа, параметров набегающего потока, геометрии поверхности и др. Где С, Г, tw, – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления, геометрия тела, температурный фактор и отношение теплоемкостей, соответственно. Значения а и – константы, которые получены на основании статистической обработки экспериментальных данных [6] .

Классический метод локальности и предполагает

–  –  –

Здесь коэффициенты p0, p1, 0 (коэффициенты режима течения) зависят от числа Рейнольдса Re0 = VL/0, в котором коэффициент вязкости 0 вычисляется при температуре торможения T0. Кроме числа Рейнольдса наиболее важным параметром является температурный фактор tw = Tw/T0, где T0, Tw – температура торможения и температура поверхности .

Зависимость коэффициентов режима в гиперзвуковом случае должна обеспечивать переход к свободномолекулярным значениям при Re00 и значением теории Ньютона, методов тонких касательных клиньев или конусов при Re0. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных предложены эмпирические формулы

–  –  –

где h – относительные поперечные размеры аппарата, равный отношению его высоты к длине .

Предложенная методика хорошо зарекомендовала себя для расчета гиперзвукового обтекания выпуклых не очень тонких и пространственных тел. Расчет полностью отражает качественное поведение Сx в зависимости от разреженности среды во всем диапазоне углов атаки и дает количественное соответствие с точностью около 5%. [5, 8] .

О точности соотношений локального метода можно сказать, что они применимы с наименьшей погрешностью в случае тел, близких к сфере и других затупленных тел, и неприменимы в случае очень тонких тел, когда не выполняется условие M sin 1 [7]. На рис. 1 представлены экспериментальные (M = 5.15 10, tw = 1) [2] и расчетные (пунктирная кривая) значения коэффициента сопротивления сферы в зависимости от Rе0 [7] .

Рис. 1 .

В рассматриваемых методах не учитывается влияние взаимодействия пограничного слоя с гиперзвуковым невязким потоком при больших числах Rе0. Расчетные и экспериментальные значения конуса в переходном режиме согласуются Cх удовлетворительно, данные по Cy согласуются значительно хуже. Необходимо подчеркнуть, что предложенная методика качественно верно отражает немонотонность зависимости Cy конуса от Rе0. Расчетные и экспериментальные результаты по Cх при = 10° и 15° для пластины хорошо согласуются, данные же для Cх при = 5° и Cy согласуются плохо. Это является следствием неучтенного в локальном методе влияния взаимодействия пограничного слоя с невязким потоком [2, 5] .

Таким образом, локальный метод расчета аэродинамических характеристик тел в гиперзвуковом потоке разреженного газа в переходном режиме дает хороший результат по Cх для широкого класса тел и качественно верный результат по Cy. При малых углах атаки ( 5) точность результата ухудшается, в этом случае необходимо привлекать более полные модели, учитывающие наличие пограничного слоя [8, 9] .

Результаты расчета АДХ ГЛА в переходном режиме Представлены результаты расчета коэффициентов силы сопротивления, подъемной, момента тангажа для летательных аппаратов вариантов «ВКА Клипер ЦАГИ (Clipper)» [10, 11, 12] (Рис. 4) и «Сокол (Falcon HTV-2)» (Рис. 10). Расчеты проводились с использованием локального метода в диапазоне углов атаки от 0 до 90 с шагом 5. Параметры задачи были следующие: отношение теплоемкостей = 1.4; температурный фактор tw = Tw/T0 = 0.1;

число Рейнольдса Rе0 = 0, 10, 102, 104 .

–  –  –

Рис. 4. Геометрическое представление варианта «ВКА Клипер ЦАГИ (Clipper)»

На рис. (5, 6, 7) представлены зависимости Cx(), Cy(), mz() при различных значениях числа Рейнольдса. На рис. 5 видно, что с увеличением числа Рейнольдса коэффициент сопротивления тела уменьшается (что можно объяснить уменьшением нормальных и касательных напряжений p1(Re0) и 0(Rе0)). При больших числах Рейнольдса Re0 106 характеристики почти не изменяются .

Рис. 5. Зависимость Cx() при различных числах Rе0 (tw = 0.1) для «Клипер ЦАГИ (Clipper)»

Рис. 6. Зависимость Cy() при различных числах Rе0 (tw = 0.1) для «Клипер ЦАГИ (Clipper)»

Рис. 7. Зависимость mz() при различных числах Rе0 (tw = 0.1) для «Клипер ЦАГИ (Clipper)»

Зависимость Cy() растает с увеличением числа Рейнольдса (что можно объяснить увеличением нормальных и касательных напряжений p1(Re0) и 0(Rе0)). Значения mz () весьма чувствительны к изменению числа Рейнольдса. С увеличением числа Рейнольдса, mz () меньше нулю при Re0 ~ 102 .

На рис. (11, 12, 13) представлены результаты расчета коэффициентов силы сопротивления, подъемной, момента тангажа для гиперзвукового летательного аппарата типа «Сокол (Falcon HTV-2)» .

Рис. 8. Гиперзвуковой летательный аппарат Рис. 9. Сокол (Falcon) «Сокол (Falcon HTV-2)»

Рис. 10. Геометрическое представление варианта «Сокол (Falcon HTV-2)»

Из графика видно, что зависимость Cx() уменьшается при больших числах Рейнольдса с уменьшением p1(Re0) и 0(Rе0). Можно объяснить, что соответствует увеличению высоты полета, возрастает роль сил трения с уменьшением Re0, в результате увеличивается коэффициент Cx(). С увеличением числа Рейнольдса увеличивается зависимость Cy(). Зависимость mz () тоже чувствительны к изменению числа Рейнольдса и происходит, сменена знака mz при ~ 5 .

Рис. 11. Зависимость Cx() при различных числах Rе0 (tw = 0.1) для «Сокол (Falcon HTV-2)»

Рис. 12. Зависимость Cy() при различных числах Rе0 (tw = 0.1) для «Сокол (Falcon HTV-2)»

Рис. 13. Зависимость mz() при различных числах Rе0 (tw = 0.1) для «Сокол (Falcon HTV-2)»

–  –  –

На рис. (14) представлен сравнение зависимости Cx() для «Клипер» и «Сокол (Falcon HTV-2)». Из этих результатов чувствительно, что коэффициенты силы сопротивления Сокола меньше чем Клипера и изменение числа Рейнольдса оказывает сильное влияние на все аэродинамические характеристики. Можно сказать, что число Рейнольдса влияет формы тела и режимов течения .

Заключение Проведен анализ расчета аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов в потоке разреженного газа методом по гипотезе локальности с привлечением полуэмпирических теорий. Представлен сравнение результатов расчета локальным методом аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов «Клипер» и «Сокол» в переходном режиме при различных значениях числа Рейнольдса Re 0 .

Таким образом, локальный метод в переходном режиме дает хорошие результаты для широкого класса тел. Полученные результаты могут быть полезны для будущего проектирования гиперзвукового летательного аппарата .

–  –  –

Сведения об авторах Зея Мьо Мьинт, докторант Московского физико-технического института (государственного университета), тел.: +7 926 424 22 06, e-mail: zayyarmyomyint@gmail.com Хлопков Антон Юрьевич, инженер-программист Московского физико-технического института (государственного университета),тел.: +7 926 468 46 68, e-mail: khlopkov@falt.ru Чжо Зин, аспирант Московского физико-технического института (государственного университета), тел.: +7 909 663 07 14, e-mail: kyawzin.mipt@gmail.com Тху Рейн Тун, студент Московского физико-технического института



Похожие работы:

«V-ZUG Ltd Духовая печь Hotair HSE Руководство по эксплуатации Благодарим Вас за выбор нашего изделия. Прибор соответствует самым высоким требованиям, а управление им отличается простотой. Просим Вас внимательно прочитать данное руководство. Знание принципов работы и возможностей прибора позволит...»

«250 Науковий вісник. Серія "Філософія". – Харків: ХНПУ, 2016. – Вип.46 (частина І) УДК: 101.1:316 ОСОБЕННОСТИ СОЦИАЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ В ИНТЕРНЕТ-ПРОСТРАНСТВЕ А.К. Фандеева, аспирант Луганского национального университета им. Т. Шевченко Данная статья посвящена проблеме социальной идентифика...»

«ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИИ ВЕДОМОСТЬ РЕДАКЦИЙ Рев. Часть ОПИСАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ Дата № проекта 00 отчёт Для представления заказчику АО "Эмбамунайгаз" отчёт Для представления в контролирующие органы ПРОЕКТ "ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ" К "ИНДИВИДУАЛЬНОМУ ТЕ...»

«Приложение к свидетельству № 51675 Лист № 1 об утверждении типа средств измерений Всего листов 8 ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ Счетчики активной электрической энергии трехфазные однотарифные "МИРТЕК-301" Назначение ср...»

«2 Пояснительная записка Дополнительная образовательная программа Юный программист: работаем в Gimp имеет научно-техническую направленность, т.к. включает опыт освоения информационных технологий и рассчитана на детей среднего и старшего школьного возраста, предпо...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГО С Т Р СТАНДАРТ 57431— РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ИСО 16903:2015) ГАЗ ПРИРОДНЫМ СЖИЖЕННЫМ Общие характеристики (ISO 16903:2015, Petroleum and natural gas ind...»

«ТЕХНИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ ORACLE МАШИНЫ БАЗ ДАННЫХ ORACLE EXADATA X7-2 Машины баз данных Oracle Exadata отличаются исключительно высокой производительностью, экономичностью и обеспечением высокой доступности баз данных Oracle. В основе...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.