Г *р2)-2ПЩ 'РхР2+Р2 -р2р-{)
Я (-?ят0+ / совв). Я (£&- т0+/со8 0) Р=-→ Р2~
Р Рг
После некоторых преобразований формула для скорости на контуре профиля принимает вид
V = Я
Я + —сое 0+ / ьтв + Л—сое 0+ / 8Ш 0 п ] п
2 Л яи! 0+ / сое /3±. т т 2 2 ж, соео^вт0-вт0 ^-Бта
С08 0- СОЗ
Лет 0+ /
К=гф2 + /2 ?:
При хорде Ь = 1 значения координат х, у с началом осей в носке профиля подсчитываются по формулам х = 0,5(1 + х), где х, у- координаты точки в системе координат с началом в середине хорды при Ъ — 2.
Независимыми параметрами в вышеприведенных формулах являются /, т, а. При/= 0 получаем симметричный двуугольник, при т ~ 0 -дугу окружности, а при/= т = 0 — пластину.
На рис.В.8 дан пример расчета распределения давления по двуугольнику с параметрами — = 0,125, / = 0,08, п£ = 1.
В.5. ПРОФИЛИ ЖУКОВСКОГО-ЧАПЛЫГИНА Для определения геометрических и аэродинамических характеристик профиля Жуковского-Чаплыгина [С.1] с острой или с закругленной задней кромкой необходимо знать параметры f = 0 О0, ?=О1О0, S-HD,? = 0 А, а также 2т- число расчетных точек. Обозначения этих параметров приведены на рис.В.9.
Вычислим радиус окружности с центром в точке Oq и радиусы окружностей Lj и? J с центром в точке О*:
JRo=slf2 + ?2~, + R2=R0 + e+S.
Длина отрезка ?1= A D равна 1 =-I— + Я2 -—у/ о V *Ю Определим синус и косинус углов Р и v
Р / Р? sin— = —, cos—=—,
2 Ro 2 i? oJ. P. p v f+esm- v шпЦ|+!
Sin—"---—, COS—™-~-.
Пусть тъ и шн — число расчетных точек соответственно на верхней и нижней частях окружности.
По заданным значениям т^ и т^ определяем в окружности L^ центральные углы, соотвествующие точкам М* для верхней и нижней частей контура
288 V ЯЧ- V
6L -— + к--- к-0,1,2,."%-
V тс— V в&bdquo- = я+—+к-- к = 0,1,2,.т
Уравнение окружности L? в системе осей координат имеет cos # ri — Щ sin 0. Переходя к системе осей координат %0*Т], связанной с окружностъю Цу, имеем + jpsin
Отсюда получим i + seos
TJ- Щ + /+ tfsin
В.ЗО)
Уравнение профиля Жуковского-Чаплыгина может быть представлено в виде х + (т/ = с + откуда х = ?
1 +
После подстановки значений д и т] из (В.ЗО) предыдущие выражения запишутся так:
R? eos 0- areos f ^ яV /
R" cos в- arsin- I
2 — у
R2 sin в- / 4? rsin^ J
Л, sin 0+ f + ?xos
Ry eos 0- ?xos
Координаты хвостика <9,
Я2вж@+ / 8 т носка
7нос = — I и хорда профиля подсчитываются по формулам: + ?1 + 2gcos—
B.31) -^XB -^HOC ЛюС ~
Безразмерные координаты профиля берутся в связанной системе координат с началом в носке профиля х = ~ Хнос у -Ъ ' b
Значения производных х (&-) = — и у (0) = —, входящие в выражение V, получаются дифференцированием величин х, у. Угол 9 ф = ^
Скорости на контуре профиля определяются формулой
У={а2+В2)
В.32)
Л = eos а
Ш + ^)eosa-2^ щ sin а
2К2щшп
В ие -siniZ ы ~ ч?? — ?xos
Cj ?C05>«
Щ+ f + ?sin
Я г.- / + j
§ - ?xos ^ j j Щ + /+ ssm':
D = -2t Ef — ecos
Щ + /+ tfSIIl ffftl ' I*
2 j 2i v fj — ?reos1-
4 & - ?reos -v 2,
На острой задней кромке квадрат скорости определяется по форт + f + ssm. t2 {ieos, а — / sin «Г
Б. 33)
Заметим, что, если $=(), то получаем обтекание профиля Жуковского-Чаплыгина с острой задней кромкой (точка возврата). Если же / = 0, то получаем обтекание симметричного профиля, при /?=*/" = 0 обтекание эллипса, при е- 8 ~ 0 — обтекание дуги окружности, а при е — / = 8- 0 — обтекание пластины.
На рис. ВЛО в качестве примера показано распределение давления по профилю Жуковского-Чаплыгина.
В.6. ОБОБЩЕННЫЙ ПРОФИЛЬ ЖУКОВСКОГО-ЧАПЛЫГИНА Профиль с угловой точкой на задней кромке принято называть обобщенным профилем Жуковского-Чаплыгина.
Отображающая функция внешности круга на внешность обобщенного профиля Жуковского-Чаплыгина, имеющего конечный угол при задней кромке (тА ф 0), имеет вид Q — seos— + i f + ?rsini = Rcw, R = -Jf2+?*+?, п = fi f fi Sin—= -r=--" eos
2 + f
Обозначения этих параметров даны на рис, В Л1. и В Л 2. Функцию (В.34) представим в виде: z = ni- —--(и.Зз- fa+iS^) -(S3 + iS2)
S, = Reos 0- seos— + t,
52 = f + ?rsin~ i- R sin 0i
53 = Reos в- ecos—-i.
Величины в скобках выражения (В.35) можно записать так: inarcuA
S1 + iS2)"=pnie
3 т 1и
Чй «narctg-—
S3 + iS2) n=pn2e s. l/'S'f + $ 2 ' Pl ~~ V '
Таким образом, найдем plCOS п Щ + /??cOS ny/'2) + i{pisin п Щ + /7"sin п у/2)
Z — ftí-i------Y—7-------г* cOS пщ- P2COS пу/2 j + p"sin n щ — p"mn n? f2 J
Выделяя действительную и мнимую части предыдущего выражения, получим координаты обобщенного профиля Жуковского-Чаплыгина
2и 2 п у = ni
2p"p2smn{ у/2~ Wi)
Здесь
Р"+ Р?" 2/?"/?2cosA ?2 ~ ?X
2=8паА
Координаты хвостика х^ и носка хнос профиля подсчитываются по формулам (В.36), если в них положить = -—, Онос-тг+~, Тогда будем иметь
Дюс = 0.
Хорда профиля равна ~ ~ хтс- (В.У7)
Безразмерные координаты профиля с началом в его носке = у=(В.38)
Скорость на контуре профиля определяется формулой 2 R (i
— -Ц sin sin ?? * costir-j eoseos 0 * jsin
V = -- sin 0— sin 0 ф sjx" + y" |V A) —-i 3111 (X
B.39)
-/. дх. dy где sm в * = —========= x = —, y = —. ff+e at } se
Производные x и у находятся дифференцированием выражений (B.36) MpT’WpT’pi) x = n?--——~~~rb r r?
2п{рп7рЧ~1 px+ P1PVP2) sinn (щ — щ) y-n?-:i n? 2np"p^ ~cosn (V2 — Vi)
2f iplp^smni y/2 — y/x) fi=2n{pf lprvpf lp2)-Zr{pl lPiP+ PVPIPI) x x cos /-/.(f/^2 ~ ?) + y/2 —) siil (- ^i), SXSX +
P~ > P2~'
-Rsin в, — S2 = Reos в, S*>St — S<>Si, S/yS- — S’ySt
1,y, ¿л XA X I.y. A JЛя
Wl — ~~ 2 ' r2 — 2 А P
Для вычисления координат и скоростей на поверхности профиля необходимо задать параметры f = U О0, ?=(^0 $,? = 0 А, п = 2--и число контрольных точек.
Углы вк для нижней и верхней частей окружности найдутся по формулам:
6?в= k = 1,2,3,.,?%,
В, тс— В, л п ^ 7U±- + K-—. к =1.2,3,./и^,
Коэффициент подъемной силы профиля
8"rsin (g-0?) ~---1-' <�В-40)
Пример распределения давления по обобщенному профилю Жуковского-Чаплыгина приведен на рис.В. 13. ш'-оргвосз прообдаошше шшшхузи крр? яо?о ншппда во тевиоото ЛЯПОЯВШЬ Рис"В" 2. Распределение давления по поверхности пластины
Еис.В. З. Конформное преобразование внешности круга во внешность эллипса
Рис.В.4. Распределение давления по эллипсу С =0,
Рис.В. 5.
Распределение давления по эллипсу С
Рис.Б.в. Конформное преобразование внешности круга во внешность дуги ц ь 1 <�Г А
Рис.В. 7. Конформное преобразование внешности круга во внешность двуугольника
3* -У
Рис3.8. Распределение давления по двуугольнику (0,125-? = 0,08- ni =? I)
Еио.В.9., Конформное преобразование круга в профиль Жуковского — Чаплыгина.
-7 -5
Рис.1ЫО. Распределение давления по профилю Жуковского-Чаплыгина В = I, ^ =0,2, 6 =0,16, ^ = 0.
Рис. В.-М. Конформное преобразование круга в симметричный профиль Жуковского-Чаплыгина
Рис.в.12. Конформное преобразование круга в обобщенный профиль Жуковокого-Чашшиша
Рис.В.
5. Распределение давления по обобщенному профилю Жуковского-Чаплыгина 6=1,? = 0,2, е = о, 1б, г/ж = од.
Постоянное усовершенствование летательных аппаратов (ДА), рост их стоимости, времени разработок и внедрения достижений науки в практику инженерных расчетов в авиации и ракетостроении привели к необходимости широкого использования новых' средств разработкисистем машинного проектирования [8,25,84,137,159,173,175]. Применение вычислительной техники на различных стадиях процесса проектирования позволяет значительно сократить трудоемкость этого процесса, организован" комплексную оптимизацию ряда параметров, увеличить число рассматриваемых решений и тем самым сократить расходы на стадии проектирования [175].
В наши дни рекомендации о рациональном облике самолета могут быть сделаны только на основе комплексных проработок с участием проектировщиков различных специальностей. Трудоемкость этих процессов значительно возросла за последние годы, а время, когда конструктор мог считать себя создателем самолета нового типа, почти миновала [159]. Поскольку комплексная программа должна включать значительное число блоков («Аэродинамика», «Прочность», «Аэроупругость», «Экономика» и т. д.), то целесообразна модульная структура программы, при которой отдельные блоки (модули) разрабатываются специалистами в данной области. При этом процесс проектирования самолета оказывается возможным лишь в условиях тесного взаимодействия различных дисциплин (рис. В.1 [213]). В частности, блок «Аэродинамика» предназначен для расчета суммарных аэродинамических характеристик с учетом эффективности органов управления для выполнения условий балансировки на всех режимах полета самолета.
Рис. В.!. Взаимодействие различных дисциплин при проектировании самолета.
Кроме того, необходимо знать распределенные нагрузки по отдельным элементам самолета, которые требуются для расчета прочности и упругих деформаций конструкции самолета. При этом важно применять накопленную информацию по экспериментальными исследованиям самолета — прототипа и сочетать эту информацию с данными, полученными существующими расчетными методами [175].
Определению аэродинамических характеристик самолета, и его частей уделялось много внимания, начиная с зарождения авиации: существует много статей и книг, в которых собраны полученные результаты. Но методология аэродинамического проектирования самолета находится в развитии и еще далека от завершенного состояния [84, с.9].
На этапе начального проектирования самолета используются более простые, приближенные методы, Самолет рассматривают как совокупность отдельных частей: крыла, фюзеляжа, оперения, гондол двигателей и т. д. Определяют силы и моменты, действующие на каждую из них. При этом используют результаты* аналитических, численных и экспериментальных исследований. Силы и моменты, действующие на самолет, .находят как суммы соответствующих сил и моментов, действующих на каждую из его частей, с учетом их взаимного влияния [8, с, 96].
При аэродинамическом проектировании самолета и его частей применяют как прямой, так и обратный методы формирования конфигурации летательного аппарата,.
При прямом методе задаются геометрией крыла, фюзеляжа,., самолета, а их аэродинамические характеристики рассчитываются теоретическими методами (аналитическими и численными — способами) или получают экспериментальным путем, Изменяя принятую первоначально на основе статистических данных геометрию частей самолета, и их взаимное расположение, исследования повторяют до получения аэродинамических характеристик самолета, соответствующих заданным техническим условиям (рис, В.2).
Выбор геометрии крыла, фюзеляжа, самолета.
Определение аэродинамических характеристик.
Сравнение характеристик технич. условиями.
Рис. В.2. Схема проектирования самолета прямым методом.
Обратный метод аэродинамического проектирования самодета требует задания распределения давления или скорости, которое обеспечит желаемые характеристики крыла (самолета), причем решение обратной задачи аэродинамики может быть построено с ограничениями на геометрические и аэродинамические характеристики самолета ([173], с. 230), Схема решения обратной краевой задачи аэродинамики показана на рис. В.З.
Рис. В. З. Численная схема аэродинамическою проектирования самолета обратным методом.
Среди аэродинамических характеристик самолета имеется один параметр, точная оценка которого особенно важна — это аэродинамическое качество (К = Суа/СХп — отношение подъемной силы к сопротивлению). Чем выше качество, тем большей дальности полета можно достичь при заданном относительном запасе топлива. Например, пятикратное увеличение расходов на аэродинамические исследования является выгодным, если это приводит к увеличению аэродинамического качества, на 1%[8,с.8].
Аэродинамические характеристики самолета и его частей могут быть найдены аналитически, численно или опытным путем. По-видимому, до конца XX века основным методом исследования аэродинамики останется экспериментальный, поскольку только в процессе эксперимента можно получить эталонные данные и, что особенно важно, выявить новые аэродинамические явления [8], В настоящее время все возрастающее значение приобретает численное решение уравнений, описывающих математические модели обтекания самолета и его частей. Эта область аэродинамики развивается очень бурно. Полагают, что к 2000 году можно будет рассчитывать обтекание полных конфигураций самолета как при установившемся движении, так и при маневрировании [8].
Все три подхода аэродинамики (аналитический и численный методы расчета, эксперимент) тесно связаны, взаимно дополняют и обого-щают друг друга. Так, достоверность результатов численного метода расчета обтекания сечений крыла (профиля) потенциальным потоком несжимаемой жидкости можно оценить лишь путем сравнения их с данными точных решений, полученных, например, методом конформных отображений. Правильность расчета обтекания тел с учетом вязкости и сжимаемости может быть проведена лишь с помощью физического эксперимента. Но стоимость экспериментальных исследований быстро растет, прежде всего, из-за удорожания обслуживания, из-за роста стоимости электроэнергии, а также из-за все возрастающих затрат времени, связанных с необходимостью приспосабливать имеющиеся экспериментальные установки и стенды для испытания новых моделей. Кроме того, результаты, полученные в аэродинамических трубах на моделях самолета, необходимо перенести на натурный объект. Вместе с тем наблюдается стремительное снижением стоимости проведения расчетов, обусловленное появлением более мощных ЭВМ, обеспечивающих высокую скорость, а также более эффективных методов расчета. Отмеченные тенденции роста стоимости проведения экспериментов и снижения стоимости выполнения расчетов создают чрезвычайно благоприятные предпосылки для внедрения вычислительной аэродинамики как основного средства, аэродинамического проектирования [25,84, ] 75],.
При численном решении уравнений, моделирующих обтекание ДА и его частей с учетом вязкости, большинство методов основывается на так называемом зональном подходе. Согласно этому методу, область течения разбивается на две зоны: зону невязкого течения, в которой влияние вязкости не учитывается, и зону вязкого течения, обычно включающую тонкий пограничный слой у стенки и след за телом, в которых вязкость играет важную роль [43,156,189,190,203,213].
В общем случае может оказаться целесообразным получение численных решений уравнений Навье-Стокса для всей области течения, вместо локального решения этих уравнений при зональном подходе. Обзор численных методов решения уравнений Навье-Стокса. дан, например, в работах [18,84,186,216,221,237].
При практическом применении зонального подхода возникает вопрос о выборе математических моделей для описания зон невязкого и вязкого течений, иначе говоря, о выборе уравнений движения, а также вопрос о способе стыковки локальных решений для этих зон.
Наиболее эффективным методом получения решения для невязких несжимаемых течений, описываемых уравнением Лапласа, является метод наложения потенциальных потоков, В силу линейности уравнения Лапласа суммарный потенциал скорости представляют как сумму потенциалов невозмущенного потока и гидродинамических особенностейисточников, диполей и вихрей. Особенности располагают на поверхности тела или внутри него, а также в вихревом следе, Такие распределенные особенности автоматически удовлетворяют уравнению Лапласа и граничным условиям на бесконечности. Задача сводится к удовлетворению граничных условий на поверхности тела и в следе, Метод наложения потенциальных потоков является общим методом, позволяющим решать задачи о потенциальном обтекании жидкостью любого числа тел, Гйдродинамические особенности в идеальной жидкости, вообще говоря, являются фиктивными, они служат лишь средством деформации прямолинейного поступательного потока.
В общем случае доказано [152], что искомую гармоническую функцию, регулярную вне поверхности 5, можно искать как. сумму потенциалов простого и двойного слоев, расположенных на 5'. Если решается внешняя краевая задача Неймана, то возмущенный потенциал скорости может быть представлен в виде потенциала двойного слоя. Бели далее учесть эквивалентность потенциалов двойного слоя и вихревой поверхности [90], то при решении задачи Неймана достаточно пользоваться методом вихревого слоя, теория которого достаточно хорошо разработана. Для получения распределения скоростей необходимо знать лишь значения частных производных от потенциала, скорости по касательному направлению к поверхности тела. и Л X.
Источники — стоки (простой слой) моделируют лишь обтекание профиля без циркуляции. Для создания подъемной силы необходимо ввести дополнительные особенности — диполи (двойной слой) или вихревой слой.
Интенсивности гидродинамических особенностей определяются из интегральных уравнений, выражающих граничное условие на поверхности обтекаемого тела (нормальная составляющая суммарной скорости равна нулю). А полное уравнение потенциала с учетом сжимаемости решается методом' поля [173], В настоящее время хорошо известны и широко описаны различные модификации численных подходов к расчету потенциальных течений, основанных на размещении внутри обтекаемого тела или на его поверхности гидродинамических особенностей (диполей, источников, вихрей). Идеи этих подходов не новы. Однако в домашинную эпоху расчет обтекания тел сложной формы наталкивался на. значительные трудности, связанные, в основном, с численной реализацией получающихся интегральных уравнений. В настоящее время в связи с увеличением мощностей ЭВМ и развитием методик эффективного решения больших систем алгебраических уравнений интерес к таким численным подходам значительно возрос [39,45,59,65,157,173].
Методы теории потенциала для численных расчетов полей течения при обтекании тел произвольной формы известны и дают хорошие результаты, (см., например, [39,59,173]. Однако точное или приближенное решение интегральных или интегро-дифференциальных уравнений для крыла с произвольным контуром связано все же с рядом трудностей. К ним относятсяособенности ядер интегральных уравнений, большое число алгебраических уравнений, обеспечение условий течения жидкости в окрестности задней кромки, на торцах крыла и изломах.
Шаг вперед в решении уравнения для потенциала в случае крыла с произвольным контуром был сделан с помощью так называемого панельного метода [39,59,141,173,213,214].
Сущность панельного метода состоит в том, что вместо непрерывного распределения особенностей по поверхности тепа задаются интенсивности их распределения на отдельных панелях. Затем решается интегральное уравнение на своей панели.
К настоящему времени разработано множество панельных методов, различающихся главным образом способом выбора типов особенностей, законом распределения их интенсивностей, способом расположения панелей и типом используемых граничных условий. Примерами панельных методов первого поколения являются работы Смита [223,224], Гесса [187], Роберта и Саариса [219,220], Вудворда [231,233], Морино [214] и др.
Используя теорию потенциала, большой вклад в развитие вычислительной аэродинамики внесли отечественные ученые: В. А. Баринов [9], С. М. Белоцерковский [10−19], М. А. Брутян [22−23], В. Н. Вернигора [26], Н. Ф. Воробьев [27−30], Ф. И. Ганиев [21,36,37], МА. Головкин [41], A.A. Дашковский [45], A.A. Зайцев [62−63], А. Г. Захаров.
64−66], В. Е. Ковалев [77], Г. А. Колесников [12,78], В. Н. Котовский [13, 79], И. К. Лифанов [14], Л. А. Маслов [93−98], А. П. Мельников [99], М. И. Ништ [15−17], Г. А. Павловец [130−134], В. М. Романов [138,139], Н.Д. Са-мознаев [142], Б. К. Скрипач [18−19], Ю. Г. Степанов [156], А. Д. Хамзаев [169−170], Л. М. Шкадов [175], В. М. Шурыгин [179] и др.
В существующих методах особое внимание обращается на техни-) ку вычислений и на использование машин. А учет физических особен- | ностей течений на изломах (корневое сечение), на концах крыла (обра- | щение нагрузки в нуль), выполнение постулата Чаплыгина-Жуковского { I на задней кромке (противоречивость решения этой фундаментальной — проблемы) нельзя считать полностью решенными [84, с. 172- 176- 190]. I.
Методы решения уравнений пограничного слоя можно разделить на два типа: дифференциальные и интегральные. В дифференциальных методах используются уравнения в частных производных, в интегральных — обыкновенные дифференциальные уравнения, получаемые из интегральных соотношений.
К настоящему времени разработано множество методов и соответствующих программ для расчета вязких течений [55,56,90,167,176,178,185 идр].
Расчеты интегральными методами требуют меньших затрат машинного времени счета и, как правило, меньшего памяти ЭВМ, но необходимость задания формы профиля скорости затрудняет проверку сложных моделей турбулентности. Кроме того, в интегральных методах не учитывается изменение давления по нормали к поверхности крыла.
При зональном подходе программу определения параметров пограничного слоя необходимо связать с программой вычисления скорости при потенциальном обтекании «эффективного» тела, получаемого добавлением толщины вытеснения пограничного слоя и следа к крылу. Давление на крыло определяется как давление на поверхность вытеснения, В результатеэтого создается итерационная процедура расчета вязко-невязкого взаимодействия,.
Существующие метода дают результаты, близкие к экспериментальным. В этой части также имеются нерешенные проблемы. Например, не определен аналог условия Чаплыгина-Жуковского в вязких течениях. В работе [84, с. 1.78] отмечается, что было бы весьма целесообразно обратить особое внимание на эту фундаментальную проблему вместо разработки еще одного панельного или релаксационного метода.
Существуют два основных способа расчета обтекания тела, использующие модель вязко-невязкого взаимодействия:
1. Прямая итерационная процедура (рис, 1,4);
2. Обратная итерационная процедура (рис. В, 5).
В прямой итерационной процедуре сначала рассчитывается невязкое обтекание заданного тела. Затем, используя найденное распределение скоростей, определяют параметры пограничного слоя. Далее, используя толщину вытеснения § (х), корректируют граничное условие и повторяют расчет потенциального оотекания ''Эффективного'1 полу тела (рис, В.4).
Процесс продолжается до тех пор, пока отличие давлений на двух последовательных расчетах не станет достаточно малым.
Геометрия обтекаемого «Чу. j тела (полутела).
Расчет невяжого течения jg.
Ж,.
Г Толщина ! Расчет.
L.rtrr:.,. погр. слоя вытеснения. Г" «-. J (прям, задача).
Рис. В .4. Процедура расчета вязко-невязкого взаимодействия (прямой итерационный процесс).
В обратной итерационной процедуре расчет пограничного слоя производится' для того, чтобы определить распределение, скорости на, поверхности тела ие, соответствующее заданному распределению толщины.
Мп) тг вытеснения о 4 -, Кроме того, решается прямая задача невязкого течения (с учетом толщины вытеснения & ¦ ') и определяется распределение ско-•тей 11е. Далее производится корректировка толщины вытеснения по.
М = ¿-Р> + А (й.-и) + в±(1Г-и), схеме (рис, В.5) йх где II — распределение скоростей из решения прямой задачи невязкого теченияи -• распределение скоростей из решения обратной задачи пограничного слояА и В — параметрып — номер итерации.
Геометрия обтекаемого тела (иолутеаа).
Расчет пограничного сдоя (обрат, зад.) 5.
Ли+П 6.
Расчет невязкого теч. (прямая задача) и и V.
8*(п) 4-А (и~и)+В-(и~Ц).
Рис. В.5. Процедура вязко-невязкого взаимодействия (прямо-обратная задача).
Методы, использующие прямую итерационную процедуру, более развиты, чем метода, использующие обратную итерационную процедуру. Обеспечение единственности решения задачи обтекания профиля вязким потоком является до некоторой степени искусством. -Эту проблему нельзя считать решенном (см., например, [24]). Чаще всего для этого применяют метод Картера, позволяющий корректировать толщину вытеснения в данной точке по невязке скоростей 17−11 в этой же точке [24], В работах [87,114] реализован простой метод коррекции давления по его значениям для двух итераций.
Используются два способа задания поверхности, где удовлетворяются граничные условия:
I. Путем замены обтекаемой поверхности эффективным телом, которое получается путем добавления толщины вытеснения по нормали к телу и построения ненесущей поверхности за телом (Х^). Граничное условие Неймана в этом случае имеет вид где Ф — суммарный потенциал течения.
2. Путем задания «выдува» на границе заданного тела, т. е. путем модификации граничного условия без изменения формы заданного тела Ь. Граничное условие запишется в форме.
Вычислительная аэродинамика обладает одним специфическим преимуществом перед экспериментальной аэродинамикой: она позволяет выполнить этапы проектирования в обратном порядке, т. е. вычислять геометрические параметры по заданному распределению давления. В этом случае решается обратная краевая задача аэродинамики с заданным на искомом контуре распределением скорости. Существует множество методов дня решения обратной задачи, аэродинамики и работы по их усовершенствованию будут продолжаться в будущем ввиду их большой, практической важности [213]. Обзор, посвященный ОКЗА, дан в монографии [53]. История развития обратных краевых задач аэродинаО мики (О КЗ А.) насчитывает более 60 лет, Основополагающие результаты получили Ф, Вейнинг, А, Бега, В, Манглер, Л.А. Симонов" Г, Г', Тума-шев, М, Лайтхилл, В. М, Шурыгин, JI. Вудс, Г. Ю. Степанов, М.Т. Ну-жин, Р. Эйлер, Ф, Вортман, Р. Либек. и др. [53], Среди отечественных исследователей значительное количество работ1 выполнено учеными ЦАРИ и Казанского университета. Основные направления приложений методов теории ОКЗ в механике сплошной среды разработаны Г, Г, Тумаше-вым, М. Т. Нужиным, Н. Б. Ильинским, О. М, Киселевым, В. В. Клоковым, A.M. Елизаровым, A.B. Потагоевым, Д. В, Максаковым [49,53,69,92,135, 1.60−164, j 75Л 85] и др. К настоящему времени разработаны обратные методы" относящиеся как методам особенностей, так. и к методам поли. Методы гидродинамических особенностей идеально приспособлены для решения ОКЗ А. Сюда относятся работы [J.30−132,141,142,149,173] и др.
Данная работа посвящена дальнейшему развитию численных методов расчета обтекания сечений крыла, идеальным и вязким потоками несжимаемой жидкости. Значительный прогресс в решении уравнения для потенциала, в случае профиля, с произвольным контуром был достигнут с помощью метода Галеркина. Коррекция распределения давления позволила однозначно определить аэродинамические характеристики профиля при заданных значениях уравнения контура >'(а), числа.
Рейнольдса Re и угла атаки а.
Создание и совершенствование методов расчета аэродинамических характеристик профиля крыла конечного размаха и ЛА. с использованием ЭВМ представляют1 актуальную задачу в области вычислительной аэродинамики. Хотя экспериментальные исследования и являются наиболее достоверными, но рост стоимости проведения экспериментов и снижение стоимости выполнения расчетов создают благоприятные условия для внедрения численных методов как основного средства аэродинамического проектирования самолета, Теоретические методы позволяют проводить параметрические исследования — выявить влияние геометрических параметров крыла на ого аэродинамические характеристики, При этом экспериментальные исследования самолета — прототипа дополняются расчетными данными. Кроме того, методы решения обратных краевых задач аэродинамики позволяют найти геомезрию несущей поверхности по заданному распределению давления, что невозможно выполнить с помощью эксперимента. является: разработка более совершенного численного метода, расчета, аэродинамических характеристик сечений крыла в несжимаемой жидкости".
Теоретическое значение и научная новизна работы определяются следующим образом:
— Усовершенствован метод расчета, обтекания произвольного профиля потенциальным потоком несжимаемой жидкости. Интегральные уравнения, ж которым сводятся граничные условия, решены методом Га-леркини, Этот метод позволил снизить на порядок число алгебраических уравнений по сравнению с прямым методом. Кроме того, путем интегрирования по частям с использованием, обращения пробных, функций в нуль на концах интервала определения удалось преобразовать интегральные уравнения: изменить ядро и правую часть, Благодаря этому просто вычисляются интегралы" гювьшгаегся эффективность и точность вычислений,.
— Разработан метод модификации формы профиля по распределению скорости, мало отличающемуся' от распределения скорости на изустном профиле. С помощью полиномов Якоби обеспечиваются форма, кромок профиля и замкнутость контура, Интегро-дифференциальное уравнение решено методом Галеркина.
— Решена задача расчета аэродинамических характеристик профиля с учетом вязкости в несжимаемом потоке, Учет влияния вязкости на хараюгеристики профиля выполнен в приближении пограничного слоя.
Разработан метод коррекции давления обеспечивающий завершение итерационного процесса расчета обтекания профиля. вязким потоком,.
— Результаты, подученные в теории профиля в потенциальном потоке несжимаемой жидкости, использованы при расчете аэродинамических характеристик сечений несущих поверхностей с учетом влияния границ потека и при построении теории крыла, конечного размаха.
Методика исследований Математическое моделирование основано на использовании теории потенциала для численных расчетов полей течения при обтекании от произвольной формы и интегральных методов расчета, параметров пограничного слоя. Проведенные исследования опираются на следующие положения математической физики:
— Расчет потенциального обтекания профиля сводится к решению уравнения Лапласа, Суммарный потенциал течения ищется в виде потенциала плоскопарадлельного потока и потенциала вихревого слоя. Интенсивность особенностей определяется из интегральных уравнений, которые решаются методом Галеркина,.
— Использование теории потенциала для решения ОКЗА сводится к решению интегро-дафффшшального уравнения методом Галеркина. Закон восстановления давления в зоне торможения потока взят в виде функций, предложенных Г. Ю. Степановым и Б. Отрэтфордом.
— Учет влияния вязкости на. характеристики профиля выполнен в приближении пограничного слоя с использованием методов Лойцянско-го и Гарнера. Предложен метод коррекции давления в процессе вычислительной процедуры, обеспечивающий завершение итерационного процесса.
— Суммарный потенциал течения при расчете обтекания крыла конечного размаха потоком идеальной несжимаемой жидкости сзроится как сумма, потенциалов иевозмущенного потока, вихревой поверхности на 'крыле и свободной вихревой пелены за крылом.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и вытекающих из них выводов обеспечены путем следующих сравнений:
— Распределенные и суммарные характеристики профиля в потенциальном потоке несжимаемой жидкости сравниваются с данными точных решений, полученных методом конформных отображений.
— Характеристики профиля, найденные с учетом вязкости, сравниваются с экспериментами ЦАГИ и NACA, а также с данными других авторов.
— Результаты расчета обтекания крыла конечного размаха сравниваются с данными других авторов.
Практическая значимость. Работа выполнена в рамках совместных НИР, производимых КГТУ А. Н. Туполева с АНТК А. Н. Туполева. Результаты этих исследований, изложенные в научно-технических отчетах и справках (см. [Д.2-Д.31]) используются в научно-технических разработках АНТК А. Н. Туполева. На основании полученных результатов написаны два учебных пособия [116,122]. Предлагаемый метод расчета характеристик профиля используется студентами при дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры аэродинамики КАИ (руководитель — профессор В.Г. Павлов), на Итоговых научных конференциях Казанского авиационного института, на Научных семинарах СибНИА (руководитель — к.т.н. С.Т. Кашафутдинов), на III Всесоюзной научно-технической конференции по прикладной аэродинамике в Киеве, на Научно-техническом совете МАИ (руководитель — академик Ю.А. Рыжов), на семинаре в ЦАГИ (руководитель — д.т.н. Павловец Г. А.), на Научном семинаре отдела краевых задач НИИММ имени Н. Г. Чеботарева (руководитель — профессор Н.Б. Ильинский), МГУ (руководитель — академик Г. Г. Черный), ВВИА имени Н. Е. Жуковского (руководитель — профессор М.И. Ништ).
Пубшкашш, По теме диссертации опубликованы 27 статей [87, 104−1.29], в том числе, два учебных пособия [116,122], По теме диссертации оформлены 29 научно-тежнических отчетов и справок [Д.2.-Д.31],.
Структура, и объем диссертации, Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. РАСЧЕТ ОБТЕКАНИЯ ПРОФИЛЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ПОТОКОМ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ.26.
1.1. Обзор и анализ методов расчета.27.
1.2. Основные уравнения потенциала вихревого слоя в теории профиля.31.
1.3. Метод Галеркина.39.
1.4. Применение «панельного метода» .41.
1.5. Вычисление аэродинамических характеристик профиля. 45.
1.6. Результаты расчетов и их анализ.47.
1.7. Сходимость метода координатных функций .49.
1.8. К преобразованию интегральных уравнений.51.
1.9. Краткий сравнительный анализ методов расчета обтекания профиля .53.
1.10. Выводы rio первой главе.54.
2. ПОСТРОЕНИЕ КОНТУРА ПРОФИЛЯ IIO ЗАДАННОЙ СКОРОСТИ В ПОТОКЕ ИДЕАЛЬНОЙ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ. 91.
2.1. Обзор и анализ методов решения обратной задачи.91.
2.2. Постановка задачи. 93.
2.3. Математическое описание контура профиля.95.
2.4. Проектирование профиля по заданному распределению давления.98.
2.5. Определение угла атаки.100.
2.6. Проектирование профиля с учетом условия безотрывиости обтекания.101.
2.7. Результаты расчета и их анализ.107.
2.8. Выводы по второй главе.109.
3. РАСЧЕТ ОБТЕКАНИЯ ПРОФИЛЯ ПОТОКОМ ВЯЗКОЙ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ.125.
3.1. Обзор и анализ методов расчета.127.
3.2. Метод расчета на основе модели вязко-невязкого взаимодействия .130.
3.3. Обеспечение единственности решения задачи обтекания профиля вязким потоком. 140.
3.4. Расчет суммарных аэродинамических характеристик профиля .147.
3.5. Результаты расчетов и их анализ.149.
3.6. Выводы по третьей главе.151.
4. ВЛИЯНИЕ ГРАНИЦ ПОТОКА НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКГЕРИСТИКИ ПРОФИЛЯ.178.
4.1. Влияние экрана на аэродинамические характеристики профиля. 178.
4.2. Влияние свободной поверхности жидкости на аэродинамические характеристики профиля.183.
4.3. Проектирование профиля вблизи свободной поверхности. 190 4.3. Выводы по четвертой главе.191.
5. РАСЧЕТ ОБТЕКАНИЯ КРЫЛА КОНЕЧНОГО РАЗМАХА ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ПОТОКОМ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ. 197.
5.1. Обзор и анализ методов расчета. 197.
5.2. Основные уравнения метода вихревой поверхности.206.
5.3. Преобразование уравнения. 213.
5.4. Метод базисных функций.220.
5.5. Аэродинамические характеристики крыла конечного размаха на дозвуковых скоростях.223.
5.6. Результаты расчетов и их анализ.226.
5.7. Выводы по пятой главе.229.
242.
АББРЕВИАТУРЫ, ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.244.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.246.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ. 268.
ПРИЛОЖЕНИЯ.272.
ПРИЛОЖЕНИЕ А.272.
ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ФУНКЦИЙ, ЗАДАННЫХ В.
ДИСКРЕТНЫХ ТОЧКАХ.272.
ПРИЛОЖЕНИЕ В. 277.
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРОФИЛЕЙ.277.
277.
В.1.ПЛАСТИНА.278.
В.2. ЭЛЛИПС.279.
В.З. ДУГА ОКРУЖНОСТИ.280.
В.4. ДВУУГОЛЬНИК.284.
В.5. ПРОФИЛИ ЖУКОВСКОГО-ЧАПЛЫГИНА.287.
В.6. ОБОБЩЕННЫЙ ПРОФИЛЬ ЖУКОВСКОГО-ЧАПЛЫГИНА.291.
Основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Разработан эффективный численный метод расчета обтекания произвольного профиля потенциальным потоком несжимаемой жидкости. Результаты расчета сравниваются с данными точных решений полученных методом конформных отображений. Расхождения между результатами численного и точного методов составляет не более 1−4-2%. Рассмотрен вопрос о сходимости метода. Универсальность и высокая степень точности метода достигнута за счет усовершенствования математической модели и математического метода решения интегральных уравнений — выбора ортогональных пробных функций и применения модифицированного метода Галеркина,.
2. Решена задача модификации контура профиля по хордовой диаграмме скорости в идеальной жидкости. Получены уравнения для определения координат средней линии, полутолщины профиля и угла атаки. Коэффициенты пробного решения определяются методом Галеркина. Безотрывность обтекания в зоне с положительным градиентом давления обеспечивается путем задания законов распределения скоростей, рекомендованных Г. Ю. Степановым и Б. С. Стрэтфордом. Приведены примеры расчета (точность расчета — в пределах 1*2%).
3. Разработан метод расчета аэродинамических характеристик профиля при обтекании его потоком вязкой несжимаемой жидкости. Учет влияния вязкости на характеристики профиля осуществлен в приближении пограничного слоя. Уточнена математическая модель «вязко-невязкого» взаимодействия. Впервые разработан метод коррекции давления, обеспечивающей завершение итерационного процесса. Расчетные значения распределенных и суммарных характеристик известных профилей сравниваются с данными экспериментов ЦАГИ, NACA и с результатами расчета других авторов (расхождения между результатами численного расчета и экспериментов в пределах 5*7%).
4. Решены прямые и обратные краевые задачи аэродинамики для профиля с учетом границ потока. Здесь используется методы, разработанные для расчета профиля в неограниченном потоке.
5. Усовершенствован математический метод расчета обтекания крыла конечного размаха идеальной жидкостью за счет выбора ортогональных пробных функций и за счет преобразования интегральных уравнений. Уменьшено количество решаемых алгебраических уравнений относительно коэффициентов пробного решения.
Разработанные в диссертации методы реализованы в виде прикладных программ, которые используются в научно-технических разработках АО АНТК им. А. Н. Туполева и в учебном процессе.
АББРЕВИАТУРЫ, ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
ЛА — летательные аппараты.
ОКЗ — обратные краевые задачи.
ОКЗА — обратные краевые задачи аэрогидродинамики.
Г1КЗА — прямые краевые задачи аэрогидродинамики.
MBH — метод взвешанных невязок.
Сх — коэффициент аэродинамической продольной силы.
— коэффициент лобового сопротивления.
Cv — коэффициент аэродинамической нормальной силы Су — коэффициент аэродинамической подъемной силы К = CyJCXa — аэродинамическое качество р V2 ————- - скоростной напор невозмущенного потока ср — {рpSi/^oo — коэффициент давления.
— плотность невозмущенного потока р — давление, а — геометрический угол атаки а0 — угол атаки (при Су = 0).
2кр — критический угол атаки (при Суа ~ Суатях).
Г = - циркуляция скорости.
Су" - dCvJda — градиент изменения СУл.
С&bdquo- - коэффициент подъемной силы в идеальной жидкости ст — коэффициент момента тангажа относительно передней кромки профиля ПС — пограничный слой Re = VJbf v — число Рейнольдса.
Vrj0 — скорость невозмущенного набегающего потока b — хорда профиля v — кинематический коэффициент вязкости S — толщина пограничного слоя — толщина вытеснения пограничного слоя.
— толщина потери импульса пограничного слоя «- толщина потери энергии пограничного слоя Нуу ~ $/г — параметр пограничного слоя Н32 = о /о — параметр пограничного слоя.
Уе — распределение скоростей на внешней границе пограничного слоя.
Су — местный коэффициент трения.
5 — площадь крыла.
Ь — хорда крыла с — стах/Ь — относительная толщина профиля /тя%/Ь — относительная вогнутость профиля сшах — максимальная толщина профиля.
Лшх — максимальная вогнутость профиля хс — абсцисса точки максимальной толщины профиля.
Ху — абсцисса точки максимальной вогнутости профиля.
Хра — абсцисса аэродинамического фокуса по угулу атаки.
— размах крыла.
Л = ?2/$ - удлинение крыла.
.
Применение современных ЭВМ на различных стадиях проектирования самолетов позволяет значительно сократить трудоемкость этого процесса, организовать комплексную оптимизацию ряда параметров, увеличить число рассматриваемых решений и тем самым сократить расходы на стадии проектирования. При этом задача аэродинамического проектирования самолетов решается на основе теоретических (аналитических и численных) и экспериментальных исследований.
Диссертационная работа посвящена дальнейшему развитию и усовершенствованию математической модели и математических методов решения прямых и обратных краевых задач аэродинамики в теории крыла. Математическое моделирование невязких течений основано на использовании метода гидродинамических особенностей, а численная реализация — метода В. Г. Галеркина, Учет влияния вязкости основан на зональном подходе. Параметры пограничного слоя рассчитываются интегральными методами Л. Г. Лойцянского и Г. К. Гарнера.