Книги по разным темам Журнал технической физики, 1998, том 68, № 11 01;03 Идентификация механизма головной стабилизации при численном моделировании ламинарного несимметричного обтекания цилиндра с выступающим диском потоком вязкой несжимаемой жидкости й С.В. Гувернюк, С.А. Исаев, А.Г. Судаков Академия гражданской авиации, 196210 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 9 февраля 1998 г.) При решении факторизованным конечно-объемным методом уравнений НавьеЦСтокса в рамках упрощенного подхода на основе аналитического задания метрических коэффициентов анализируется физический механизм головной стабилизации, обусловленный деформацией пространственных вихревых структур, организованных при обтекании цилиндра с выступающим тонким диском.

Концепция организации обтекания тел за счет пред- боре надлежащих размеров и расположения щита перед намеренного формирования вблизи них крупномасштаб- торцом параллелепипеда, имитирующего груз типа балки ных вихревых структур при размещении выступающих или контейнера. Однако обеспечить устойчивость полета тонких пластин и дисков, предложенная более двадцати тел такой компоновки удалось только при использовании лет назад И.А. Беловым [1], оказалась исключительно хвостовых стабилизаторов. В результате комплексного плодотворной для достижения положительных эффектов подхода на основе расчетов, трубного эксперимента и снижения аэродинамического сопротивления плохообте- летных испытаний предложенное решение было обоскаемых тел и существенного повышения их статиче- новано, однако эффект головной стабилизации и гиской устойчивости (последний эффект получил название дродинамические аспекты его управляющего механизма эффекта головной стабилизации). Выбор композиции не получили достаточного освещения. В определенной затупленных тел с выступающим соосным диском по- мере это обусловлено значительными вычислительными зволил в несколько (в 2Ц4) раз уменьшить их волновое трудностями решения задачи пространственного обтекасопротивление в режиме сверхзвукового обтекания [2] и ния тел нетрадиционной компоновки с организованными почти на два порядка снизить профильное сопротивле- отрывными зонами. Таким образом, очевидный дефицит ние цилиндра [3Ц4] при осесимметричном турбулентном информации по головной стабилизации и необходимость обтекании его потоком несжимаемой жидкости. более качественного и точного разрешения данной проблемы продиктовали обращения к классической задаПроблема снижения сопротивления движению тел с организованным отрывом потока как первая часть ком- че обтекания потоком вязкой несжимаемой жидкости полубесконечного цилиндра с диском при ненулевом плексной задачи выбора аэродинамического облика тел угле атаки с детализацией решения в пределах передней нетрадиционной формы получила подробное и успешное разрешение в рамках численного и физического модели- срывной зоны.

рования. Существование оптимальных по профильному и В данном численном исследовании центральное место лобовому сопротивлению компоновок диска и цилиндра уделено детальному анализу управляющего механизма большого удлинения для режима ламинарного обтека- головной стабилизации и идентификации пространственния [5], оценка существенного влияния на сопротивление ных вихревых структур методом компьютерной визуалител с передней срывной зоной степени турбулентности зации течения на основе полученных картин растекания набегающего потока [6], распространение идеи органи- потока по контрольным поверхностям и наблюдения зованного отрыва потока на течение в ближнем следе за треками меченых жидких частиц при использовании за телом и поиск оптимальных по сопротивлению ком- пакета графической интерпретации результатов численпоновок цилиндра малого удлинения с выступающими ных расчетов Tecplot. Рассматривается оптимальная по дисками, сопоставимых по Cx с телами удобообтекаемой профильному сопротивлению (при высоких числах Рейформы [7], Ч далеко не полный перечень результатов нольдса [3,4]) компоновка полубесконечного цилиндра с выполненных систематических исследований по указан- выступающим диском (d = 0.75, l = 0.375) в режиме ной проблематике. устойчивого ламинарного обтекания при Re = 700 и Первичная проработка проблемы статической устой- 1000 с образованием передней отрывной зоны при углах атаки 0 и 5. Диаметр соединительного стержня 0.18.

чивости тел с организованными крупномасштабными вихревыми структурами осуществлена на примере за- В качестве характерных масштабов выбраны диаметр цилиндра и скорость набегающего потока.

дачи обтекания грузов, транспортируемых на внешней подвеске вертолетами [8,9]. Техническое решение этой В отличие от развитого ранее подхода [9] по численпрактической (эксплуатационной) задачи состоит в вы- ному моделированию отрывного обтекания груза при Идентификация механизма головной стабилизации при численном моделировании... Рис. 1. Картина обтекания полубесконечного цилиндра с диском диаметра d = 0.75 и зазором l = 0.375 при числе Рейнольдса Re = 103 в осевой плоскости x-y при углах атаки 0 (a) и 5 (b) с нанесенными пунктиром изобарами (избыточное давление отнесено к удвоенному скоростному напору).

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 140 С.В. Гувернюк, С.А. Исаев, А.Г. Судаков Рис. 2. Картина растекания жидкости по торцу цилиндра с выступающим диском (Re = 103) при углах атаки 0 (a) и 5 (b) с нанесенными пунктиром изобарами.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Идентификация механизма головной стабилизации при численном моделировании... Суммарные аэродинамические характеристики рассматриваемых затупленных тел и их составляющие Полубесконечный цилиндр Компоновка дискЦполубесконечный цилиндр при d = 0.75, l = 0.Re 700 700 0 5 0 5 0 CX1 0.762 0.779 -0.212 -0.184 -0.367 -0.CX2 - - 0.42 0.42 0.378 0.CX3 - - 0.142 0.128 0.211 0.CX4 0.762 0.779 0.349 0.363 0.221 0.MZ1 -0.506 10-4 -0.913 10-2 0.183 10-3 -0.0154 0.176 10-3 -0.MZ2 - - 0.28 10-4 -0.00382 -0.302 10-4 -0.MZ3 - - -0.266 10-4 0.00197 -0.201 10-4 0.482 10-MZ4 -0.506 10-4 -0.913 10-2 -0.184 10-3 -0.0167 0.126 10-3 -0.Vm -0.0606 -0.102 -0.146 -0.31 -0.192 -0.П р и м е ч а н и е. CX Ч коэффициент сопротивления, MZ Ч коэффициент поперечного момента. Индексы 1Ц4 относятся к торцу цилиндра, передней стороне диска, задней стороне диска и к компоновке тела соответственно; m Ч минимальная величина.

использовании H-образных, в общем случае неортого- следствие, к двукратному падению профильного сопрональных, согласованных с поверхностью тела сеток с тивления (CX4). Как видно из рис. 1, a, в зазоре между расположением узловых точек в плоскостях, перпенди- диском и цилиндром при нулевом угле атаки возникулярных и параллельных направлению набегающего по- кает тороидальный вихрь, интенсивность возвратного тока со сгущением их вблизи стенки и в зонах развития течения (Vm) в котором составляет 15% от скорости сдвиговых слоев, в данном исследовании применяется набегающего потока. Низкое (отрицательное) давление цилиндрическая, согласованная с омываемой поверхнов вихре, практически одинаковое по всей ПСЗ (рис. 2, a), стью сетка. Это позволяет существенно (в пять и более обусловливает возникновение тянущей силы со стороны раз) увеличить плотность ячеек в пределах передней цилиндра (CX1), что предопределяет эффект снижения отрывной зоны. Кроме того, чтобы избежать проблем, сопротивления затупленных тел с выступающим диском.

связанных с интерполяцией метрических коэффициенС ростом числа Re интенсивность отрывного течения тов, используется упрощенный подход на основе задания возрастает, а профильное сопротивление существенно аналитической метрики. Во всех остальных подробнопадает (более чем в три раза по сравнению с CXстях методология данного исследования не отличается цилиндра).

от изложенной в [4]. С помощью неявного конечноПри наличии (сравнительно малого) угла атаки обтеобъемного метода в рамках концепции расщепления кание цилиндра с диском приобретает весьма сложный по физическим процессам решается система уравнений пространственный характер. Деформация тороидального НавьеЦСтокса, записанная в естественных переменных вихря происходит прежде всего в осевой плоскости, для декартовых составляющих скорости. На входной грапараллельной набегающему потоку. При этом вихрь нице расчетной области задается равномерный поток. На становится резко неоднородным. Интенсификация возвыходных границах ставятся мягкие граничные условия вратного течения с наветренной части (Vm возрастает (условия продолжения решения из внутренних точек на вдвое и доходит до 30% от скорости набегающего пограницу области). На твердых поверхностях выполняюттока) сочетается с ослаблением отрывного течения с ся условия прилипания. Расчет стационарного обтекания подветренной стороны. Как следствие, деформации вихтела выполнен на сетке, содержащей 51 66 61 ячеек.

ря происходят перераспределение локальных силовых При этом в зазоре между диском и цилиндром сосредонагрузок по торцевой стенке цилиндра, вызывающее возточено порядка 30 тысяч расчетных узлов.

никновение значительного восстанавливающего момента На рис. 1, 2 и в таблице последовательно сопоставляMZ4 (головной стабилизации).

ются расчетные результаты для ламинарного обтекания полубесконечного цилиндра при наличии (при Re = Сложная вихревая структура течения характеризуется и 1000) и в отсутствие (при Re = 700) перед ним возникновением струйных потоков в особых точках стедиска при углах атаки 0 и 5. Следует отметить, что кания типа фокуса на торце цилиндра (рис. 2, b), перетеполученные результаты коррелируют с приведенными канием жидкости с наветренной стороны тороидального в [4,5] решениями для осесимметричного ламинарного вихря на подветренную и далее на боковую поверхность обтекания цилиндра с диском и данными визуализации с всасыванием жидкости с подветренной стороны на отрывного течения в гидротрубе.

наветренную сторону.

Размещение диска перед цилиндром приводит к существенной перестройке его обтекания, связанной с Данная работа выполнена при финансовой поддержке образованием передней срывной зоны (ПСЗ), и, как РФФИ по проектам № 95-01-00728 и 96-01-00298.

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 142 С.В. Гувернюк, С.А. Исаев, А.Г. Судаков Список литературы [1] Белов И.А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградами. Л.: Машиностроение, 1983. 144 с.

[2] Белов И.А., Исаев С.А. // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. Вып. 10.

С. 608Ц611.

[3] Koenig K., Roshko A. // J. Fluid Mech. 1985. Vol. 156.

P. 167Ц204.

[4] Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1989. 256 с.

[5] Бобышев В.К., Исаев С.А., Лемко О.Л. // ИФЖ. 1986. Т. 51.

№ 2. С. 224Ц232.

[6] Бобышев В.К., Исаев С.А. // ИФЖ. 1990. Т. 58. № 4.

С. 556Ц572.

[7] Исаев С.А. // ИФЖ. 1995. Т. 68. № 1. С. 19Ц25.

[8] Белов И.А., Бобышев В.К., Исаев С.А. // Исследования по аэродинамике и динамике полета. Киев: КИИГА, 1988.

С. 122Ц129.

[9] Исаев С.А., Сумовский Н.А. // ИФЖ. 1997. Т. 70. № 6.

С. 990Ц995.

Журнал технической физики, 1998, том 68, №    Книги по разным темам