Исследование аэродинамических характеристик воздушных винтов вблизи экрана в присутствии корпуса дирижабля

Ле Куок Динь, Данг Нгок Тхань

(Московский авиационный институт — МАИ)

УДК: 533.601 (075.8)

Исследование аэродинамических характеристик воздушных винтов вблизи экрана в присутствии корпуса дирижабля

Исследование аэродинамических характеристик подъемных винтов и летательных аппаратов с такими винтами вблизи экрана проводятся достаточно долгое время (см., например, [1]). Однако, особенности аэродинамических характеристик винтов дирижабля, имеющих тягу, совпадающую по направлению с аэростатической силой дирижабля (в особенности в условиях натекания на дирижабль ветрового потока), рассмотрены еще не достаточно. Изучение данного вопроса являлось целью настоящей работы.

Объектом исследований были два двухлопастных винта малоразмерного дирижабля классической схемы, расположенные симметрично относительно базовой плоскости дирижабля на расстоянии = bв/Dв = 3,29 один от другого. Здесь bв — расстояние между осями винтов, Dв — диаметр винта. В сечениях лопастей винта использовался модифицированный профиль RAF-6. Геометрические параметры винта в виде зависимостей крутки, относительной ширины лопасти, толщины и кривизны от относительного радиуса представлены на рис. 1.

Здесь r — радиус сечения его лопасти; - угол ее установки; - угол установки при = 0,75; b, c, f — хорда, толщина и кривизна средней линии профиля. Плоскость вращения винтов была параллельна экрану и располагалась на относительном расстоянии 0,07…6,5 от него. Местные числа Маха винтов изменялись в пределах М0 = 0,11…0,69.

а) б) в) г) Рис. 1. Зависимости относительной ширины (а), крутки (б), толщины (в) и кривизны (г) профиля лопасти винта от относительного радиуса Числа Рейнольдса составляли Re = (0,41…2,51)х107 и подсчитывались по диаметру винтов, окружной скорости, при значениях плотности и динамической вязкости с = 1,225кг/м3, µ=1,789×10−5 кг/мс, соответственно. При обдувке винтов в присутствии корпуса дирижабля ветровым потоком изучалось только влияние постоянной составляющей ветра, изменяющейся по высоте над экраном по степенному закону.

Малоразмерный дирижабль имел оболочку с удлинением л = 4, гондолу, ориентированные по схеме «х» трапециевидные консоли оперения с профилем NACA 0006 и не отклоненными рулями. Размеры и расположение винтов относительно корпуса дирижабля характеризовались параметрами: = dв/D = 0,153, 0,505; =lв/D = 1,62; = hв/D = 1,359,. Здесь bв — поперечное расстояние между осями винтов, lв — расстояние плоскости вращения винтов от носка оболочки (в варианте дирижабля «вдали от экрана»), hв — расстояние их осей до продольной оси оболочки (по высоте); D — диаметр миделевого сечения оболочки.

Задача решалась численно. Использовались записанные для пространственного течения осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса, замкнутые моделью турбулентности «SST k-щ», и метод контрольного объема. Для расчетов был применен комплекс вычислительных программ, содержащий адаптированный авторами к поставленной задаче программный комплекс ANSYS 12.0 а также специальные программы, разработанные авторами для решения поставленной задачи. В результате расчетов были получены параметры потока в расчетных точках вблизи винтов, найдены коэффициенты тяги винтов, которые подсчитывались по числу оборотов, диаметру винта и плотности атмосферы.

На рис. 2 показаны примеры картин линий тока в окрестности одного изолированного винта вблизи экрана. Видно характерное подсасывание потока к винтам и его растекание вдоль экрана (рис. 2а). В ветровом потоке, натекающем на винты (рис.2б) эта картина изменяется незначительно.

Рис. 2. Примеры картин линий тока вблизи изолированных винтов в присутствии экрана, = 0,47, М0 = 0,687: а) без ветра, б) с ветром, Vв = 10 м/c

На рис. 3 представлены графики, иллюстрирующие влияние относительного расстояния плоскости вращения изолированных винтов от экрана и местного числа Маха винтов на величины коэффициента их тяги (рис. 3а). Можно видеть, что с удалением от экрана величина коэффициента тяги винтов быстро уменьшается. Причем это уменьшение может составлять до 19% от величины коэффициента тяги винтов вдали от экрана (рис. 3б). При М0 = 0,69 его максимальная величина составляет около 16,5% (рис.3б). При? 1,5 удаление изолированных винтов от экрана практически не влияет на величину коэффициента их тяги при всех рассмотренных местных числах Маха винтов.

а) б) Рис. 3. Зависимость коэффициента силы тяги (а) и отношения модуля коэффициента тяги изолированных винтов вблизи экрана к коэффициенту тяги винтов без экрана (б) от местного числа Маха винта и относительного расстояния до экрана (без ветра) Если изолированные винты, работающие «на подъем», подвергаются воздействию бокового ветра, натекающего на винты вдоль экрана, то характерные особенности изменения коэффициента их тяги по параметру остаются такими же, как и при отсутствии ветра. Однако, как видно из графиков на рис. 4, с увеличением осредненной скорости ветрового потока на малых расстояниях винтов от экрана (< 1,5) коэффициент тяги изолированных винтов уменьшается быстрее, чем в отсутствие ветрового потока.

Рис. 4. Влияние осредненной скорости ветра на коэффициент тяги изолированного винта вблизи экрана при различных значениях местного числа Маха винтов М0

При? 1,5 и скоростях ветра V? 10 м/с величины коэффициента тяги изолированных винтов слабо растут с увеличением параметра при всех рассмотренных значениях М0.

Когда винты, работающие «на подъем», установлены вблизи гондолы и корпуса малоразмерного дирижабля, коэффициент их тяги в условиях отсутствия ветрового потока также уменьшается с ростом относительного расстояния плоскости вращения винтов от экрана (рис. 5а, б). Но это наблюдается при всех принятых в исследовании значениях параметра? 6,5 и происходит на большем расстоянии от экрана, чем в случае изолированных винтов (где оно имело место при? 1,5). Абсолютная величина отмеченного падения коэффициента тяги винтов в присутствии гондолы и корпуса дирижабля существенно меньше того, что наблюдалось для изолированных винтов. Она не превышает 2,5% от величин коэффициента тяги винтов в присутствии корпуса на удалении от экрана (при > 6,5). С ростом значений местного числа Маха М0 падение величин коэффициента тяги винтов, установленных вблизи гондолы и корпуса дирижабля, уменьшается при постоянном значении параметра (рис. 5а, 5б).

а) б) Рис. 5. Зависимость коэффициента тяги одного винта в присутствии корпуса дирижабля (а) и отношения модуля коэффициента тяги винтов (б) в присутствии корпуса дирижабля вблизи экрана к коэффициенту тяги винтов без экрана от относительного расстояния плоскости вращения винта до экрана и числа М0 (без ветра) Влияние изменения величины скорости бокового ветра, натекающего вдоль экрана на дирижабль при нулевом угле в к продольной оси его корпуса, на изменение по параметру величин коэффициента тяги винтов в присутствии гондолы и корпуса дирижабля оказывается незначительным и не превышает 2% (рис. 6а). Влияние на величины коэффициенты тяги винтов изменения угла в оказывается более существенным.

а) б) Рис. 6. Влияние осредненной скорости ветра и угла в на коэффициент тяги одного винта в присутствии корпуса дирижабля вблизи экрана, Мо =0,69: а — в = 0, б — Vв = 10 м/c

Как видно из графиков на рис. 6 б, при скорости ветра Vв = 10 м/c коэффициенты тяги сложным образом изменяются по углу в, а величины коэффициента тяги винтов могут измениться на 6%. При этом изменение по в величин коэффициентов тяги винта сильно зависит от расстояния плоскости вращения винтов до экрана.

аэродинамический винт дирижабль

Библиографический список

1. Артамонов Б. Л. Исследование взаимодействия между несущим винтом и корпусом вертостата // Темат. Сборник научных трудов «Проблемы проектирования винтокрылых ЛА». — М.: Изд-во МАИ, 1992, с. 72−83.

2. Юн А. А. Теория и практика моделирования турбулентных течений. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. — 272 с.