УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЗВУКОВОГО УДАРА И АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ПУТЕМ КРИОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕСС ОБТЕКАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В. М. Фомин, В.Ф. Чиркашенко, А.М. Харитонов, В.Ф. Волков, ICMAR 2012 КАЗАНЬ, RUSSIA Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича СО РАН Kristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Формирование волны звукового удара.

Задача минимизации ЗУ решается сочетанием экспериментальных и расчетных методов. Комбинированный экспериментально-расчётный метод, предложенный В.Ф. Чиркашенко и Ю.Н. Юдинцевым, заключается в измерении профилей возмущённого статического давления вблизи модели, в рабочей части аэродинамической трубы, и их пересчёт на большие расстояния с помощью квазилинейной теории. Эксперименты проводились в сверхзвуковой аэродинамической трубе ИТПМ Т-313 при М=2 и Re=25*10 6. Для численного моделирования использовался программный комплекс FLUENT, с помощью которого в рамках уравнений Навье-Стокса решалась задача трехмерного обтекания модифицированного степенного тела.

Цель исследования. - Исследование возможности увеличения протяжённости средней зоны ЗУ по высоте полёта с целью затянуть момент взаимодействия промежуточной УВ с ГУВ на большие удаления от тела; - формирование висячей УВ в непосредственной близости от поверхности тела; Уменьшения интенсивности висячей УВ при снижении за ней температуры потока; б. Ослабление УВ Усиление УВ Косая УВ

5,5 4,512,5 7,3 мм Модифицированное степенное тело (удлинение 6, показатель степени 0.75, относительный радиус затупления 0.2, диаметр миделя 50мм, переменная степень перфорации от 7.5 до 1.5%, диаметр отверстий мм). В качестве базовой модели использовалось модифицированное степенное тело вращения. модель 3,модель 2;4 модель1

ICMAR 2012 КАЗАНЬ RUSSIA 1 – модифицированное тело, 2 – головная ударная волна, 3 – волна разрежения, Влияние степени затупления и удаления на сопротивление модифицированного степенного тела вращения (n=0.72, М=2.03). Схема обтекания модифицированного степенного тела. 4 - волны сжатия, 5 – висячая ударная волна.

СС Структура течения вблизи модифицированного степенного тела. Формирование промежуточной УВ происходит в непосредственной близости от обтекаемой поверхности тела. Расширяющийся в результате обтекания сферического затупления поток генерирует за линией сопряжения поверхностей тела сферической и степенной формы систему волн сжатия, взаимодействие которых приводит к образованию висячей промежуточной УВ.

Расположение модели и пластины в рабочей части аэродинамической трубы Т-313. Measuring plate Feeder pipeline Model а

Схема проведения эксперимента в аэродинамической трубе Т – модель, 2 – хвостовая державка, 3 – кронштейн, 4 – рабочая часть аэродинамической трубы Т-313, 5 – измерительная дренированная пластина, 6 –датчики давления, 7 – система регистрации, 8 – персональный компьютер, 9 – резервуар с жидким азотом ТРЖК- 2У, 10 – магистраль подвода жидкого азота к камере давления, 11 – трубопровод диаметром d у = 8 мм, 12 – трубопровод диаметром d у = 6 мм, 13 – промежуточная державка, 14 – фторопластовая проставка, 15 – сменный носик модели, 16 – цанговый зажим, 17 – термоизолятор, 18 – смотровое окно

Изменение интенсивности головной ударной волны по мере удаления от тела 1 – неохдажденная модель; 2 – 4 – захоложенная модель: статическое давление за УВ P = 1.35 ати; 3 - P = 1.85 ати 4 - P = 1.5 ати. K = H/dм

Распределенная инжекция хладагента в зону формирования висячей УВ при обтекании степенного тела. Профили давления, при обтекании модели 4 (S п =8-1.5%) 1 - Р = 0, 2 – Р = 0.15МПа Изменение температуры вблизи поверхности тела во времени а) неохлаждённая модель б) охлажденная модель 1 – неохлажденная модель, 2 – захоложенная модель; Профили давления на различных удалениях от модели. Изменение температуры на поверхности модели

Сравнение способов криогенного воздействия Изменение протяженности средней зоны в зависимости от давления хладагента Зависимость расхода хладагента через перфорацию от давления: 1-вода; 2- азот. Структура течения вблизи тела. а – без выдува; б- с выдувом: 1 – модель, 2 – дырчатая перфорация, 3 – головная УВ, 4 –звуковая линия, 5 - волны разрежения, 6 – волны сжатия, 7 – слой переохлажденного газа, 8 – висячая УВ

Инжекция холодного воздуха и жидкого азота при повышенных расходах Профили избыточного давления вблизи модифицированного тела (К-3.7): 1 – эксперимент (инжекция жидкого азота с расходом кг/c).; 2 – расчет (инжекция воздуха при температуре Т o = 85К с расходом кг/с. Инжекция холодного воздуха с увеличением расхода приводит к существенному усилению головной ударной волны, что указывает на нецелесообразность использования газа для управления параметрами висячей ударной волны.

Влияние температуры и процесса испарения инжектируемого хладагента Профиль избыточного давления на различных удалениях от модифицированного степенного тела (М=2.03, dm/dt=0.0125кг/с, Р=0.15МПа): 1 – температура выдуваемого газа Т=300К, 2 – температура газа Т=85К. К= 3,7К= 4000 Профили относительного избыточного статического давления вблизи степенного тела К= 3,7 модель 4, P = 0.15МПа : 1- спирт, 2 - азот

СУММАРНОЕ ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИСПАРЕНИЯ ХЛАДАГЕНТА Профили относительного избыточного статического давления при различных удалениях от модифицированного степенного тела. 1, 2- P = 0.15МПа; 3-Р=0; 1- спирт, 2 - азот. спирт азот интенсивность головной УВ минимальное давление Р, МПа Изменение интенсивности головной УВ и минимального давления в области расширения в зависимости от давления инжектируемой жидкости а – K=3.7 б - K=6000

Снижение интенсивности ЗУ путем криогенного воздействия на обтекание самолета (патент РФ N ) а) без выдува хладоагента, б) с выдувом хладагента

Смещение вниз по потоку промежуточной висячей УВ 5 и увеличение скорости ее распространения (за счет увеличения интенсивности) относительно УВ создаваемой крылом 3, позволяют сохранить эффекты средней зоны ЗУ до поверхности Земли. В результате у поверхности Земли на фронте волны ЗУ вместо головной УВ, создаваемой самолетом без системы криогенного воздействия, сохраняется система, разнесенных в пространстве УВ, генерируемых затуплением носовой части фюзеляжа 2, промежуточной висячей УВ 5 и УВ от крыла 3. При этом интенсивность головной УВ 2 (от затупления), будет на 40% меньше по сравнению с исходным телом.

Численное моделирование обтекания тела с распределенной инжекцией хладагента. Для численного моделирования процесса обтекания использовался программный комплекс FLUENT. В предположении, что инжектируемый хладагент мгновенно полностью испаряется, в рамках уравнений Навье - Стокса численно решена задача трехмерного обтекания модифицированного степенного тела при распределенной инжекции воздуха с его поверхности. Численное моделирование распределенной инжекции хладагента выполнялось в соответствие со схемой принятой перфорации исследованной модели. Участки перфорированной поверхности с постоянными интервалами между сечениями представлялись в виде проницаемых панелей в форме сегментов с углом раскрытия равным 180 градусов. Расход воздуха через перфорацию каждой панели принимался равным величине пропорциональной площади отверстий каждого участка поверхности от суммарного расхода.

Численное моделирование обтекания модифицированного тела с распределенной инжекцией хладагента а б Расчетная схема и спектр обтекания модифицированного степенного тела: а – носовая часть, б –область сопряжения степенной поверхности с цилиндром, О – контрольное сечение подающего канала. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными: а – численный расчет (изобары), б – эксперимент (теневой снимок обтекания); 1- головная УВ, 2 – висячая УВ в зоне перфорации, 3 - висячая УВ вне зоны перфорации..

Влияние инжекции переохлажденного газа на аэродинамические характеристики модифицированного тела dm / dt, [кг/с] СхСх СyСy

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Разработан и апробирован метод управления параметрами ЗУ путём охлаждения потока (в пределах теплового пограничного слоя) в зоне зарождения волновых структур типа висячего скачка, который позволяет увеличить протяженность средней зоны звукового удара до удалений 7000 калибров и тем самым снизить уровень ЗУ на 40 %. 2. Эффективное увеличение протяженности области минимизации звукового удара (средняя зона), достигается за счет: -- низкой температуры хладагента, предотвращающей усиление головной ударной волны; - - процесса испарения хладагента, обеспечивающего смещение вниз по потоку промежуточной висячей ударной волны за счет формирования эффективного тела слоем переохлажденного газа.

Продолжение 3. Выявлено существенное влияние распределенной инжекции хладагента на структуру возмущенного течения в области формирования висячей УВ. Эффективность воздействия сохраняется на больших удалениях от тела и зависит от схемы организации и режима истечения хладагента. 4. Численно и экспериментально изучено влияние основных факторов, определяющих процесс криогенного воздействия на параметры ЗУ и аэродинамическое сопротивление летательного аппарата. 5. Для увеличения экономической эффективности метода, целесообразно интенсифицировать процесс испарения хладагента выдуваемого с поверхности летательного аппарата.