научная статья по теме СВЕРХЗВУКОВОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ ОБТЕКАНИЕ ЗАТУПЛЕННОГО КОНУСА ПРИ ЕГО НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «СВЕРХЗВУКОВОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ ОБТЕКАНИЕ ЗАТУПЛЕННОГО КОНУСА ПРИ ЕГО НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЯХ»

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 1 • 2014

УДК 533.6.011.72

© 2014 г.

А. Н. ГОЛОВАНОВ

Ф. М. ПАХОМОВ

СВЕРХЗВУКОВОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ ОБТЕКАНИЕ ЗАТУПЛЕННОГО КОНУСА ПРИ ЕГО НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЯХ

С использованием модели идеального невязкого совершенного газа исследуются аэродинамические характеристики колеблющегося конуса при нестационарном осесимметричном сверхзвуковом обтекании в отсутствие и при наличии сильного вдува воздуха с поверхности торцевого затупления в ударный слой.

Ключевые слова: сверхзвуковое осесимметричное обтекание, невязкая модель течения, торцевое затупление, низкочастотные продольные колебания, вдув с поверхности.

Продольные колебания тела, двигающегося со сверхзвуковой скоростью, могут возникать в результате естественной вибрации, либо создаваться принудительно [1]. Сильный вдув газа в передней части тела навстречу набегающему потоку может быть использован как средство управления его аэродинамическими характеристиками [2].

Цель данной работы — исследование влияния низкочастотных продольных колебаний на коэффициент сопротивления тонкого конуса с торцевым затуплением в отсутствие и при наличии сильного локализованного вдува с поверхности.

1. Постановка задачи и метод решения. В основу численного моделирования сверхзвукового обтекания положена модель идеального невязкого совершенного газа. Интегральные законы сохранения массы, составляющих импульса и энергии в цилиндрической системе координат х, г, ф (в предположении осевой симметрии) имеют вид [3]

д дг

д дг

д дг

д дг

рйгйл = с| р(У - ю, н)йЬ - Ц1 р ийлйг

Ь 5 Г

рыйгйх = ([рпх + ры(¥ - ю,и)\с1Ь -Ц1 puvdxdr

ь 5 Г

pvdrdx = с|[рпг + ри(У - ю,п)]Ь -Ц1 ри2dxdr Ь 5 Г

рedrdx = ([р(У, п) + рв(¥ - ю, rij\dЬ -Ц1(ре + p)udxdr

Здесь t — время; р — плотность; р — давление; и и и — компоненты вектора скорости газа V; ^ и пг — компоненты вектора внутренней нормали п к границе Ь; ю — вектор скорости смещения границы Ь; е — полная удельная энергия газа.

Для замыкания исходной системы уравнений используется уравнение состояния совершенного газа с постоянным показателем адиабаты у

2 2 , 2 (У- 1) р

Границами области интегрирования являются: головная ударная волна; поверхность тела; ось симметрии течения и замыкающая нормаль к поверхности тела на периферии конуса.

В качестве граничных условий на ударной волне реализовывались соотношения Рэнкина—Гюгонио. На оси симметрии задавались условия симметрии. На выходной границе, лежащей для обеспечения корректности результатов в сверхзвуковой части ударного слоя, выставлялись мягкие граничные условия сноса значений параметров течения вниз по потоку. На непроницаемых участках поверхности тела задавалось условие непротекания (индекс т обозначает поверхность тела, п — проекцию на нормаль)

На участках дозвукового вдува газодинамические параметры на поверхности тела определялись, как и в [2], из решения следующей нелинейной системы уравнений

(р v„ )w = const

Первое из этих уравнений задает удельный расход вдуваемого газа, второе — его полную энтальпию, а третье, где ип р\, Р1 — параметры газа в ударном слое у поверхности тела, обеспечивает согласование параметров вдува с внешними условиями и отвечает за непрерывность инвариантов Римана на левой волне разрежения относительно внутренней нормали к поверхности тела.

Продольные колебания моделировались следующим законом изменения координат поверхности тела [1]

хп = х0 + А5т(2л/0, Уп = у0

где / — частота колебаний, А — амплитуда, 1 — время, х0, у0 — координаты начального положения обтекаемого тела, хп, уп — координаты поверхности тела на момент времени t = 1".

Определяемые в процессе решения газодинамические параметры в ударном слое представляют собой безразмерные величины: компоненты скорости отнесены к максимальной скорости набегающего потока Ктах,„; плотность — к плотности невозмущенного набегающего потока р„; давление — к величине р^К^ линейные размеры — к радиусу донного среза.

Исходная система уравнений газовой динамики с соответствующими начальными и граничными условиями решалась явным конечно-разностным методом С.К. Годунова первого порядка точности по независимым переменным [3]. Введением подвижной расчетной сетки достигалось явное выделение головной ударной волны. Контактная поверхность в процессе численного решения задачи при наличии вдува с поверхности явным образом не выделялась. Все приводимые ниже результаты получены на расчетной сетке, содержащей 5000 ячеек (100 х 50).

2. Сверхзвуковое обтекание колеблющегося тела с непроницаемой поверхностью. Анализ влияния малых низкочастотных продольных колебаний тела на его аэродинамику был выполнен на примере сверхзвукового (Мт = 2, у = 1.4) осесимметричного обтека-

(pvX = 0

Y -1Р

2

bw + ^ s н0w = const

Фиг. 1. Картины обтекания модели: 1 — контур образующей конуса, 2 — ударная волна при непроницаемой поверхности тела, 3 — ударная волна в случае вдува с торцевой части поверхности тела

Фиг. 2. Характеристики процесса во времени в отсутствие вдува: 1 — коэффициент сопротивления Сх, 2 — давление в точке торможения Р0, 3 — отход ударной волны от начала координат на оси симметрии /0, 4 — отход поверхности тела от начала координат на оси симметрии Ж0

ния тонкого конуса с торцевым затуплением. Контур образующей конуса дается кривой 1 на фиг. 1. Геометрические параметры модели таковы: радиус торцевого затупления 9.5 мм; радиус донного среза 15.5 мм; длина модели 36 мм. Угловая точка пересечения торца с боковой образующей конуса в расчетах сглажена окружностью радиуса 1.5 мм.

В качестве начальных данных, перед тем как тело начнет колебаться, использовались параметры течения, соответствующие стационарному обтеканию модели при заданном значении числа Маха набегающего потока Мм = 2. Положение головной ударной волны при этом дается кривой 2 на фиг. 1.

На фиг. 2 приведены зависимости от времени основных аэродинамических характеристик при продольных колебаниях непроницаемого тела с частотой 10 герц и ампли-

Сх, Р0,

t 0.4

Фиг. 3. Характеристики процесса во времени при наличии вдува: 1—4 — то же, что на фиг. 2, 5 — коэффициент реактивного сопротивления Сг

тудой 1 мм. Кривая 1 соответствует изменению коэффициента сопротивления Сх, посчитанному без учета донного давления, кривая 2 — безразмерному давлению в точке торможения Р0, кривые 3 и 4 — безразмерным координатам пересечения оси симметрии головной ударной волной 10 и торцевым затуплением Ж0 соответственно. При этом положительные участки кривых 3 и 4 означают движение головной ударной волны и тела навстречу набегающему потоку.

3. Сверхзвуковое обтекание колеблющегося тела при сильном локализованном вдуве с поверхности. Помимо исследования сверхзвуковой аэродинамики непроницаемого колеблющегося тела, рассмотрен случай, когда с поверхности торцевого затупления осуществляется сильный дозвуковой вдув воздуха в ударный слой с расходом 112 кг/(м2с) и температурой торможения 300 К. Осуществляемый вдув настолько сильный, что оттесняет головную ударную волну от поверхности тела по сравнению с обтеканием непроницаемой поверхности (кривая 3 на фиг. 1).

На фиг. 3 приведены те же характеристики, что и на фиг. 2, но в случае вдува с торцевой части поверхности и частоте продольных колебаний 9.46 герц с той же амплитудой. Единственное отличие в том, что добавилась кривая 5, соответствующая коэффициенту реактивного сопротивления С.

Для проверки наличия гистерезиса характеристик при колебаниях модели в сверхзвуковом потоке в случае вдува выполнен расчет с противоположной начальной фазой движения тела. Гистерезис в исследуемом процессе не обнаружен.

4. Анализ результатов. Результаты, представленные в разд. 2 и 3, показывают, что малые низкочастотные продольные колебания тела в сверхзвуковом потоке приводят к низкочастотным колебаниям коэффициента сопротивления с частотой, совпадающей с частотой колебаний тела, и амплитудой, не превышающей (в рассмотренных случаях) 7% от его величины в обычных условиях обтекания. Причем это справедливо как в случае непроницаемой поверхности, так и в случае сильного вдува с поверхности затупления (кривые 1 на фиг. 2, 3). В обоих случаях отход головной ударной волны от поверхности тела на оси симметрии (разность между кривыми 3 и 4 на фиг. 2, 3) и давление торможения в критической точке (кривые 2) остаются постоянными в процессе сверхзвукового обтекания колеблющегося тела. Постоянен и коэффициент реактивного сопротивления в случае вдува (кривая 5 на фиг. 3), который в сумме с коэффициентом волнового сопротивления дает величину меньшую, чем в отсутствие вдува, что находится в соответствии с [2].

5 Механика жидкости и газа, № 1

Заключение. Малые низкочастотные продольные колебания обтекаемого сверхзвуковым потоком тела не приводят к ожидаемому уменьшению силы его сопротивления, а, скорее наоборот, ухудшают его аэродинамические качества.

Сильный дозвуковой локализованный вдув с поверхности затупления не оказывает влияние на характер взаимодействия колеблющегося тела со сверхзвуковым потоком.

Работа выполнена при поддержке гранта № 2269 аналитической ведомственной программы "Развитие научного потенциала высшей школы".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Липницкий Ю.М., Красильников А.В., Покровский А.Н., Шманенков В.Н. Нестационарная аэродинамика баллистического полета. М.: Физматлит, 2003. 174 с.

2. Антонов В.А., Гольдин В.Д., Пахомов Ф.М. Аэродинамика тел со вдувом. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1990. 192 с.

3. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.

Томск

Томский государственный университет Томский политехнический университет

Поступила в редакцию 27.IX.2012

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком