МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <6 • 2008
УДК 533.6:533.69.4.21
© 2008 г. В. А. ВЛАСОВ, М. Н. КОГАН, А. Г. НАЛИВАЙКО
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ОБТЕКАНИЕМ КРЫЛА С ПОМОЩЬЮ МИНИ-ЩИТКОВ
Исследовано обтекание профиля с мини-щитком, расположенным на нижней или верхней поверхности крыла. Результаты получены путем измерения распределения давления по поверхности профиля и действующих на него сил при числах М = 0.1-0.8, Яе = 0.6-3.8 • 106. Показано, что в отличие от известных устройств (щитки Гарнея, затупленная задняя кромка), управляющих течением в окрестности задней кромки профиля, мини-щиток, установленный на нижней поверхности, создает перетекание газа с верхней поверхности на нижнюю, обтекая острую кромку. При этом он существенно меняет картину течения не только вблизи задней кромки, но и всего профиля крыла. Перераспределение давления по всему профилю позволяет увеличивать или уменьшать подъемную силу крыла. Благодаря малому шарнирному моменту мини-щиток может служить эффективным малоинерционным органом управления обтеканием крыла.
Ключевые слова: крыло, профиль, мини-щиток, подъемная сила.
Для управления обтеканием крыла используется множество устройств: закрылки, элероны, щитки, предкрылки, интерцепторы и др. Каждый из этих управляющих органов по-разному воздействует на течение. Так, закрылки, элероны и щитки воздействуют на течение путем изменения одного из основных параметров формы профиля - его прогиба. Предкрылки и интерцепторы предотвращают отрыв потока с крыла или отклоненного на большой угол закрылка путем турбулизации пограничного слоя.
Теория несущих свойств крыла опирается на известное условие Чаплыгина-Жуковского для острой задней кромки профиля, характер обтекания которой определяет циркуляцию вокруг профиля. На практике из-за вязких эффектов и отрывов это условие в полной мере не реализуется. Еще в 1926 г. Г. Глауэрт в [1] заметил, что имеющаяся теория крыла адекватно описывает реальную картину течения и предсказывает аэродинамические характеристики лишь при малых углах атаки, когда нет отрывов. В [2] отмечено, что через 60 лет состояние дел в этой области мало изменилось. Существует много методов управления течением у задней кромки (утолщенная задняя кромка, расщепляющаяся кромка и т.д.). В большинстве методов в той или иной форме используются отрывные течения. Наличие отрывов, нарушающих условие Чаплыгина-Жуковского, может как улучшать, так и ухудшать аэродинамические характеристики профиля. При установке мини-щитков также используется отрыв потока, поэтому исследование физики течения, создаваемого мини-щитками, носит принципиальный характер. Как будет показано ниже, отрыв, создаваемый мини-щитком, установленным на нижней поверхности профиля, приводит к обтеканию потоком задней острой кромки, существенному увеличению подъемной силы, и к ее уменьшению при его установке на верхней поверхности профиля.
Исследованию различных типов щитков посвящены [3-10]. В большинстве случаев изучались щитки с относительной длиной их хорды Ър превосходящей 15% длины хорды профиля, при этом задняя кромка щитков в закрытом состоянии заканчивалась у задней кромки профиля [3, 4]. Рассматривалась возможность установки таких щитков и вместо закрылков, и как дополнительных органов управления на закрылке. При малых углах
Фиг. 1. Зависимость коэффициента подъемной силы крыла от а: 1 - без мини-щитка; 2-4 - для мини-щитка с к = 1, 2, 5%, установленного на нижней поверхности; 5 - для мини-щитка с к = 2%, установленного на верхней поверхности
раскрытия такого щитка наблюдается эффект, аналогичный методу расширяющейся задней кромки профиля. Однако такие щитки в настоящее время не находят широкого применения в значительной степени из-за слишком большого шарнирного момента, а следовательно, и большой инерционности управления ими и из-за их большого гидродинамического сопротивления, обусловленного наличием отрывной зоны.
Исследовались щитки и с относительной длиной их хорды, составляющей менее 15% от длины хорды профиля. Это щитки Гарнея [5-10], установленные на задней кромке под углом 5 = 90° к хорде на нижней поверхности крыла. По существу такой щиток можно рассматривать и как мини-закрылок, отклоненный на угол 5 = 90°, и как расширяющуюся заднюю кромку. Несмотря на долголетнюю историю исследований, такие щитки пока не находят применения в авиации. Отчасти это связано с технологическими трудностями управления щитком при установке его на кромке профиля.
В [7] были также измерены аэродинамические характеристики профиля с мини-щитком, отодвинутым, из соображений прочности и конструкции его управления, от задней кромки на расстояние 1-1.5 его высоты, и показано, что характеристики мини-щитка при этом практически не изменяются.
В настоящей работе исследуются мини-щитки с различной длиной их хорды, установленные как на нижней, так и на верхней поверхностях на различных расстояниях от задней кромки. Мини-щитки рассматриваются в качестве возможного малоинерционного органа управления аэродинамическими характеристиками крыла.
1. Результаты. Основная цель применения мини-щитков состоит в управлении подъемной силой профиля путем изменения характера течения у задней кромки. В данной работе приведены результаты исследования влияния щитков на подъемную силу, полученные в разных аэродинамических трубах ЦАГИ, и их анализ.
Геометрические параметры исследуемых щитков приведены на фиг. 1. Щитки изготавливались из металлических полос толщиной 0.1-0.3 мм в зависимости от ожидаемых нагрузок при их испытаниях.
В аэродинамической трубе ЦАГИ Т-129 проведены весовые испытания прямого полукрыла с профилем №ЛСЛ-0012 с полуразмахом Ь = 520 мм и хордой Ь = 191.5 мм при скоростях набегающего потока V„ = 15-60 м/с, что соответствует диапазону числа Рей-нольдса по хорде крыла Яе = (0.2-0.8) ■ 106. В дальнейшем принято длины элементов щитков, закрылков и элеронов Ьр, I, к считать отнесенными к длине хорды профиля Ь и указывать их процентные отношения. Испытания показали, что прирост подъемной силы ДСГ, обусловленный установкой щитков, растет с увеличением числа Рейнольдса в этом диапазоне. Это связано с перемещением точки ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое. При установке вдоль размаха крыла турбулизатора в виде проволоки диаметром 0.3 мм на расстоянии, составляющем 50% длины хорды крыла на его нижней поверхности, аэродинамические характеристики обтекания профиля с мини-щитком, начиная с Яе = 0.6 ■ 106, практически перестают изменяться с ростом Яе. Ввиду этого результаты испытаний приводятся при скорости потока = 45 м/с (Яе = 0.6 ■ 106) при наличии турбулизатора.
Щитки с Ьр = 2%, установленные на расстоянии I = 2% от задней кромки крыла, были испытаны с углами отклонения 5 = 90 и 30°. Сравнение результатов этих испытаний и щитков с Ьр = 1% и 5 = 90° показали, что щитки дают одинаковые приросты подъемной силы при равной их высоте к = Ьр 8гп 5. В [10] исследовались щитки с Ьр = 2% на задней кромке с углами отклонения 5 = 90 и 45°, а также толстые щитки квадратной и треугольной формы в разрезе. Все эти результаты показывают, что в первом приближении определяющим прирост подъемной силы параметром является мидель щитка (высота) к, а форма щитка и угол его наклона оказывают слабое влияние на ДСУ. В дальнейшем основные исследования были выполнены со щитками, установленными под прямым углом к поверхности. В этом случае к ~ Ьр.
Результаты исследования влияния щитков различной высоты к, установленных на расстоянии I = Ьр от его задней кромки, на прирост С¥ также представлены на фиг. 1. Полученные аэродинамические характеристики показали, что при установке мини-щитков на нижней поверхности профиля зависимости Су(а) сдвигаются в сторону их увеличения, а на верхней поверхности - в сторону уменьшения. Так, установка на нижней поверхности профиля мини-щитка с к = 1% дает увеличение С¥ на 0.2, а увеличение хорды щитка в 2 раза увеличивает С¥ еще на 0.1. Приблизительно на такую же величину С¥ уменьшается при установке мини-щитка на верхней поверхности. С ростом угла атаки заметно некоторое снижение эффективности мини-щитка, установленного на верхней поверхности. Значение угла атаки для максимального Су изменяется незначительно.
Полученные данные позволяют построить зависимость прироста подъемной силы от высоты щитка к. Впервые зависимость Су от хорды щитков Ьр< 6% пытались построить еще 70 лет назад [5], но в дальнейшем это начинание не получило должного развития. Проведенный анализ на основе собственных результатов и экспериментов [4] показывает (фиг. 2), что функция Су(к) близка к зависимости
Д Сг = А4к (1.1)
Коэффициент А в формуле (1.1) должен быть пропорционален производной Са = = йСу/йа. Тогда для полученных результатов А ~ 0.64Са и результаты [4-10], полученные для крыльев с другими Са, также удовлетворительно согласуются с этим коэффициентом. Приведенные на фиг. 2 экспериментальные данные из [3] для закрылков и элеронов с длинами хорд до Ьр = 30% и углами отклонения 5 = 10-45° показывают, что для малых углов отклонения закрылков и элеронов прирост подъемной силы при том же значении высоты к будет меньше, чем для мини-щитков.
Фиг. 2. Зависимость прироста подъемной силы крыла от параметра к (в %) для щитков, элеронов и закрылков: I - по формуле (1.1); 1 - мини-щитки; 2 - щитки с Ьу = 16%; 3-4 щелевой закрылок Ьу = 20, 27% [3]; 5 - подвесной закрылок Ьу = 20% [3]; 6 - элерон Ьу = 17% [3]
Для оценки влияния положения щитка по хорде крыла на его подъемную силу были проведены испытания при разных удаленьях щитка от задней кромки профиля. Эти результаты показывают, что эффективность щитка определяется как отношением расстояния I от кромки до щитка к его высоте к, так и углом атаки. На малых углах атаки (а = 0-4°), при 1/к < 2.5 эффективность щитка сохраняется, и при 1/к = 5 ее снижение эффективности не превышает 15%. При дальнейшем увеличении расстояния I эффективность начинает снижаться, и при 1/к = 7.5 достигает 40%. На больших углах атаки (а = 12-17°), при ЦП = 5 происходит уже заметное снижение эффективности щитка, а при 1/к = 7.5 она уменьшае
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.