УДК 621.431.75

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ПЛОСКИХ ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВ

Московский авиационный институт (ГТУ) "МАИ":
Алексей Александрович Яковлев, доцент
Вадим Дмитриевич Комаров, с.н.с.

 

 

Рассматривается методика проведения исследования плоских выходных устройств летательных аппаратов. Предлагается разделить процесс проведения исследований на несколько этапов. Для предварительного анализа течения рекомендуется проводить многомерные расчет течения в выходном устройстве с помощью CAE пакетов. Проектирование и подготовку модели вести с помощью CAD-технологий, для изготовления модели воспользоваться методом прототипирования.

Flat aircraft nozzle research methods are considered. A few research stages are supposed to take pleased. For a preliminary flow analysis a multi dimensional nozzle flow computation is recommended, CAE packages applied. A model will be design by CAD aided technology a prototype-based method will be used for model manufacture.

Ключевые слова: плоское выходное устройство, летательный аппарат, эффективная тяга, модель, CAD, CAE, прототипирование.

Keywords: flat nozzle, aircraft, ettective thrust, CAD, CAE, prototyping.

Исследования плоских выходных устройств летательных аппаратов требуют значительно больших материальных затрат по сравнению с затратами по аналогичному исследованию осесимметричных выходных устройств. Это связано как с затратами на изготовление переходников и плоских выходных устройств, так и с необходимостью проведения дополнительных исследований для подбора оптимальной конфигурации переходников и плоских выходных устройств. В связи с этим необходимо более тщательное планирование подобных исследований.

Плоское выходное устройство предполагает использование плоской конфигурации как кормовых частей, так и реактивных сопел. В технической литературе весьма мало материалов об особенностях течения как в плоских выходных устройствах, так и по обтеканию плоских кормовых частей.

Особенности плоских выходных устройств требует, в первую очередь, особенностей их компоновок на летательном аппарате. Этот процесс очень трудоемок и предполагает наличие опережающих проработок разработчиками летательных аппаратов. Существует возможность параллельного исследования этой сложной и многогранной проблемы.

Настоящая методика исследования плоских выходных устройств базируется именно на параллельном исследовании данной проблемы.

Для большей определенности при проведении проектирования и испытания моделей плоских выходных устройств целесообразно в качестве исходной выбрать исследованную ранее модель осесимметричного сопла.

Все исследования можно разделить на несколько этапов:
- на первом этапе осуществляются исследования физической картины течения с определением локальных характеристик как внутреннего, так и внешнего течений;
- на втором этапе определяются интегральные характеристики с использованием силоизмерительного устройства.

Рассмотрим более подробно каждый из этапов.

Исследования в рамках первого этапа целесообразно разбить на несколько подразделов.

Первый подраздел первого этапа посвящается исследованию течения на выходе из плоского сужающегося выходного устройства с различным соотношением размеров на входе в сопло, например, 1:1, 1:2, 1:4.

Очевидно, что, так как в модели плоского выходного устройства две боковые стенки остаются параллельными для обеспечения возможности регулирования критического сечения, удлинение поперечного сечения в критике реактивного сопла будет существенно отличаться от значений, соответствующих сечению на входе.

Одним из предметов исследования в данном подразделе является течение в переходном участке от круглого сечения к плоскому с различным соотношением сторон. При проведении исследования измеряются распределения давления по стенкам переходника, при этом особое внимание необходимо уделить течению в областях, формирующих углы плоского сечения. В зависимости от полученных результатов выявляется потребность в измерении полей полного и статического давлений в плоском сечении переходника. По результатам испытаний в рамках данного подраздела получены данные об особенностях течения и о величине потерь полного давления в переходнике.

После выявления параметров на выходе из переходника проводятся испытания, направленные на выявление особенностей течения газа в плоских сужающихся соплах с различной величиной площади критического сечения. При проведении экспериментов измеряется распределение давления на стенках сопла в различных меридиональных сечениях. Особое внимание по частоте дренажа необходимо уделить обследованию течения в углах. Для фиксирования закономерности развития струи, истекающей из плоского сужающегося сопла, измеряются поля полного и статического давления в критическом сечении и на различных расстояниях от среза, что может потребовать проектирования и изготовления специальных насадков и применения координатного устройства.

В целях более точного анализа картины течения, а также сокращения этой чрезвычайно трудоемкой работы целесообразно фиксировать теплеровскую картину истечения струи из плоского сопла при различных значениях pc* и величины площади критического сечения.

Второй подраздел первого этапа посвящен исследованию обтекания плоской кормовой части внешним как дозвуковым, так и сверхзвуковым потоком при отсутствии струи, истекающей из реактивного сопла. Перед проведением исследования необходимо выбрать компоновку кормовой части на предмет определения формы и величины площади среза. Площадь входного сечения плоского сопла целесообразно выбрать по исходной осесимметричной модели с учетом особенностей компоновки плоского сопла. Форма кормовой части выбирается с учетом особенности развития струи за срезом сужающегося сопла, выявленной на предыдущем этапе исследования.

Геометрия кормовой части определяется большим количеством определяющих параметров, из которых наиболее существенными являются:

- соотношение сторон плоского выходного устройства;
- величина отношения площади выходного сечения к площади миделя;
- формы внешних обводов с учетом параллельности боковых стенок;
 - угол касательной к внешнему обводу у выходного сечения;
- наличие торцевого уступа в выходном сечении;
- наличие или отсутствие перетекания потока в углах;
- наличие скругления угловых кромок.

Данные параметры при проведении исследования варьируются, что делает исследование более трудоемким.

Средством опытного исследования обтекания плоской кормовой части является измерение распределения давлений по внешней поверхности кормовой части, при этом особенно подробно исследуется течение в областях стыковки двух осесимметричных поверхностей.

В связи с возможностью отрыва потока на поверхности кормовой части необходимо предусмотреть измерение давлений торможения во внешнем потоке над кормовой частью в сечениях на различных расстояниях от выходного сечения. Также отрывные зоны можно весьма четко зафиксировать при использовании сажевых и масляных покрытий.

Третий подраздел первого этапа - исследование обтекания плоской кормовой части при наличии струи, истекающей из реактивного сопла (исследование работы выходных устройств во внешнем потоке). Здесь изучается результат совместного взаимодействия потока, обтекающего внешнюю поверхность кормы при наличии струи, истекающей из реактивного сопла.

Как и при проведении испытаний по программе предыдущего подраздела используется дренаж по поверхности модели плоского выходного устройства для выявления влияния реактивной струи при различных pc* на характер течения, о котором можно судить по изменению распределения давления в областях взаимодействия двух потоков. Для уточнения структуры течения также целесообразно использовать сажевые и масляные покрытия.

Второй этап исследований также необходимо разделить на несколько подразделов.

Первый подраздел второго этапа посвящен определению тяговых характеристик изолированного сопла в условиях старта при варьировании соотношения сторон (1:1, 1:2,1:4).

Долю сопротивления переходника регистрируемого силоизмерительным устройством можно учесть, исходя из полей давления на входе и выходе из переходника и распределений давлений по стенкам, а тяговая характеристика сужающегося сопла определяется для различных значений площади критического сечения.

Второй подраздел второго этапа посвящается определению внешнего сопротивления кормовой части сопла при обтекании его внешним дозвуковым и сверхзвуковым потоками при отсутствии реактивной струи.

При обтекании элементов кормовой части сопла, имеющих различные геометрические формы, а также в зависимости от скорости внешнего набегающего потока на корме возникают отрывные зоны, что приводит к необходимости проведения дополнительных экспериментов по определению величины вклада отрывных эффектов в сопротивление кормовых частей.

Третий подраздел второго этапа исследований плоских выходных устройств с помощью силоизмерительного устройства посвящен определению тяговых характеристик сопла при наличии реактивной струи в условиях внешнего дозвукового и сверхзвукового потоков. Предметом исследований в этом разделе является результат взаимодействия реактивной струи и внешнего потока обтекающего кормовую часть определяющей эффективную тягу сопла.

Использование современных CAD-технологий при проведении проектирования переходников и плоских выходных устройств (как конструкции, так и проточных частей) позволяет удешевить процесс проектирования и изготовления. Для изготовления наиболее сложной и дорогой с точки зрения изготовления части - переходника - можно воспользоваться технологией прототипирования, которая помимо изготовления самого переходника дает возможность заложить дренаж еще на этапе проектирования.

Для сокращения объема экспериментальных исследований целесообразно провести предварительное численное исследование с помощью САЕ-пакетов, например ANSYS CFX, FLUENT, FlowVision и т.д. Данный этап является самостоятельным разделом работы, которая проводится до проведения экспериментального исследования.

Работа проводилась в рамках НОЦ "Авиационные двигатели" МАИ.

Литература

1. Поляков В.В. Исследование сверхзвуковых сопел реактивных двигателей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: МАИ. 1957 г, 135 с. с илл.
2. Проблемы компоновки реактивных сопел на современных сверхзвуковых самолетах. Часть III. Сопла ВРД в компоновке с хвостовыми частями самолетов (по материалам иностранной печати за 71-77 гг.) ОПР, обзоры, изд. ЦАГИ; 1979 № 546, 183с.
3. Использование плоских сопел на сверхзвуковых истребителях. ОПР, рефераты, изд. ЦАГИ, 1981 г., № 594, с. 40.

Связь с автором: tempero.m@gmail.com