На защиту выносятся 1 страница

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Бойовий статут Сухопутних вiйск. Ч. III. (Взвод, вiддiлення, танк). – К.: МО України, 1995.

2. Бойовий статут Сухопутних вiйск. Ч. II. (Батальйон, рота). – К.: МО України, 1998.

3. Жуков В. І. Загальна тактика: конспект лекцій/В. І. Жуков, В. О. Про-коф’єв. – Х.: ХВУ, 2004.

4. Кечев М. О. Танковий взвод в бою: М. О. Кечев. – Х.: НТУ „ХПІ”, 2005.

5. Русаков Б. И. Учебник сержанта инженерных войск/ Б. И. Русаков, Ю.П. Шатохин, Н. Ф. Рипки. – М.: Воениздат, 1989.

6. Помбрик Н. И. Карта командира/ Н. И. Помбрик.– М.: Воениздат, 1986.

7. Бызов Б.Е. Военная топография: учебник для курсантов учебных подразделений/ Б. Е. Бызов. – М.: Воениздат, 1989.

8. Псарев А. А. Топографическая подготовка командира: учебн. пособ. для курсантов военных училищ и офицеров/ А. А. Псарев. – М.: Воениздат, 1989.

9. Шмаль С. Г. Військова топографія: підручник/ С. Г. Шмаль. – К., 1998.

Навчальне видання

Прокоф’єв Валерій Олександрович,

Убоженко Володимир Володимирович,

Євлаш Віталій Андрійович та ін.

ПІДГОТОВКА ОФІЦЕРІВ ЗАПАСУ

ЗАГАЛЬНА ТАКТИКА

ВІЙСЬКОВО-ІНЖЕНЕРНА ПІДГОТОВКА

ВІЙСЬКОВА ТОПОГРАФІЯ

Навчальний посібник

Редактор Я. Б. Праведна

Технічний редактор Т. В. Василенко

Коректор Н. К. Гур’єва

Підп. до друку.Формат 60×84/16. Папір офсетний.

Гарнітура “Times New Roman”. Друк ризографічний. Ум. друк. арк. 9,07

Тираж 300 пр. Зам. №

Видавець і виготівник

Харківський університет Повітряних Сил

імені Івана Кожедуба

61023, м. Харків – 23, вул. Сумська, 77/79.

Свідоцтво суб’єкта видавничої справи

ДК № 2535 від 22. 06. 2006.

— результаты экспериментальных исследований влияния удлинения крыла на вихревую структуру отрывных течений, а также процессы перестройки структуры вихревого течения на поверхности моделей крыльев разного удлинения в зависимости от угла скольжения;

— результаты экспериментальных исследований возможности управления обтеканием модели прямого крыла с помощью точечного воздействия — локального вдува воздуха, расположенного внутри области срыва;

— результаты экспериментальных исследований развития возмущений в отрывном течении до и после локального воздействия в виде выступов при постоянных угле атаки и скорости набегающего потока;

— результаты экспериментальных исследований обтекания модели крыла, установленной под разными углами скольжения, в которых изучались возможности управления обтеканием с помощью локального воздействия в виде выступов.

Апробация работы. Основные материалы и результаты исследований докладывались и обсуждались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН, а также на следующих конференциях: Всероссийская научная конференция студентов физиков 12 (2006, Новосибирск), Международная научная студенческая конференция (2006, 2007, 2008, Новосибирск), 1СМАЯ (2007, 2008, 2010, Новосибирск), Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей (2008, 2010, Новосибирск), Фундаментальные основы МЭМС- и нанотехнологий (2009, 2010, Новосибирск), Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии (2009, Новосибирск), XXII Юбилейный семинар с международным участием «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (2010, Санкт-Петербург), XI Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (2010, Новосибирск).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы 18 печатных работах, 3 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации насчитывает 130 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков.

В первой главе проведен обзор предыдущих теоретических, численных и экспериментальных работ, посвященных явлению отрыва потока и структуре отрывных течений, а также методам управления отрывом и улучшения аэродинамических характеристик крыла. Показано, что различными авторами были предложены двумерные модели отрывных течений, которые не учитывают трехмерность течения, присущую, в большинстве случаев, областям отрыва. Также затронуты изученные проблемы ламинарно-турбулентного перехода и турбулизации оторвавшегося слоя. Отмечена особенность отрывных течений, называемая «гистерезис обтекания», при котором возможны два варианта обтекания - отрывное и присоединенное. Достаточно подробно рассмотрены известные способы управления обтеканием крыльев.

Во второй главе приводится описание аэродинамических установок, экспериментального оборудования, с помощью которого проводились исследования, представлены данные об используемых моделях крыльев и методах исследований.

В третьей главе представлены результаты экспериментального изучения вихревых структур, возникающих внутри области срыва на моделях прямых крыльев в зависимости от геометрии крыла и угла скольжения.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию возможности управления обтеканием модели прямого крыла с помощью точечного воздействия — локального вдува, которое производилось внутри области отрыва. Метод основан на полученных в предыдущих исследованиях данных о существовании трехмерной вихревой структуры течения внутри области срыва.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований обтекания модели прямого крыла, установленной под постоянным углом атаки, в режиме обтекания, при котором на поверхности крыла возникает срыв потока вблизи передней кромки или, при локальном воздействии, присоединенное течение с ламинарно-турбулентным переходом вблизи передней кромки крыла. В качестве локального воздействия использовались выступы в форме конуса или ребра, которые также устанавливались внутри области срыва. Впервые проведены сравнительные исследования развития возмущений при срыве и в присоединенном течении на одной модели крыла при одних и тех же скорости потока и угле атаки.

Шестая глава посвящена изучению возможности управления глобальным срывом потока с помощью локального воздействия при различных углах скольжения.

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. 1.1. Явление отрыва потока и структура отрывных течений.

Аэродинамические характеристики летательного аппарата определяется особенностями его обтекания при движении в окружающей среде (воздухе). В числе протекающих при этом физических процессов есть одно из фундаментальных явлений механики газа — отрыв потока. Отрыв может приводить к кардинальным изменениям средних во времени и нестационарных аэродинамических нагрузок. Его исследованию посвящено множество работ как у нас в стране, так и за рубежом. Такое внимание объясняется тем, что отрыв потока приводит к уменьшению подъемной силы крыла, увеличению его сопротивления, ухудшению теплопередачи, усилению вибраций и т.п. В тоже время отрывные течения способствуют перемешиванию и горению. Кроме того, также существует теоретический интерес, направленный на понимание природы процессов, происходящих в пограничном слое.

Отрыв потока - это одно из физических явлений, возникающих при движении газов или жидкостей над твердой поверхностью, или, наоборот, при движении тела в неподвижной жидкости или газе. В случае двумерного установившегося течения оно заключается в том, что при определенных условиях пристенный слой жидкости отходит от поверхности тела, и вблизи нее возникает возвратное течение: образуется область отрыва пограничного слоя. Общие сведения о явлении отрыва можно найти в монографии [1].

Два фактора являются определяющими для возникновения отрыва потока - вязкость и изменение давления вдоль поверхности. Совокупность этих факторов приводит к торможению жидкости около стенки, утолщению пограничного слоя вниз по потоку и возникновению возвратного течения. Это влечет за собой вынос жидкости, заторможенной в пограничном слое, во внешнее течение, вследствие чего последний оттесняется от тела. Такие условия возникают, например, при обтекании крыла. Верхняя поверхность крыла обычно имеет выпуклую форму, что и приводит к появлению
неблагоприятного градиента давления и отрыва потока в задней части крыла. Схематично течение в пограничном слое вблизи точки отрыва приведено на рис. 1.1. За точку отрыва стационарного двумерного течения принимают такую точку, в которой градиент скорости в направлении, перпендикулярном к стенке равен нулю, т.е.

= 0

--------------------		-------------------- э».		--------------------		---------------------		--------------------
					-------- и=<
	V		—
---------- Ъу/	—

Рис. 1.1. Схема возникновения отрыва потока; Б - точка «отрыва» потока;

и — средняя скорость потока.

Рассматриваемый в литературе отрыв потока во многих случаях является отрывом пограничного слоя, см., например [2].

и

Внимание исследователей к отрывным течениям вызвано тем, что отрыв пограничного слоя можно рассматривать в качестве одного из основных факторов, стимулирующих возникновение турбулентности в пристенной области течения. В эксперименте дестабилизирующее влияние отрыва выражается в том, что уже при сравнительно малых числах Рейнольдса он сопровождается нарастанием возмущений ламинарного течения и последующим переходом к турбулентности. В итоге, реализуется
режим течения, в котором ламинарно-турбулентный переход происходит в пределах области отрыва или вблизи нее, в результате возникает так называемая отрывная зона переходного типа. Упрощенная схема двумерного отрывного течения изображена на рис. 1.2, в которой положение точки перехода • к турбулентности относительно зоны отрыва определяется начальными условиями ее возникновения (более подробную схему можно найти, например, в [3]).

ламинарно- турбулентный Рис. 1.2. Схема двумерного отрывного течения.

В относительно быстрой, по сравнению с присоединенным пограничным слоем, турбулизации, происходящей за точкой отрыва, проявляется фундаментальное свойство неустойчивости течения в отрывных областях. С позиции локальной теории гидродинамической устойчивости оно связано с появлением характерного для течения в зоне отрыва распределения средней скорости с точкой перегиба [2]. Принципиальная связь явления отрыва с потерей течением устойчивости получена в асимптотической теории [4,5]. В решениях уравнений Навье-Стокса она выражается в том, что при достижении параметрами течения (числом Рейнольдса и локальным градиентом давления, вызывающим отрыв пограничного слоя) критических значений не удается получить стационарные решения, которые описывали бы отрывное течение в ламинарном режиме [6 - 11].

Ряд авторов, исследуя пульсационные характеристики течения в отрывных зонах, регистрировали различными экспериментальными средствами возмущения ламинарного оторвавшегося слоя, нарастающие за точкой отрыва в направлении потока. В числе подобных работ - обстоятельное исследование структуры течения в локальных отрывных зонах, в том числе её нестационарной компоненты, предпринятое в [12]. Согласно результатам этих экспериментов, ламинарно-турбулентный переход происходит в результате пространственного усиления бегущих волн в оторвавшемся сдвиговом слое. Авторы [13], визуализировав обтекание профиля крыла с отрывным пузырем вблизи его передней кромки, объясняют данные наблюдений - искривление полос дыма в области перехода - развитием волн неустойчивости; волновые возмущения в зоне отрыва были зафиксированы при визуализации течения также в экспериментах [14, 15]. Результаты этих исследований согласуются с данными измерений пульсаций скорости в областях отрыва на крыловых профилях, которые приводятся в [16-19]: в терминах спектрального анализа ламинарно-турбулентный переход представляет собой процесс усиления в направлении потока волнового пакета колебаний с последующим заполнением частотного спектра пульсаций.

Совокупность этих наблюдений даёт основание считать, что переход к турбулентности в областях отрыва ламинарного пограничного слоя является следствием пространственного усиления возмущений завихренности первоначально малой амплитуды. Данные упомянутых исследований служат, в сущности, экспериментальным обоснованием физической модели ламинарно-турбулентного перехода, которая используется различными авторами в теории. В расчетах неустойчивости течения в отрывных пузырях, подразумевается её конвективный (сносовый) характер и зависимость свойств возмущений от локальных характеристик течения. Таким образом, предполагается, что начальная стадия процесса перехода может быть описана в терминах линейного приближения локальной теории гидродинамической устойчивости, используемой с этой целью для течений в пристенных и свободных пограничных слоях.

Это обстоятельство дает возможность применить к исследованию процесса турбулизации отрывных течений подход, развитый для пристенных и свободных пограничных слоев, выделив относительно независимые стороны изучаемой проблемы. Они обозначены на рис. 1.3 и включают: неустойчивость течений относительно колебаний малых амплитуд - 1, их возбуждение возмущениями внешнего потока («восприимчивость» отрывных течений) - 2, нелинейные свойства возмущений - волновые взаимодействия - 3 и обратное влияние нестационарного присоединяющегося течения против направления потока - 4. Последний из перечисленных вопросов вызван специфическим свойством локальных областей отрыва - зависимостью поля скорости во всей отрывной зоне от состояния течения на участке присоединения.

К настоящему времени обозначенные на рис. 1.3 аспекты проблемы ламинарно-турбулентного перехода при отрыве пограничного слоя подробно изучены в эксперименте, теории и методами численного моделирования для номинально двумерных течений, см. [20-38, 47-53]. Эффекты трехмерности поля скорости, которые могут заметно повлиять на устойчивость ламинарного оторвавшегося течения, практически не выявлены и требуют дальнейшего исследования.

Рассмотренная выше физическая модель переходных областей отрыва, в которой центральное место занимает процесс турбулизации оторвавшегося слоя, на протяжении многих лет служит основой для предсказания их характеристик и расчетов отрывного обтекания тел.

[~П линейная неустойчивость

2 возоуждение волн неустойчивости внешними возмущениями

3| взаимодеиствия нелинейных возмущений

|41 обратное влияние возмущенного течения

Рис. 1.3. Переход к турбулентности в отрывных течениях.

Вместе с тем результаты многочисленных экспериментальных исследований локальных областей отрыва пограничного слоя свидетельствуют о том, что для течений такого рода характерно, помимо перехода к мелкомасштабной турбулентности в оторвавшемся слое (рис. 1.4, а), другое явление, связанное с гидродинамической неустойчивостью. Оно заключается в образовании крупномасштабных квазипериодических вихревых структур, которые возникают в зоне отрыва, и выносятся из нее (рис. 1.4, б), так называемый сход вихря. Сход упорядоченных вихрей наблюдается в опыте и получен при численном моделировании областей отрыва за острыми кромками на аэродинамических профилях и в отрывных пузырях, индуцированных большим градиентом давления во внешнем потоке. Подробный обзор соответствующих экспериментальных данных и ссылки на литературные источники даны в работе [39], результаты расчетов можно найти в [8-10]. В случае образования периодических вихрей переход к мелкомасштабной турбулентности имеет второстепенную роль, а
характеристики течения определяются динамикой организованных вихревых структур. Общая тенденция, обнаруженная при численном моделировании, заключается в том, что образование упорядоченных вихрей в зоне отрыва начинается по мере возрастания и достижения некоторых критических значений числа Рейнольдса, высоты уступа поверхности или градиента давления во внешнем потоке, который индуцирует отрыв пограничного слоя. Таким образом, известные результаты исследований локальных областей отрыва указывают на то, что изменение условий отрывного обтекания тела может повлечь за собой качественные перемены в характере течения, а именно переход от мелкомасштабной турбулентности к образованию периодических вихрей.

зона циркуляции

точка перехода

присоединение

; * г/ ^ * * * * * *; * * *; J J; J ^ ^ *; 9;;

отрыв

упорядочпые вихри \

\ Т

отрыв присоединение

Рис. 1.4. Переход к мелкомасштабной турбулентности (а). Образование

периодических вихрей (б).

Ряд авторов видят исходную причину возникновения вихрей в конвективной неустойчивости слоя сдвига за точкой отрыва, приводящей к

21

появлению вихрей на частоте колебаний, для которых линейная теория устойчивости дает максимальную скорость нарастания, или на относительно низких частотах в результате спаривания вихрей и их многократного объединения в более крупные [7, 10, 39-41]. Другая точка зрения заключается в том, что процесс образования организованных вихревых структур, в сущности, отличается от усиления возмущений оторвавшегося слоя, являясь результатом иной неустойчивости отрывной зоны, которая в [42] определена как неустойчивость к сходу вихря. Физика течения, которая скрывается за этим понятием в том, что возникновение и динамика крупномасштабных вихрей определяется не локальными, а глобальными свойствами устойчивости в масштабе всей области отрыва. В последнем убеждают данные обширных экспериментальных исследований, которые указывают на принципиальную роль обратной связи в процессе образования упорядоченных вихрей и обосновывают предположение о самовозбуждении отрывных пузырей на частоте вихреобразования [43]. Представление о том, что вихревая динамика может выходить за рамки традиционной модели переходных отрывных течений, подтверждается в теоретических работах, которые предсказывают развитие глобальных мод неустойчивости в областях отрыва [44-46]. В частности, согласно результатам [44] с увеличением размеров отрывной зоны в ней может возникать синхронизованное на большом масштабе вихревое движение, преобладающее над конвективными возмущениями, проникающими в зону отрыва из набегающего потока. Таким образом, остается предметом дискуссий и нуждается в дополнительном изучении вопрос о происхождении упорядоченных вихрей, доминирующих на участке присоединения оторвавшегося течения и ниже по потоку отрывной зоны.

В зависимости от величины числа Рейнольдса, кривизны поверхности и угла атаки, на крыле могут возникать различные виды отрывных течений: отрыв ламинарного пограничного слоя с последующим присоединением и образованием отрывного пузыря, отрыв турбулентного пограничного слоя, и срыв с передней кромки (глобальный или полный отрыв). При срыве и при турбулентном отрыве не происходит присоединения оторвавшегося потока обратно к поверхности, и область отрыва занимает весь участок крыла от линии отрыва до задней кромки [54].

Изучению пространственной структуры отрывных течений посвящены многочисленные работы, см., например, публикации [55-86]. Эти исследования показали, что при отрыве потока на двумерных телах течение в области отрыва не является двумерным как в отношении средних во времени, так и мгновенных характеристик течения, а обладает сложной трехмерной вихревой структурой, в которой доминируют скоррелированые между собой крупномасштабные квазистационарные и нестационарные вихревые образования.

В работе [55] впервые было обнаружено, что при отрыве потока на прямом крыле в области отрыва возникают «грибообразные» структуры, каждая из которых представляет собой пару крупномасштабных вихрей, вращающихся в плоскости крыла в противоположные стороны. Было исследовано влияние удлинения модели на картину течения. На модели с удлинением ^=3 возникла только одна «грибообразная» структура (рис. 1.5). Чем больше было удлинение модели (т.е. чем больше было «удлинение» зоны отрыва по размаху крыла), тем больше таких структур

образовывалось в зоне отрыва. Авторами работы [55] предложена пространственная схема обтекания крыла малого удлинения после возникновения срыва. В соответствии с этой схемой при срыве возникает трехмерный «отрывной пузырь» - пространственная зона рециркуляционного течения. Вдоль задней кромки расположен вторичный вихрь, вращающийся в направлении, противоположном направлению вращения скобообразного вихря.

Существование при отрыве потока парных противовращающихся в плоскости крыла вихревых структур было продемонстрировано также в работах [56-59]. Надо отметить, что в этих работах не делалось различия между глобальным отрывом (срывом) с передней кромки и происходящим ниже по потоку турбулентным отрывом и не исследовались возможные отличия в топологии этих течений.

В работе [60] был предложен один из возможных механизмов образования трехмерных структур при двумерном отрыве потока (рис. 1.6). Предполагалось, что существующий вдоль линии отрыва сдвиговый слой генерирует в оторвавшемся потоке вихри с осью, параллельной линии отрыва (рис. 1.6, а). Эта вихревая система неустойчива: развивающиеся волновые возмущения (рис. 1.6, б) приводят в итоге к образованию трехмерных структур, показанных на рис. 6в. Визуализацией с помощью поверхностных покрытий можно получить след этих структур на поверхности крыла (рис. 1.6, г).

В данной работе была предложена приближенная формула для определения количества вихревых пар на крыле в зоне отрыва:

п = 1/ 17,2 • к • 1в(ау),

где п- число вихревых пар, Х- удлинение крыла, к- расстояние между линией отрыва и фокусом вихря, отнесенное к хорде, ау- угол атаки, при

Рис. 1.6. Схема возникновения вихревых структур в области отрыва.

котором впервые появляется отрыв. По мнению авторов работы [60], указанная формула позволяет в первом приближении оценить число «грибообразных» структур на прямоугольных крыльях различного удлинения. Было получено хорошее совпадение с ранее полученными экспериментальными результатами.

Систематические исследования аэродинамических характеристик и визуализация структуры течения при отрыве потока на крыле малого удлинения Аг=1 были выполнены в ЦАГИ [61,62]. Возникновение при некотором угле атаки отрыва потока в носовой части крыла приводило, при сильном взаимодействии концевых жгутов с пограничным слоем, к скачкообразному развитию сложного вихревого течения с обширной циркуляционной зоной в середине крыла (рис. 1.7). Дальнейшее увеличение угла атаки, вплоть до критического, не сказывалось на положении и размерах циркуляционной зоны. Эти эксперименты были продолжены на крыльях такого же удлинения Х=\, имевших различную толщину профиля. Увеличение толщины профиля от с= 0,05 до с= 0,12 сдвигало на большие углы атаки начало возникновения сложного вихревого течения с обширной

циркуляционной зоной. На более толстом крыле (с=0,21) на угле атаки примерно 10° в носовой части возникал отрывной пузырь протяженностью 2­2,5% хорды, затем наблюдалась

TT

HI.'/KV' > " 11Л.^ч \ ^{I 1}1 Л⁴ ' ^II I V" - N IV----------- N ⁴

'А'-,!¹ Р

'!Г\Ч '¹

УУ/^/'Щ '///>(' у / / / /V _L

Рис. 1.7. Схема течения при срыве на модели крыла малого удлинения.

область вторичного присоединения и, в задней части крыла, новая застойная зона, увеличивающаяся с ростом угла атаки свыше 30°- 34° с последующим появлением в окрестности задней кромки области с возвратным течением. При увеличении угла атаки до 41°-42° происходил взрыв пузыря и уменьшение подъемной силы крыла в результате срыва с передней кромки.

Следует отметить одну интересную особенность отрывных течений, которая называется «гистерезис обтекания». Гистерезис выражается в том, что при одном и том же угле атаки и одной и той же скорости воздушного потока в некотором диапазоне их значений возможны два варианта обтекания - отрывное и присоединенное. Так, например, гистерезис наблюдался в экспериментах, описанных в работе [63]. Была проведена визуализация картин течения на верхней поверхности толстого прямоугольного крыла (с=0,18) с удлинением Х=5. Эксперименты проводились при различных числах Рейнольдса при прямом и обратном ходах изменения угла атаки. На крыле возникал отрывной пузырь в передней
части профиля и застойная зона в области задней кромки, размер которой зависит от числа Рейнольдса (рис. 1.8). Возникновение турбулентного отрыва и его развитие с ростом угла атаки приводило к

Рис. 1.8. Влияние числа Рейнольдса на картину течения на верхней поверхности «толстого» крыла при угле атаки 16°: а-в — Б1е = 0,38x10⁶; 0,59x10⁶; 0.78x10⁶. 1 - присоединенное течение; 2 — отрывной пузырь; 3 - застойная зона; 4 - влияние концевых вихрей.

нарушению линейной зависимости величины подъемной силы от угла атаки. При достижении критического угла атаки происходило соединение указанных отрывных зон («взрыв» вихря) и возникновение полного отрыва. При уменьшении угла атаки восстановление пузыря отрывного течения происходило на существенно меньших углах атаки, чем при его увеличении, т.е. в некотором диапазоне углов атаки была обнаружена неединственность структуры течения, что является причиной гистерезиса аэродинамических характеристик.

Также гистерезис наблюдается в экспериментах, когда модель крыла заранее установлена на каком-то угле атаки, а скорость потока сначала увеличивается, а потом уменьшается [64].

Визуализация картины течения на поверхности крыла при углах атаки, превышающих критический, выполнена в [65]. На части крыла в одном или нескольких местах по размаху происходил отрыв потока с носка профиля и эти отрывные зоны соединялись с областью турбулентного отрыва (рис. 1.9). Отрывные зоны имели форму треугольников или трапеций, по боковым сторонам которых образовывалось течение типа вихревых жгутов. Внутри зоны отрыва наблюдалось вихревое движение в плоскости крыла с точками типа фокусов. Расположение и размер зон отрыва с носка имели случайный характер и были существенно нестационарны даже при стационарных внешних условиях.

4 4 5

Дата добавления: 2015-05-08