Тheoretical-experimentalresearch of supersonic flow-past of convexo-concave shaped bodies.pdf При больших скоростях полёта в плотных слоях атмосферы Земли летательные аппараты (ЛА) подвергаются интенсивному тепловому воздействию высокоэнтальпийного потока воздуха, что приводит к разрушению теплозащитного покрытия при использовании пассивного метода теплозащиты и, в связи с этим, к изменению геометрической формы ЛА. Как показывают исследования [1 - 4], на наиболее теплонапряжённых участках траектории полёта при больших значенияхчисла Рейнольдса наличие зоны перехода ламинарного течения в пограничномслое в турбулентное способствует более интенсивному разрушению боковой поверхности ЛА по сравнению с разрушением лобовой части поверхности в отличиеот ламинарных режимов течения в пограничном слое. Этот эффект обусловленинтенсификацией процессов тепло- и массообмена в области перехода, в результате чего в её окрестности образуются вогнутые участки поверхности [2 - 4], что, в свою очередь, может привести к существенному изменению аэродинамическиххарактеристик (АДХ) ЛА. Знать о поведении АДХ ЛА необходимо для определения расчётного режима их полёта. Кроме того, тела выпукло-вогнутой формы могут использоваться при необходимости обеспечения неизменной длины ЛА, что в ряде случаев представляется очень важным обстоятельством. В связи с этим представляет интерес выявление возможности определения АДХ таких обгарных формЛА на основе невязкой модели течения.Результаты невязкого и вязкого сверхзвукового обтекания рассматриваемыхтел содержатся, например, в работах [5 - 12]. В [5] численно исследуется влияниеглубины и кривизны выемки на сфере на конфигурацию ударной волны и звуковых линий при различных значениях числа Маха и нулевом угле атаки в невязкойпостановке. В [6] также теоретически рассмотрено гиперзвуковое обтекание тел с 94 Ф.М. Пахомов, В.А. Антонов, Г.Ф. Костин, Н.В. Чуриловвогнутыми участками образующей. В работе [7] невязкое решение, полученноеметодом Мак-Кормака, хорошо согласуется с экспериментальными данными по отходу ударной волны и распределению давления на теле. В работе [8] проведеночисленное исследование невязкого обтекания серии затуплений, характерных для процесса уноса теплозащитного покрытия, где также получено хорошее согласование с экспериментом. Подробное теоретическое исследование особенностей невязкого обтекания тел колоколообразной формы с использованием методаС.К. Годунова приведено в работе [9]. Показано наличие тройной точки на ударной волне. В [10, 11] приводятся сравнения моделей вязкого и невязкого теченияпри обтекании тел с выемками. Отмечено, что в области видимого различия в распределении давления на теле с вогнутыми участками образующей невязкиерасчёты дают завышенные значения давления на теле. И, наконец, подробное систематическое исследование сверхзвукового обтекания тел выпукло-вогнутойформы в рамках модели Навье - Стокса выполнено в работе [12].В данной работе приводятся результаты теоретико-экспериментального исследования сверхзвукового обтекания тел колоколообразной формы.Экспериментальные исследования проводились в сверхзвуковой аэродинамической трубе при углах атаки ƒ = 0  8 и числах Маха набегающего потокаM = 2  4. Число Рейнольдса при M = 4 составляло Re = 5,3·107 м-1.Результаты теоретического исследования получены на основе модели невязкого совершенного газа методом С.К. Годунова с явным выделением поверхностиголовной ударной волны.Геометрические параметры трёх испытываемых моделей и схема расположения дренажных отверстий на одной из них приведены на рис. 1. При этом геометрические размеры отнесены к радиусу миделевого сечения RM = 0,03 м.Рис. 1. Расположение дренажныхотверстий и геометрическиепараметры модели№ модели r1 r2 R L Модель 1 0,2 0,5 2 1Модель 2 0,2 0,3 2 1,5Модель 3 0,2 0,3 2,5 2Параметры модели1234567911810 12rRr1r2RнxL£V†На рис. 2, а представлены контур модели № 1 и картины её обтекания при M = 4. Там же (рис. 2, б) приведены распределения давления на поверхности обтекаемого тела, отнесённые к ƒV 2max,, где ƒ - плотность набегающего потока, V 2max, - его максимальная скорость. Сплошными кривыми показаны результатырасчёта в рамках невязкой модели течения. Штриховыми кривыми и треугольниками на рис. 2 показаны результаты, предоставленные О.И. Погореловым [11, 12], полученные с использованием вязкой модели течения Навье - Стокса при том же значении числа Маха и числе Рейнольдса Re = 106. Кружочки соответствуют экспериментально измеренным значениям давления.Теоретико-экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания тел 95Представленные на рис. 2 результаты позволяют сравнить две модели течения между собой и экспериментом. Прежде чем перейти к их анализу, отметим, что в эксперименте, путём нанесения лакокрасочного покрытия на поверхность обтекаемого тела, установлено наличие отрывной зоны течения в окрестности его вогнутого участка, вызванной отрывом пограничного слоявследствие положительного градиента давления в этой области. Наличие отрыва пограничного слоя с образованием возвратноциркуляционной зоны течения на выемкеустановлено и в расчётах в рамках вязкоймодели течения [11, 12]. Расчёты в невязкойпостановке в данном случае эту особенностьтечения, к сожалению, не улавливают.Этим отличием объясняются некоторыерасхождения в положении головной ударной волны, полученные при расчётах обтекания с использованием разных моделей течения-----. Вследствие наличия отрывной зоны и пограничного слоя отход ударной волны, полученный в результате расчёта в вязкойпостановке, несколько больше, чем отход, полученный в рамках невязкой модели течения. При этом положение точки перегибаударной волны, наличие которой характернодля обтекания тел знакопеременной кривизны, довольно близки. Некоторое незначительное отличие результатов расчётов в рамках двух моделей течения касается конфигурации местных дозвуковых и сверхзвуковых областей течения в ударном слое (сплошные кривые в ударном слое - звуковые линии, полученные в рамках невязкой модели течения, пунктирные - результаты решения задачи в рамках уравнений Навье - Стокса). Отметим, что в окрестности точки перегиба ударной волны и в том и в другом случае меняется тип течения в ударном слое со сверхзвукового до дозвукового. Объясняется это наличием в поле течения косого скачка уплотнения, отчётливо видимого и на теневойкартине обтекания, полученной в эксперименте.Особенности течения находят своё отражение в распределениях давления на поверхности обтекаемого тела, представленных на рис. 2, б. Они показывают, что на первом выпуклом участке поверхности расчётные данные, полученные в рамках двух моделей течения совпадают как между собой, так и с экспериментом.Далее, в окрестности выемки, наблюдается значительное расхождение в значениях давления на поверхности обтекаемого тела, полученных в расчётах по разныммоделям течения. И, если расчёты в рамках модели Навье - Стокса дают близкиезначения давления к эксперименту, то расчёты в рамках модели Эйлера дают завышенные значения давления, превышающие давление торможения в критичеабr00,20,40,60,81,00,2 0,4 0,6 0,8 x M1Pw00,20,40,60,80,2 0,4 0,6 0,8 r Рис. 2. Картина обтекания модели № 1(а) и распределения давления на поверхности (б)96 Ф.М. Пахомов, В.А. Антонов, Г.Ф. Костин, Н.В. Чуриловской точке, что наблюдается и в работе [9]. Пик давления, превышающий давление торможения, объясняется наличием в поле течения косого скачка уплотнения, зарождающегося в тройной точке на ударной волне и падающего на поверхностьтела за его вогнутым участком. Далее, на втором выпуклом участке поверхностиобтекаемого тела, наблюдается хорошее согласование как расчётных, так и экспериментальных данных.Несколько другая картина наблюдается в случае обтекания моделей № 2 и № 3, характеризующихся более пологим вогнутым участком рис. 3, 4. Сплошными кривыми на этих рисунках приведены результаты расчётов в рамках невязкойпостановки задачи.абабr00 3 , 0,60,91 2 , 0,3 0,6 0,9 1,2 x M> 1Pw00,20,40,60,2 0,4 0,6 0,8 rw r 00,40,81 2 , 0 4, 0,8 12, 1,6 x M>1Pw00,20,40,60,2 0,4 0,6 0,8 rw Рис. 3. Картина обтекания модели № 2 (а) и распределения давления на поверхности (б)Рис. 4. Картина обтекания модели № 3 (а) и распределения давления на поверхности (б)В эксперименте установлен безотрывной характер обтекания данных тел. Данное обстоятельство сказывается и на результатах сравнения расчётных и экспериментальных данных. Несмотря на то, что форма головной ударной волны сохраняет свой немонотонный вид, дозвуковая зона течения имеет место только в окрестности лобовой критической точки, как и для выпуклых тел. Наличие положительного градиента давления оказывает тормозящее действие на течение газа, но скорость его остается сверхзвуковой. Сравнение рассчитанных и измеренных значений давления показывает в этих случаях их удовлетворительное согласованиепочти на всей поверхности тела за исключением небольшой области вниз по потоку, где кривизна ударной волны и тела меняет знак, что объясняется наличием в этой области косого скачка уплотнения.Теоретико-экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания тел 97ЗаключениеТаким образом, проведённое теоретико-экспериментальное исследованиесверхзвукового обтекания моделей обгарных форм головных частей летательныхаппаратов показывает возможность использования модели невязкого течения для определения картины их обтекания и оценки значений их аэродинамических характеристик в случае безотрывного обтекания. В противном случае необходимоиспользовать более полную модель течения, например, модель Навье - Стокса.

Скачать электронную версию публикации