Способ проведения испытаний в аэродинамических трубах с моделированием влияния вертикального, горизонтального или смешанного порыва ветра Российский патент 2024 года по МПК G01M9/00 B64C23/00 

Изобретение относится к области аэродинамики и предназначено для исследования в аэродинамической трубе (АДТ) аэродинамических характеристик летательного аппарата (ЛА) с учетом влияния вертикального горизонтального или смешанного порыва ветра на высоте сверхзвукового, трансзвукового и дозвукового полета.

Порывы ветра на высоте полета ЛА влияют на переход ламинарного пограничного слоя (ЛПС) в турбулентный пограничный слой (ТПС), на интенсивность звукового удара на земле, на устойчивость работы авиационных двигателей (особенно на режимах взлета и посадки), на появление отрыва (бафтинга), проявляются в перегрузках, которые надо учитывать и компенсировать для предотвращения разрушения конструкции летательного аппарата.

Известен источник информации [West IV, Т.К., Reuter, B.W., Walker, E.L., Kleb, В., and Park, M.A., "Uncertainty Quantification and Certification Prediction of Low-Boom Supersonic Aircraft Configurations (Invited)," 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference, Atlanta, Georgia, 16-20 June 2014. doi:10.2514/6.2014-2139; Lazzara, D.S., Magee, Т., Shen, H., and Mabe, J.H. Off-Design Sonic Boom Performance for Low-Boom Aircraft // AIAA Scitech 2019 Forum, San Diego, California, 7-11 January 2019. doi: 10.2514/6.2019-0606], в котором описан способ моделирования влияния вертикального порыва ветра (в данном случае на громкость звукового удара), проявляющегося в изменении угла атаки ЛА, путем проведения расчетов с изменением угла атаки. Важен масштаб неоднородности скорости порыва ветра при исследовании его влияния на ЛА. Чем быстрее возрастает скорость (меньше масштаб неоднородности), тем больше влияние порыва на силы, действующие на ЛА.

За прототип способа моделирования порыва ветра на высоте полета ЛА принято решение, представленное в работе [Михайлов Ю.С. Экспериментальное моделирование воздействия вихревого следа на модель самолета АОН в аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ // Труды ЦАГИ, вып.2622, 1996, стр. 188-196], в которой предлагается моделировать порыв ветра двухсекционной решеткой крыльев, установленной с помощью рамы на выходном сечении сопла трубы. Для профилирования крыльев решетки был взят симметричный профиль с относительной толщиной 13%. Крылья разнесены в вертикальной плоскости на расстояние около двух хорд профилей решетки. Конструкция каждой секции решетки состояла из двух полукрыльев, угол отклонения которых мог варьироваться в диапазоне±15°. Симметричное отклонение крыльев с определенной частотой вверх и вниз моделирует порывы ветра, а дифференциальное отклонение - вихревой след (жгут) за большим самолетом, который воздействует на ЛА, летящий следом. Измерение углов скосов выполнялись с помощью комбинированного пневмометрического насадка, включающего приемники углов скоса и скорости набегающего потока. Измерение углов скосов проводилось в трех сечениях трубы при отсутствии модели в рабочей части.

Недостатком прототипа является невозможность проводить испытания в АДТ с моделированием в рабочей части порыва ветра на трансзвуковых и сверхзвуковых режимах. А также ограниченный диапазон моделируемых частот нестационарного процесса (чисел Струхаля).

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом является расширение диапазона скоростей, в том числе на трансзвуковых и сверхзвуковых режимах, при которых можно проводить испытания с моделированием вертикального, горизонтального и смешенного порыва ветра на высоте полета летательного аппарата, с выполнением условия сохранения числа Струхаля.

Технический результат достигается этапами способа проведения испытаний в аэродинамических трубах (АДТ) с моделированием в рабочей части порыва ветра, включающего создание в газовом потоке крупномасштабных вихрей, посредством устройства для создания крупномасштабных вихрей, определение углов скосов газового потока в вертикальной и горизонтальной плоскости и скорости порыва в рабочей части. В качестве устройства для создания крупномасштабных вихрей используют вихрегенератор, выполненный в виде пластины с острыми кромками, установленной от стенки до стенки трубы, за которой образуется вихревая дорожка, при этом ширина пластины определяет частоту периодического порыва ветра за пластиной. Вихрегенератор устанавливают в плоскости, перпендикулярной оси форкамеры и рабочей части АДТ, при этом острые кромки размещают под углом θ=0° к горизонту, моделируя вертикальный порыв ветра, или под углом θ=90° к горизонту, моделируя горизонтальный порыв, или при промежуточном положении, моделируя порыв с вертикальным и горизонтальным компонентами поперечной к оси трубы скорости порыва. При дозвуковых и трансзвуковых испытаниях, вихрегенератор располагают в форкамере, сопле или в рабочей части перед моделью. При сверхзвуковых испытаниях, вихрегенратор располагают в форкамере или дозвуковой части сопла. Вихрегенератор располагают в зоне контура АДТ до модели, где число Рейнольдса, посчитанное по ширине пластины больше 50 и меньше 2,9×10⁶. Проводят аттестацию вихрегенератора, а именно определение углов скосов в вертикальной и горизонтальной плоскости и скорости порыва в рабочей части для вихрегенератора заданного размера, установленного в выбранном сечении АДТ, при заданном полном давлении в форкамере, при заданной скорости в рабочей части в числах Маха М или в м/с U, где U=M×a, где а-скорость звука. Аттестацию производят путем проведения весовых испытаний модели при перечисленных условиях с горизонтальным расположением острых кромок пластины, θ=0°, и последующим определением зависящего от времени эффективного угла скоса Δα_0эф(t,М), в месте расположения модели при заданной скорости М в рабочей части. Определение Δα_0эф(t,М) осуществляют путем деления величины изменения подъемной силы по времени ΔY(t,M) на производную средней подъемной силы модели по углу атаки в градусах Y_cp^α(M) для данной модели. При расположении вихрегенератора в сечении АДТ, когда острые кромки расположены под углом θ к горизонту не равным 0, угол скоса в вертикальной плоскости рассчитывают по формуле Δα_0эф(t,М,θ)= Δα_0эф(t,М)cos(θ), угол скоса в горизонтальной плоскости рассчитывают по формуле Δβ_эф(t,М,θ)= Δα_0эф(t,М)(t) sin(θ). При расположении вихрегератора в сечении АДТ, когда острые кромки расположены под углом θ к горизонту, известных скосах и скорости потока в рабочей части U, эффективную скорость порыва в вертикальной плоскости в зависимости от времени рассчитывают по формуле ΔV_пуэф(t,θ,М)=UΔα_эф(t,М,θ)/57,3, эффективную скорость порыва в горизонтальной плоскости рассчитывают по формуле ΔV_пzэф(t,θ,M)=UΔβ_эф(t,M,θ)/57,3. Проводят испытания модели летательного аппарата с моделированием посредством аттестованного вихрегенератора вертикального, горизонтального или смешанного порыва ветра.

Периодическое по времени (повторяющееся с определенной частотой) изменение величины и направления (вверх-вниз, вправо-влево) порыва ветра в рабочей части аэродинамической трубы получают посредством помещения в контур трубы вихрегенератора - плохообтекаемого тела, в данном случае пластины с острыми кромками, установленной от стенки до стенки трубы и своей плоскостью перпендикулярно оси форкамеры и рабочей части АДТ. За такой пластиной при определенных условиях, которые будут озвучены ниже, образуется вихревая дорожка, аналог дорожки Кармана за цилиндром.

На фигурах показаны примеры аттестации вихрегенератора на модели профиля 300 мм., расположенной под углом 3° в рабочей части.

Фиг. 1 - Иллюстрирует расположение вихрегенератора 112 мм в форкамере, при М=0.49 (дозвуковые скорости).

Фиг. 2 - Вертикальная сила, действующая на профиль при М=0.49 (в Ньютонах).

Фиг. 3 - Иллюстрирует расположение вихрегенератора 112 мм в форкамере, при М=1.77 (сверхзвуковые скорости).

Фиг. 4 - Вертикальная сила, действующая на профиль при М=1.77 (в Ньютонах).

Пластина устанавливается в вертикальной плоскости перпендикулярной оси форкамеры и рабочей части АДТ горизонтально, вертикально или в промежуточном положении. Пусть угол между острыми кромками и горизонтом будет θ. Тогда при θ=0° горизонтальном расположении острых кромок, моделируется вертикальный порыв ветра, при θ=90°, вертикальном расположении острых кромок, моделируется горизонтальный порыв, при промежуточном положении острых кромок моделируется порыв ветра с вертикальным и горизонтальным компонентами поперечной к оси трубы скорости порыва.

Частота периодического порыва за пластиной (см. фиг. 2) определяется шириной пластины. С уменьшением ширины пластины увеличивается частота изменения скорости порыва ветра V_п(t,M)=V_па(M)f(t) (здесь V_па - амплитуда изменения скорости порыва ветра, f(t) - вид периодической зависимости скорости порыва от времени, в частном случае может быть f(t)=sin(2πt/T), Т-период изменения скорости порыва), V_па(M)=(V_пmax(t,M)-V_п^min(t,M))/2 (по определению частота ν есть ν=1/Т).

При моделировании нестационарных процессов важно выполнение условия сохранения числа Струхаля, что при проведении эксперимента с моделью меньшего масштаба, чем ЛА, требует увеличение частоты возмущения в испытаниях по сравнению с частотой процесса в натуральных условиях во столько раз, во сколько модель меньше летательного аппарата.

Расчеты показали, что частота изменения скорости порыва ветра от 6 до 20 раз больше (фиг. 2 частота 130 Гц), чем максимально возможная (10 Гц) при установке в АДТ механически колеблющегося крыла (в прототипе), что расширяет диапазон моделируемых частот нестационарных процессов (чисел Струхаля).

В отличии от прототипа испытания с генерированием порыва ветра предложенным способом могут проводиться не только на дозвуковых режимах, но также на трансзвуковых и сверхзвуковых (фиг. 1-4). Эксперименты с моделированием высокочастотного порыва ветра могут проводиться как в дозвуковой АДТ с открытой и закрытой рабочей частью, так в трансзвуковой и сверхзвуковой АДТ с замкнутым и незамкнутым контуром.

Вихрегенератор при дозвуковых испытаниях располагают в форкамере, сопле или в рабочей части перед моделью. При сверхзвуковых испытаниях генератор вихрей располагают в форкамере или дозвуковой части сопла.

Как показали расчеты, загрузка в месте расположении генератора вихрей в контуре АДТ должна быть не больше 0.5 (загрузка есть отношение площади вихрегенератора к площади сечения аэродинамической трубы в месте установки вихрегенератора), в противном случае происходит падение полного давления более чем на 20% на оси рабочей части.

Для моделирования периодического порыва ветра в рабочей части АДТ (вихревой дорожки Кармана) необходимо располагать генератор вихрей в зоне контура АДТ, где число Рейнольдса, посчитанное по ширине пластины, Re больше 50 и меньше 2,9×10⁶. При указанном значении числа Рейнольдса в месте расположения генератора вихрей пропадает периодическое появление и изменение перпендикулярного к оси рабочей части АДТ компонента скорости потока, что было проверено проведением расчета вихрегенератора в неограниченном потоке.

Перед проведением испытаний различных моделей в АДТ с моделированием порыва ветра на высоте полета ЛА углы скосов и значения скоростей порыва ветра перпендикулярные оси АДТ в рабочей части, создаваемые вихрегенератором на заданном режиме, измеряются для вихрегенератора заданного размера, установленного в выбранном сечении АДТ при заданном полном давлении в форкамере, при заданной скорости потока в рабочей части в числах Маха, М (аттестация вихрегенератора). Аттестация вихрегенератора производится путем проведения весовых испытаний контрольной или другой модели (фиг. 2,4) при перечисленных условиях с горизонтальным расположением острых кромок вихрегенератора θ=0° и последующим определением зависящего от времени эффективного угла скоса Даоэф(1:,М) в вертикальной плоскости (изменение угла атаки по времени t) в вместе расположения модели при заданной скорости М в рабочей части.

Определение Δα_0эф(t,М) (см. (1)) осуществляется путем деления величины изменения подъемной силы по времени AY(t,M)=Y(t,M,α₁) -Y_cp1(α₁,M) Y_cp1^α(α₂,M) (разницы величины подъемной силы Y(t,M), меняющейся по времени, и средней по времени величины подъемной силы Y_cp(M)) (см. (2)), на производную средней подъемной силы модели по углу атаки в градусах Y_cp^α(M) (получается как разница двух средних значений подъемной силы модели в испытаниях на двух углах атаки с вихрегенератором в контуре трубы, деленная на разницу величин двух углов в градусах, на которых были получены средние значения) (см. (3))для данной модели:

Считаем, что Δα_0эф(t,М), ΔY(t,M), Y_cp^α(M) не зависят от угла атаки модели, используемой при аттестации вихрегенератора, поэтому при определении ΔY(t,M) могут использоваться результаты испытаний при аь.или Частота изменения моделируемого порыва ветра находится из экспериментальных данных Y(t,M) как количество полных колебаний в секунду (фиг. 2,4).

После получения Δα_0эф(t,М) находим компоненты угла скоса и скорости порыва ветра для испытаний с расположением вихрегенератора в сечении АДТ с острыми кромками под углом 0 к горизонту, не равным 0. Угол скоса в вертикальной плоскости рассчитывают по формуле Δα_0эф(t,М,θ)= Δα_0эф(t,М) cos(θ), в горизонтальной плоскости рассчитывают по формуле Δβ_эф(t,М,θ)= Δα_0эф(t,) sin(θ). При расположении вихрегенератора в сечении АДТ с острыми кромками под углом θ к горизонту, известных скосах и скорости потока в рабочей части U в м/с (U=M×a, где а - скорость звука) эффективную скорость порыва в вертикальной плоскости в зависимости от времени рассчитывают по формуле ΔV_пуэф(t,θ,М)=UΔα_эф(t,М,θ)/57,3, в горизонтальной плоскости рассчитывают по формуле ΔV_пzэф(t,θ,М)=UΔβ_эф(t,М,θ)/57,3.

После проведения аттестации вихрегенератора определенного размера, с определенным положения в контуре АДТ, для определенной скорости в рабочей части возможно проводить собственно испытания с моделированием вертикального, горизонтального или смешанного порыва ветра: динамически подобных моделей, давлений в ближнем поле, устойчивости работы систем управления ламинарным обтеканием и уменьшения турбулентного трения, пассивной системы компенсации порыва ветра, устойчивости работы двигателя, бафтинга и другие испытания на дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях в рабочей части АДТ.

Изобретение относится к способу проведения испытаний в аэродинамических трубах (АДТ) с моделированием в рабочей части АДТ порыва ветра. Для проведения испытаний создают в газовом потоке воздушные вихри, определяют углы скосов газового потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях и скорости порыва в рабочей части, используя вихрегенератор определенной конструкции, выполненный с возможностью моделирования разных направлений порыва ветра и который размещают в разных местах АДТ для проведения дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых испытаний соответственно. Обеспечивается расширение диапазона скоростей, в том числе на трансзвуковых и сверхзвуковых режимах, при которых можно проводить испытания с моделированием вертикального, горизонтального и смешенного порыва ветра на высоте полета летательного аппарата. 4 ил.

Способ проведения испытаний в аэродинамических трубах (АДТ) с моделированием в рабочей части АДТ порыва ветра, включающий создание в газовом потоке крупномасштабных вихрей посредством устройства для создания крупномасштабных вихрей, определение углов скосов газового потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях и скорости порыва в рабочей части, отличающийся тем, что:

- в качестве устройства для создания крупномасштабных вихрей используют вихрегенератор, выполненный в виде пластины с острыми кромками, установленной от стенки до стенки трубы, за которой образуется вихревая дорожка, при этом ширина пластины определяет частоту периодического порыва ветра за пластиной;

- вихрегенератор устанавливают в плоскости, перпендикулярной оси форкамеры и рабочей части АДТ, при этом острые кромки размещают под углом θ=0° к горизонту, моделируя вертикальный порыв ветра, или под углом θ=90° к горизонту, моделируя горизонтальный порыв ветра, или при промежуточном положении, моделируя порыв с вертикальным и горизонтальным компонентами поперечной к оси трубы скорости порыва ветра;

- при дозвуковых и трансзвуковых испытаниях вихрегенератор располагают в форкамере, сопле или в рабочей части перед моделью;

- при сверхзвуковых испытаниях вихрегенератор располагают в форкамере или дозвуковой части сопла;

- вихрегенератор располагают в зоне контура АДТ до модели, где число Рейнольдса, посчитанное по ширине пластины, больше 50 и меньше 2,9×10⁶;

- проводят аттестацию вихрегенератора, а именно определение углов скосов в вертикальной и горизонтальной плоскостях и скорости порыва в рабочей части для вихрегенератора заданного размера, установленного в выбранном сечении АДТ, при заданном полном давлении в форкамере, при заданной скорости в рабочей части в числах Маха М или в м/с U, где U=М×а, где а - скорость звука, аттестацию производят путем проведения весовых испытаний модели при перечисленных условиях с горизонтальным расположением острых кромок пластины, θ=0°, и последующим определением зависящего от времени эффективного угла скоса Δα_0эф(t,М), в месте расположения модели при заданной скорости М в рабочей части;

- определение Δα_0эф(t,М) осуществляют путем деления величины изменения подъемной силы по времени ΔY(t,M) на производную средней подъемной силы модели по углу атаки в градусах Y_ср^α(М) для данной модели;

- при расположении вихрегенератора в сечении АДТ, когда острые кромки расположены под углом θ к горизонту, не равным 0, угол скоса в вертикальной плоскости рассчитывают по формуле Δα_эф(t,М,θ)=Δα_0эф(t,М)cos(θ), угол скоса в горизонтальной плоскости рассчитывают по формуле Δβ_эф(t,М,θ)=Δα_0эф(t) sin(θ);

- при расположении вихрегенератора в сечении АДТ, когда острые кромки расположены под углом θ к горизонту, известных скосах и скорости потока в рабочей части U эффективную скорость порыва в вертикальной плоскости в зависимости от времени рассчитывают по формуле ΔV_пyэф(t,θ,М)=UΔα_эф(t,М,θ)/57,3, эффективную скорость порыва в горизонтальной плоскости рассчитывают по формуле ΔV_пzэф(t,θ,М)=UΔβ_эф(t,М,θ)/57,3;

- проводят испытания модели летательного аппарата с моделированием посредством аттестованного вихрегенератора вертикального, горизонтального или смешанного порыва ветра.