С.В. Терещенко Численное исследование влияния ширины

УДК 629.7.025.34
Численное исследование влияния ширины щели на эффективность
элерона.
Терещенко С.В.
Московский физико-технический институт (государственный университет)
В аэродинамической компоновке беспилотных летательных аппаратов
большой продолжительности полёта, применяются высоконесущие крылья
большого удлинения с профилем, обеспечивающим плавное изменение
коэффициента подъемной силы по углу атаки на закритических режимах.
Профилировка таких крыльев характеризуется большой кривизной и
аэродинамической нагруженностью профиля в хвостовой части. На элеронах
подобных крыльев возникают значительные отрицательные шарнирные
моменты в исходном положении и при их отклонении на положительные
углы, что существенным образом влияет на выбор силовой конструкции
крыла и приводов органов управления. Одним из способов уменьшения
шарнирных моментов элеронов является осевая компенсация. Актуальной
задачей проектирования осевой компенсации в этом случае является выбор
формы носовой части элерона, позволяющей снизить абсолютную величину
отрицательных шарнирных моментов, сохранив при этом его эффективность.
При проектировании БПЛА «Альтаир», решалась задача минимизации
шарнирных моментов, возникающих на элероне. При решении этой задачи
были рассмотрены три варианта элеронов: один с конструктивной
компенсацией и относительной хордой до оси вращения, равной 22.5%, два
других, с относительной хордой до оси вращения 18.5%, имели осевую
компенсацию с относительной хордой осевой компенсации 22.5% и
отличались формой носовой части: на одном носовая часть была выполнена
2
по окружности, на другом – на верхней поверхности – «парабола 80», на
нижней – «эллипс». Для всех вариантов элерона задняя стенка крыла имела
форму окружности с центром на оси вращения, зазор между задней стенкой и
элероном составлял 2 мм. Задача была решена и был выбран элерон с осевой
компенсацией, который обладал лучшими характеристиками. В продольном
сечении, проходящем через стык внутренней и внешней секций элерона,
габаритная хорда элерона составляет 236.10 мм, хорда элерона до оси
вращения – 182.88 мм, относительная хорда осевой компенсации равна
22.5%, относительная хорда элерона до оси вращения – 18.5%. Верхняя
поверхность носовой части элерона выполнена по кривой «Парабола 80»,
нижняя – по кривой «Эллипс». Общий вид профиля крыла в этом сечении с
элероном, отклоненным на углы -20,-10, 0, +10, +20° показан на рисунке 1.
Рисунок 1– Общий вид элерона, отклоненного на углы -20,-10, 0, +10, +20°
3
При выполнении численного расчета эффективности и шарнирных
моментов различных вариантов элерона было замечено, что щель между
задней стенкой крыла и элерона положительно влияет на обтекание элерона.
В связи с этим была поставлена задача численно исследовать влияние
ширины щели на эффективность элерона. Целью задачи являлось
исследование влияния ширины щели на аэродинамические характеристики и
характер обтекания профиля. Далее мы подробно рассмотрим данную задачу.
Постановка задачи
Задача решалась в двумерной постановке. Были рассчитаны
характеристики профиля крыла с отклоненным элероном в продольном
сечении, проходящем через стык внутренней и внешней секций элерона.
Исследованы четыре варианта относительного зазора между задней стенкой
крыла и элерона: 0.002, 0.006, 0.008 и 0.01 и пять отклонений элерона: -20, 10, 0, +10, +20°. Общий вид крыла в этом сечении с элероном, отклоненным
на угол +10° при относительных зазорах между задней стенкой крыла и
элероном составляющих 0.002, 0.006, 0.008, 0.01 изображен на рисунке 2.
Расчет выполнен по программе ANSYS CFX, основанной на методе
конечного объема. В стационарной постановке решались осредненные по
Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса с k-ω SST моделью турбулентности.
Скорость набегающего потока задавалась равной V = 41.67 м/с
(150 км/ч), плотность - 1.21 кг/м3, температура окружающего воздуха T =
293 K. Степень турбулентности набегающего потока задавалась равной 1%.
Число Рейнольдса задавалось порядка миллиона. Угол атаки (отсчитываемый
от строительной горизонтали фюзеляжа) изменялся в диапазоне от -4 до 16°.
Угол отклонения элерона изменялся в диапазоне от -20 до +20° по 10°.
4
Рисунок 2 - Общий вид крыла с элероном, отклоненным на угол +10° при
относительных зазорах между задней стенкой крыла и элероном
составляющих 0.002, 0.006, 0.008, 0.01
Расчеты выполнены на структурированной сетке (рисунок 3), которая
была построена в программе ANSYS ICEM CFD. Высота ячейки,
прилегающей к поверхности профиля, задавалась 10-5 хорд профиля, общее
количество
узлов
составляло
порядка
500
тыс.
Расчетная
область
простиралась на 20 хорд вверх по потоку, на 20 хорд вниз по потоку, на 20
хорд вверх и вниз. Сгущение сетки к поверхности профиля обеспечивало
получение при расчетах значения параметра y  порядка 1. Итерации
прекращались, как правило, по достижении среднеквадратичных значений
относительных невязок по полю течения для всех параметров порядка 10-6.
5
Рисунок 3 –Пример
расчетной
сетки
около
профиля
с
вариантом
относительного зазора 0.002
Результаты расчетов
В рамках исследования выполнена серия расчетов обтекания профиля
крыла в диапазоне углов атаки от -4° до 16° с шагом 4° и при отклонениях
элерона от -20 до +20° с шагом 10°. Вариант относительного зазора между
задней стенкой и элероном составляющим 0.002 рассматривался как
сравнительный эталон для оценки влияния щели на обтекание элерона и его
эффективность. Практический интерес представляло сравнение результатов
расчета вариантов относительного зазора составляющих: 0.006, 0.008, 0.01.
Следует обратить внимание на то что все результаты для относительной
щели полученные в данной работе полностью совпали с результатами,
полученными для данного элерона в работе численного исследования
эффективности и шарнирных моментов различных вариантов элерона. Далее
поподробней рассмотрим разные отклонения элерона. Начнем с отклонения
элерона на угол 10°.
6
Аэродинамические
характеристики
профиля
с
элероном,
отклоненным на угол 10°
Cya
Cxa
отклонение элерона

на угол 10
0,10
2,5
относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
0,05
2,0
0,00
0
1,5
отклонение элерона

на угол 10
1,0
отклонение элерона

на угол 10
-0,2
-0,4
0,0
0
10
o

mшэ
относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
0,5
10
o

относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
0
10
o

Рисунок 4 - зависимости коэффициентов подъемной силы и сопротивления
профиля и шарнирного момента элерона от угла атаки
На рисунке 4 приведены графики зависимости коэффициентов
подъемной силы и сопротивления профиля и шарнирного момента элерона
7
от угла атаки при различных относительных зазорах между задней стенкой
профиля и элероном, при отклонении элерона на угол 10°.
Как мы видим из этих графиков на данном режиме отклонения элерона
на всем рассмотренном диапазоне углов атаки относительные щели 0.006,
0.008 и 0.01 имеют преимущество по сравнению с относительной шириной
щели 0.002 по коэффициентам подъемной силы и сопротивления профиля. В
то время как по абсолютной величине коэффициента шарнирного момента
элерона напротив относительная щель 0.002 имеет преимущество по
сравнению с остальными относительными зазорами при углах атаки меньше
чем 𝛼 ≈14°. И только при углах атаки больше чем 𝛼 ≈14° ситуация меняется
на противоположную, то есть на этих углах атаки выгоднее использовать
относительные зазоры 0.006, 0.008 или 0.01.
Так же из графиков видно, что при углах атаки меньше чем 𝛼 ≈14°
относительные зазоры 0.006, 0.008 и 0.01 увеличивают коэффициент
подъемной силы профиля примерно на 7 - 12%, уменьшают коэффициент
сопротивления профиля приблизительно на 4 - 11% от соответственно
коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля, которые дает
относительная ширина щели 0.002.
А вот абсолютную величину
коэффициента шарнирного момента элерона на данных углах атаки эти
относительные зазоры увеличивают примерно на 10 – 15% от абсолютной
величины коэффициента шарнирного момента элерона, который дает
относительная ширина щели 0.002. А при углах атаки больше чем 𝛼 ≈14°
относительные зазоры, которые представляют практический интерес, дают
большие преимущества по сравнению со сравнительным эталоном, как по
коэффициенту
подъемной
сопротивления
профиля
силы
и
по
профиля,
абсолютной
так
и
по
коэффициенту
величине
коэффициента
шарнирного момента элерона. Преимущество относительных зазоров 0.006,
0.008 и 0.01 по коэффициенту подъемной силы профиля на углах атаки
больше чем 𝛼 ≈14° составляет примерено 15 – 30%, по коэффициенту
8
сопротивления профиля - примерно 20 – 40% от коэффициентов, которые
дает эталонная щель. Однако по абсолютной величине коэффициента
шарнирного момента преимущество не такое значительное на больших углах
атаки. Оно составляет всего 7 – 10% от абсолютной величины коэффициента
шарнирного момента при использовании эталонной щели.
Все преимущества и недостатки той или иной относительной щели при
различных углах атаки, которые описаны выше, обусловлены различным
характером развития отрывного обтекания отклоненного элерона. Далее
проанализируем поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля
при отклонении элерона на угол 10° и углах атаки от 4° до 16° с шагом 4°,
которые показаны на рисунках 5.1 - 5.7. Из всех этих рисунков видно, что
относительные щели 0.006, 0.008 и 0.01 создают более интенсивную струю,
которая сносит отрыв, возникающий на верхней поверхности элерона. Как
мы можем наблюдать из рисунков более интенсивная струя, также
обусловлена большим разрежением в зазоре. Также можно заметить, что при
относительной ширине щели 0.002 и при отклонении элерона на угол 10°
отрыв на верхней поверхности элерона смещается вверх по потоку при
увеличении угла атаки. При относительных зазорах 0.006, 0.008 и 0.01
обтекание элерона, напротив, происходит без образование отрыва, что
обеспечивает преимущество как по коэффициенту подъемной силы профиля,
так
и
по
коэффициенту сопротивления профиля по
сравнению с
относительной шириной щели 0.002 на всем диапазоне рассмотренных углов
атаки при отклонении элерона на угол 10°. А вот преимущество
относительного зазора 0.002 по сравнению с остальными щелями по
абсолютной величине коэффициента шарнирного момента элерона при углах
атаки меньше чем 𝛼 ≈14° можно увидеть посмотрев внимательно на
рисунки, на которых показаны поля коэффициента
давления. Это
преимущество обусловлено тем, что на нижней поверхности элерона при
относительных зазорах 0.006, 0.008 и 0.01 создается большое давление, что и
увеличивает абсолютную величину коэффициента шарнирного момента
9
элерона по сравнению с абсолютной величиной коэффициента шарнирного
момента элерона, при использовании эталонной щели. Но, как видно из этих
же картинок, при углах атаки больше чем 𝛼 ≈14° давление на нижнюю
поверхность элерона при относительном зазоре 0.002 становится таким же,
как и при остальных относительных щелях. Поэтому абсолютная величина
коэффициента шарнирного момента элерона при эталонной щели становится
практически такой же, как и при остальных относительных зазорах, как мы
это видели на графике зависимости коэффициента шарнирного момента
элерона от угла атаки. Необходимо отметить, что относительные щели 0.006,
0.008 и 0.01 при отклонении элерона на угол 10° дают практический
одинаковый характер обтекания профиля с отклоненным элероном, что
обуславливает практически одинаковые коэффициенты (Cya, Cxa, mшэ),
которые получаются при использовании этих относительных зазоров.
Проанализировав все сказанное выше можно заключить, что на данном
режиме отклонения элерона выгоднее использовать относительные щели
0.006, 0.008 и 0.01, которые дают лучшие характеристики, чем относительная
ширина щели 0.002.
10
Рисунок 5.1 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки -4°
11
Рисунок 5.2 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки 0°
12
Рисунок 5.3 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки 4°
13
Рисунок 5.4 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки 8°
14
Рисунок 5.5 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки 12°
15
Рисунок 5.6 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки 14°
16
Рисунок 5.7 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 10° и углом атаки 16°
17
Аэродинамические характеристики профиля с элероном,
отклоненным на угол 20°
Теперь мы рассмотрим более интересный случай. На рисунках 6
приведены графики зависимости коэффициентов подъемной силы и
сопротивления профиля и шарнирного момента элерона
от угла атаки при
разных относительных зазорах между задней стенкой профиля и элероном,
при отклонении элерона на угол 20°.
Cxa
Cya
0,10
отклонение элерона

на угол 20
Относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
2,5
0,05
2,0
0,00
0
10
o

1,5
mшэ Относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
1,0
отклонение элерона

на угол 20
-0,2
отклонение элерона

на угол 20
0,5
Относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
-0,4
0
0,0
0
10
10
o

o

Рисунок 6 – зависимость коэффициентов подъемной силы и сопротивления
профиля и шарнирного момента элерона от угла атаки
18
Как видно из графиков на данном режиме отклонения элеронов при
нулевом и отрицательных углах атаки относительные зазоры, составляющие
0.006, 0.008 и 0.01 приводят к незначительному уменьшению коэффициента
подъемной силы профиля, увеличению коэффициента сопротивления
профиля и абсолютной величины отрицательных шарнирных моментов по
сравнению с относительным зазором, составляющим 0.002. Но при углах
атаки, больше чем 𝛼 ≈4° относительные зазоры 0.006 и 0.008 позволяют
увеличить
коэффициент
подъемной
силы
профиля
на
10-30%
от
коэффициента подъемной силы профиля, которую дает относительная
ширина щели 0.002. Так же зазоры 0.006 и 0.008 позволяют уменьшить
коэффициент сопротивления профиля на 15-35% и абсолютную величину
коэффициента шарнирного момента элерона на 15-30% от коэффициента
сопротивления профиля и абсолютной величины коэффициента шарнирного
момента элерона, которые дает относительная ширина щели 0.002. А вот
относительный зазор 0.01 на этом режиме отклонения элерона при углах
атаки меньше чем 𝛼 ≈12° дает значительное уменьшение коэффициента
подъемной
силы
профиля,
значительное
увеличение
коэффициента
сопротивления профиля и абсолютной величины коэффициента шарнирного
момента элерона по сравнению с этими же коэффициентами, которые дает
относительная ширина щели 0.002. И только при углах атаки свыше 𝛼 ≈12°
этот зазор дает преимущество. Дает увеличение коэффициента подъемной
силы профиля примерно на 15%, уменьшение коэффициента сопротивления
профиля примерно на 15% и абсолютной величины коэффициента
шарнирного момента элерона примерно на 20%. Исходя из этого мы видим,
что относительные зазоры 0.006 и 0.008 имеют значительное преимущество
по отношению к зазору 0.002 как по коэффициенту подъемной силы
профиля, так и по коэффициенту сопротивления профиля, и по абсолютной
величине коэффициента шарнирного момента элерона. Следует отметить,
что все коэффициенты (Cya, Cxa, mшэ), которые дает относительная ширина
19
щели 0.006 отличаются незначительно от коэффициентов, которые дает
относительный зазор 0.008.
Все преимущества относительных зазоров 0.006 и 0.008 по отношению
к относительному зазору 0.002, которые описаны выше, обусловлены
различным характером развития отрывного обтекания отклоненного элерона.
Далее мы проанализируем поля скорости и коэффициента давления вокруг
профиля при отклонении элерона на угол 20° и углах атаки от 4° до 16° с
шагом 4°, которые показаны на рисунках 7.1 - 7.7. Как можно видеть из
рисунков 6.1 и 6.2 на выступающей за контур профиля носовой части
элерона при относительной ширины щели 0.002 отрыв потока происходит
ниже по потоку, чем на носовой части элерона при остальных относительных
зазорах. Это объясняется тем, что при зазоре 0.002 создается более
интенсивная струя, чем при остальных зазорах, и над всей верхней
поверхностью профиля с отклоненным элероном и над носовой частью этого
элерона реализуется одинаковое разрежение при всех зазорах. Это все и
обуславливает незначительное преимущество относительно ширины щели
0.002 над остальными относительными зазорами на отрицательных и
нулевом углах атаки при отклонении элерона на угол 20°. Но уже при угле
атаки больше, чем 𝛼 ≈4° ситуация кардинально меняется. Как мы видим из
рисунков 7.3-7.7 отрывы потока при относительных зазорах 0.006 и 0.008
происходят на много ниже по потоку, чем при относительных зазорах 0.002 и
0.01. Это связано с тем, что при этих зазорах создается более сильная струя, и
щель начинает «работать», то есть сдувать отрыв с верхней поверхности
элерона. Кроме того при относительных зазорах 0.006 и 0.008 разряжение над
носовой частью элерона намного больше, чем разряжение над носовой
частью элерона при остальных относительных зазорах. Хотелось бы
отметить, что сильное разряжение, создаваемое при зазорах 0.006 и 0.008 при
углах атаки больше чем 𝛼 ≈4° также засасывает отрыв, который происходит
на крыле. Это хорошо видно если на рисунке 7.3 сравнить, к примеру,
20
относительный зазор 0.008 с относительной шириной щели 0.01. Все
сказанное выше обусловливает огромные преимущества относительных
зазоров 0.006 и 0.008 над сравнительным эталоном как по коэффициенту
подъемной силы профиля, так и по коэффициенту сопротивления профиля и
по абсолютной величине коэффициента шарнирного момента элерона,
которые мы видели при рассмотрении графиков зависимости коэффициентов
подъемной силы и сопротивления профиля и шарнирного момента элерона
от угла атаки при разных относительных зазорах между задней стенкой
профиля и элероном, при отклонении элерона на угол 20°. Если рассмотреть
характер обтекания профиля с отклоненным элероном на угол 20° при
относительной ширине щели 0.01 (рисунки 7.1 – 7.7), то видно, что при
увеличении угла атаки отрыв на верхней поверхности элерона смещается
вверх по потоку, что и дает недостаток как по коэффициенту подъемной
силы профиля, так и по коэффициенту сопротивления профиля, и по
абсолютной величине коэффициента шарнирного момента элерона по
сравнению с относительной шириной щели 0.002. И только при углах атаки
больше чем 𝛼 ≈10° относительный зазор 0.01 начинает «работать». Кроме
того, при этих углах атаки и при рассматриваемой щели на верхней
поверхности элерона создается большое разряжение, которое засасывает
отрыв с крыла, что благоприятно влияет на обтекания. Все вышесказанное
подтверждает, то что мы видели на вышесказанных графиках. Позволю себе
повториться и еще раз отметить, что при отклонение элерона на угол 20°
более эффективно использовать относительный зазор 0.006 или 0.008.
21
Рисунок 7.1 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки -4°
22
Рисунок 7.2 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки 0°
23
Рисунок 7.3 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки 4°
24
Рисунок 7.4 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки 8°
25
Рисунок 7.5 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки 12°
26
Рисунок 7.6 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки 14°
27
Рисунок 7.7 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол 20° и углом атаки 16°
Стоит отметить, что при неотклонённом элероне и при отклонении его
на отрицательные углы изменение относительной ширины щели не дает ни
28
каких изменений. Характер обтекания профиля на этих режимах одинаковый
при всех относительных зазорах. Предлагаю, к примеру, рассмотреть
отклонение элерона на угол -20°.
Аэродинамические
характеристики
профиля
с
элероном,
отклоненным на угол -20°
На рисунке 8 приведены графики зависимости коэффициентов
подъемной силы и сопротивления профиля и шарнирного момента элерона
от угла атаки при разных относительных зазорах между задней стенкой
профиля и элероном, при отклонении элерона на угол -20°.
Cxa
Cya
0,05
1,0
отклонение элерона

на угол -20
относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
0,00
0
0,5
mшэ
0,0
относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
отклонение элерона

на угол -20
-0,2
относительная
ширина щели:
0.002
0.006
0.008
0.010
0
0
10
o

0,0
отклонение элерона

на угол -20
-0,5
10
10
o

°
Рисунок 8 – зависимость коэффициентов подъемной силы и сопротивления
профиля и шарнирного момента элерона от угла атаки
29
На приведенных выше графиках отчетливо видно, что щель никак не
влияет на коэффициенты. Другими словами, коэффициенты подъемной силы
и сопротивления профиля и шарнирного момента элерона для всех щелей
одинаковы. Как видно из графиков выпадает только точка, которой
соответствует относительная щель 0.01 при угле атаки 12° на всех трех
графиков. Для обоснования этого факта предлагаю обратиться к полям
скорости и коэффициента давления вокруг профиля при отклонении элерона
на угол -20° и углах атаки, к примеру, 𝛼 ≈4, 12, 14°
которые показаны на
рисунках 9.1 – 9.3, так как этот факт обусловлен различным характером
развития отрывного обтекания отклоненного элерона. Из рисунка 9.1 видно,
что поля распределения скорости и коэффициента давления одинаковы для
всех относительных зазоров при угле атаки 𝛼 =4°, что и обуславливает
одинаковые коэффициенты для всех щелей. Но на угле атаки 𝛼 ≈12°
(рисунок 9.1) видно, что характер обтекания профиля с отклоненным
элероном при относительной щели 0.01 несколько отличается от характера
обтекания профиля при остальных относительных зазорах. Это происходит,
потому что при относительной ширине щели 0.01 струя, создаваемая в
зазоре, становится более интенсивной, чем струя создаваемая другими
щелями. Эта струя спокойно проходит сквозь отрыв, а вот струи,
создаваемые относительными щелями 0.002, 0.006 и 0.008 напротив обтекают
верхнюю поверхность элерона. Но уже при углах атаки свыше 𝛼 ≈14°, как
это видно из рисунка 9.3 характер обтекания профиля становится опять
одинаковым для всех относительных зазоров. Это происходит потому, что
интенсивность струй, создаваемых относительными зазорами 0.002, 0.006 и
0.008 становится такой же как интенсивность струи при использовании
относительной щели 0.01. Из всего сказанного выше ясно, что при
отклонении элерона на угол -20° можно использовать любую щель, так как
нет никаких изменений при варьировании ширины щели. Важно отметить,
30
что
аналогичная
ситуация
наблюдается
при
других
отрицательных
отклонениях элерона и при неотклонённом элероне.
Рисунок 9.1 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол -20° и углом атаки 4°
31
Рисунок 9.2 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол -20° и углом атаки 12°
32
Рисунок 9.3 – поля скорости и коэффициента давления вокруг профиля с
отклонённым элероном на угол -20° и углом атаки 14°
33
Проанализировав графики зависимости коэффициентов подъемной
силы и сопротивления профиля и шарнирного момента элерона, и подробно
разобрав поля скоростей и коэффициента давления вокруг профиля с
отклоненным элероном мы получили, что при неотклоненном элероне и при
отклонении элерона на отрицательные углы варьирование ширины щели не
дает нам никаких заметных изменений. А вот при отклонении элерона на
положительные углы мы заметили, что лучше использовать относительный
зазор 0.006 или 0.008, так как они дают получше характеристики, чем
относительные зазоры 0.002 и 0.01. При сравнении относительных щелей
0.006 и 0.008 при отклонении элерона на положительные углы можно
заметить, что они дают приблизительно одинаковые характеры отрывного
обтекания профиля с отклоненным элероном. Чтобы найти оптимальный
относительный
зазор можно
внимательно проанализировать графики
приращений коэффициентов подъемной силы профиля при отклонении
элерона от относительной ширины щели, к примеру, при углах атаки 4 и 14°,
которые представлены на рисунке 10. Элероны – это орган управления
движения по крену, следовательно оптимальной шириной щели будет та,
которая
дает
максимальную
абсолютную
величину
приращения
коэффициента подъемной силы профиля при отклонении элерона. Из первого
графика можно сделать вывод о том, что оптимальной при отклонении
элерона на угол 20° является относительная щель 0.008, а при остальных
отклонениях элерона при угле атаки 4° большее абсолютное приращение
имеют относительные зазоры 0.006 и 0.008. Эти щели дают примерно
одинаковые приращения при отклонении элерона на углы 10, -10 и -20° при
угле атаки 4°. Второй график указывает на то, что оптимальной щелью при
угле атаки 14° является относительный зазор 0.01. Но если вспомнить, что
этот относительный зазор начинает «работать» только при углах атаки
примерно 12°, то его не стоит рассматривать в качестве оптимальной щели.
Тем более из первого графика видно, что при малых углах атаки,
относительный
зазор
дает
меньшее
34
приращение
по
сравнению
с
приращениями подъемной силы профиля, которые дают относительные щели
0.006 и 0.008. Исходя из всего этого можно заключить, что оптимальным
зазором
между
задней
стенкой
крыла
и
элероном
для
данного
высоконесущего профиля с большой кривизной с рассмотренным элероном с
осевой компенсацией является относительный зазор 0.008.
Cy

Cy


0,5
0,5
Отклонение
0,0

элерона э
Отклонение

0,0
20
10
элерона э

20
10
-10
-10
-20
-20
-0,5
-0,5
-1,0
-1,0
-1,5
0,000
0,000
0,005
0,010
0,005
0,010
d
d
Рисунок 10 – графики зависимости приращения коэффициента подъемной
силы при отклонении элерона от относительной ширины щели при углах
атаки 4 и 14°
35
Заключение
Задача численного исследования влияния ширины щели на
эффективность элерона решалась в двумерной постановке. В рамках данного
исследования выполнена серия расчетов обтекания профиля крыла с
относительными щелями 0.002, 0.006, 0.008 и 0.01 в диапазоне углов атаки от
-4° до 16° с шагом 4° и при отклонениях элерона от -20 до +20° с шагом 10°.
Все расчет были выполнены по программе ANSYS CFX, основанной на
методе конечного объема. В стационарной постановке решались
осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса с k-ω SST моделью
турбулентности.
Скорость набегающего потока задавалась равной V = 41.67 м/с (150 км/ч),
плотность – 1.21 кг/м3, температура окружающего воздуха T = 293 K.
Степень турбулентности набегающего потока задавалась равной 1%. Число
Рейнольдса задавалось порядка миллиона.
Расчеты выполнены на структурированной сетке, которая была построена в
программе ANSYS ICEM CFD. Высота ячейки, прилегающей к поверхности
профиля, задавалась 10-5 хорд профиля, общее количество узлов составляло
порядка 500 тыс. Расчетная область простиралась на 20 хорд вверх по потоку,
на 20 хорд вниз по потоку, на 20 хорд вверх и вниз. Сгущение сетки к
поверхности профиля обеспечивало получение при расчетах значения
параметра
y
порядка 1. Итерации прекращались, как правило, по
достижении среднеквадратичных значений относительных невязок по полю
течения для всех параметров порядка 10-6.
В данной работе показано, что относительная щель 0.008 является
оптимальной. Использование этой щели при отклонениях элерона на угол 20°
и углах атаки более 4° может создавать более интенсивную струю по
сравнению со струей, которую создает относительная эталонная щель,
которая позволяет сдувать отрыв с верхней поверхности элерона. А также
36
данная щель образует большое разряжение на этих режимах на верхней
поверхности элерона. Все сказанное выше дает увеличение коэффициента
подъемной силы профиля примерно на 10-30%, уменьшение абсолютной
величины шарнирного момента элерона примерно на 15 – 30% и уменьшение
коэффициента сопротивления профиля примерно на 15-35% по сравнению с
коэффициентами подъемной силы и сопротивления профиля и абсолютной
величиной коэффициента шарнирного момента элерона, которые дает
относительная эталонная щель 0.002 при отклонении элерона на угол 20° и
углах атаки более 4°. К тому же при отклонении элерона на угол 10° на всем
диапазоне рассматриваемых углов атаки также создается интенсивная струя,
что и обуславливает преимущество относительного зазора 0.8%. На этом
режиме отклонения элерона данная щель может давать преимущество как по
коэффициенту подъемной силы профиля примерно на 7 - 12%, так и по
коэффициенту сопротивления профиля примерно на 4 – 11% по сравнению с
соответствующими
коэффициентами
при
использовании
эталонной
относительной щели 0.2%. Но при отклонении элерона на угол 10° на
верхней поверхности элерона не создается достаточно большого разряжения,
что и обуславливает отсутствие преимущества данной щели по абсолютной
величине
коэффициента
шарнирного
момента
элерона.
А
вот
при
неотклоненном элероне или при отклонении его на отрицательные углы
оптимальная щель не дает особых преимуществ по коэффициентам. Но зато
она дает преимущество по приращению подъемной силы при отклонении
элерона как на положительные углы, так и на отрицательные.
37
Список используемой литературы
1. Макаров К. А., Павленко А. А. Численное исследование шарнирных
моментов и эффективности элерона на высоконесущем крыловом
профиле;
2. Мартынов А. К. Прикладная аэродинамика – М.: Машиностроение,
1972;
3. H. K. Versteeg, W Malalasekera An introduction to computational fluid
dynamics the finite volume method. Second Edition. – Harlow: Pearson
Education Limited, 2007.
38