Исследование обтекания профиля крыла

Цель работы

Исследовать обтекание профиля крыла без учета его размаха, т.е. крыла бесконечного размаха. Выяснить, как меняется картина обтекания профиля при изменении угла атаки. Исследование провести для трех режимов – дозвукового взлетно-посадочного, дозвукового крейсерского и сверхзвукового полетов. Определить подъемную силу и силу сопротивления, действующие на крыло. Построить поляру крыла.

КраТкая теория

Профиль крыла – сечение крыла плоскостью, параллельной плоскости симметрии самолета (сечение А-А). Иногда под профилем понимают сечение, перпендикулярное передней или задней кромке крыла (сечение Б-Б).

Хорда профиля b – отрезок, соединяющий наиболее удаленные точки профиля.

Размах крыла l – расстояние между плоскостями, параллельными плоскости симметрии и касающимися концов крыла.

Центральная (корневая) хорда b₀ – хорда в плоскости симметрии.

Концевая хорда b_K – хорда в концевом сечении.

Угол стреловидности по передней кромке χ_ПК – угол между касательной к линии передней кромки и плоскостью, перпендикулярной центральной хорде.

Как было указано в предыдущей работе, полная аэродинамическая сила R раскладывается на подъемную силу Y и силу сопротивления X:

Подъемная сила и сила сопротивления определяются по похожим формулам:

где C_Y и С_Х – коэффициенты подъемной силы и силы сопротивления соответственно;

ρ – плотность воздуха;

V – скорость тела относительно воздуха;

S – эффективная площадь тела.

В исследованиях обычно имеют дело не самими силами Y и Х, а с их коэффициентами C_Y и C_X.

Рассмотрим обтекание воздушным потоком тонкой пластины:

Если установить пластину вдоль потока (угол атаки равен нулю), то обтекание будет симметричным. В этом случае поток воздуха пластиной не отклоняется и подъемная сила Y равна нулю. Сопротивление X минимально, но не нуль. Оно будет создаваться силами трения молекул воздуха о поверхность пластины. Полная аэродинамическая сила R минимальна и совпадает с силой сопротивления X.

Начнем понемногу отклонять пластину. Из-за скашивания потока сразу же появляется подъемная сила Y. Сопротивление X немного увеличивается из-за увеличения поперечного сечения пластины по отношению к потоку.

По мере постепенного увеличения угла атаки и увеличения скоса потока подъемная сила увеличивается. Очевидно, что сопротивление тоже растет. Здесь необходимо отметить, что на малых углах атаки подъемная сила растет значительно быстрее, чем сопротивление.

По мере увеличения угла атаки воздушному потоку становится все труднее обтекать пластину. Подъемная сила хотя и продолжает увеличиваться, но медленнее, чем раньше. А вот сопротивление растет все быстрее и быстрее, постепенно обгоняя рост подъемной силы. В результате полная аэродинамическая сила R начинает отклоняется назад.

И тут вдруг картина резко меняется. Воздушные струйки оказываются не в состоянии плавно обтекать верхнюю поверхность пластины. За пластиной образуется мощный вихрь. Подъемная сила резко падает, а сопротивление увеличивается. Это явление в аэродинамике называют СРЫВ ПОТОКА. «Сорванное» крыло перестает быть крылом. Оно перестает лететь и начинает падать

Покажем зависимость коэффициентов подъемной силы С_Y и силы сопротивления С_Х от угла атаки α на графиках.

Объединим получившиеся два графика в один. По оси абсцисс отложим значения коэффициента сопротивления С_Х, а по оси ординат – коэффициент подъемной силы С_Y.

Получившаяся кривая называется ПОЛЯРА КРЫЛА – основной график, характеризующий летные свойства крыла. Откладывая на осях координат значения коэффициентов подъемной силы C_Y и сопротивления C_X, этот график показывает величину и направление действия полной аэродинамической силы R.

Если считать, что воздушный поток движется вдоль оси C_X слева направо, а центр давления (точка приложения полной аэродинамической силы) находится в центре координат, то для каждого из разобранных ранее углов атаки вектор полной аэродинамической силы будет идти из начала координат в точку поляры, соответствующую заданному углу атаки. На поляре можно легко отметить три характерные точки и соответствующие им углы атаки: критический, экономический и наивыгоднейший.

Критический угол атаки – это угол атаки, при превышении которого происходит срыв потока. При этом С_Y максимально и ЛА может удерживаться в воздухе на минимально возможной скорости. Это полезно при заходе на посадку. Смотри точку (3) на рисунках.

Экономический угол атаки – это угол атаки, на котором аэродинамическое сопротивление крыла минимально. Если установить крыло на экономический угол атаки, то оно сможет двигаться с максимальной скоростью.

Наивыгоднейший угол атаки – это угол атаки, на котором отношение коэффициентов подъемной силы и сопротивления C_Y / C_X максимально. В этом случае угол отклонения аэродинамической силы от направления движения воздушного потока максимален. При установке крыла на наивыгоднейший угол атаки оно полетит дальше всего.

Аэродинамическое качество крыла – это отношение коэффициентов C_Y / C_X при установке крыла на наивыгоднейший угол атаки.

Порядок выполнения работы

1. Подбор профиля крыла:

Обширная библиотека авиационных профилей находится на сайте Иллинойского университета: http://aerospace.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html

Здесь собрано база из примерно 1600 разнообразных профилей крыла. Для каждого профиля имеется его рисунок (в формате *.gif) и таблица координат верхней и нижней части профиля (в формате *.dat). База находится в свободном доступе, постоянно обновляется. Кроме того, на этом сайте имеются ссылки на другие библиотеки профилей.

Выбираем любой профиль и скачиваем *.dat файл к себе на компьютер.

2. Редактирование *.dat файла с координатами профиля:

Перед тем, как импортировать файл с координатами профиля в SW, его необходимо подкорректировать в Microsoft Excel. Но если напрямую открыть этот файл в Excel, то все координаты окажутся в одном столбце.

Нам же необходимо, чтобы координаты X и Y профиля были в разных столбцах.

Поэтому мы сначала запускаем Excel, а затем открываем из него наш *.dat файл. В выпадающем списке указываем «Все файлы». В мастере текстов формат данных указываем – с символом-разделителем «Пробел».

→

Теперь X и Y координаты каждая в своем столбце:

Теперь удаляем строку 1 с текстом, строку 2 с посторонними данными и пустую строку 3. Далее просматриваем все координаты и тоже удаляем пустые строки, если они имеются.

Еще добавляем третий столбец для координаты Z. В этом столбце все ячейки заполняем нулями.

И смещаем всю таблицу влево.

Отредактированный *.dat файл должен выглядеть примерно так:

Сохраняем этот файл, как текстовый файл (с разделителями табуляции).

3. Создание профиля в SW:

В SW создаем новую деталь.

Запускаем команду «Кривая через точки XYZ» на вкладке «Элементы».

Откроется окно:

Нажимаем ОК и вставляем в документ кривую профиля крыла.

Если выдается предупреждение, что кривая самопересекается (это возможно для некоторых профилей), то нужно вручную в Excel отредактировать файл, чтобы устранить самопересечение.

Теперь эту кривую нужно преобразовать в эскиз. Для этого создаем на передней плоскости эскиз:

Запускаем команду «Преобразование объектов» на вкладке «Эскиз» и в качестве элемента для преобразования указываем нашу кривую профиля.

Поскольку исходная кривая очень маленького размера (хорда профиля всего 1 мм!), то с помощью команды «Масштабировать объекты» увеличиваем профиль в тысячу раз, чтобы значения аэродинамических сил более-менее соответствовали реальным.

Закрываем эскиз и с помощью команды «Вытянутая бобышка/основание» выдавливаем эскиз в твердотельную модель длиной 1000 мм. Выдавливать можно на самом деле на любую длину, все равно мы будем решать задачу двумерного обтекания.

4. Обдувка профиля в модуле Flow Simulation:

На необходимо выполнить обдувку полученного профиля в трех скоростных режимах: дозвуковом взлетно-посадочном (50 м/с), дозвуковом крейсерском (250 м/с) и сверхзвуковом (500 м/с) при разных углах атаки: –5°, 0°, 10°, 20°, 30°, 40°.

При этом необходимо построить картины в сечении для каждого случая и определить подъемную силу и силу сопротивления, действующие на профиль.

Таким образом, необходимо 18 раз выполнить расчет во Flow Simulation и заполнить такую таблицу:

Скоростной режим	Сила, Н	Углы атаки, град
–5
Дозвуковой взлетно-посадочный, 50 м/с	Y
X
Дозвуковой крейсерский, 250 м/с	Y
X
Сверхзвуковой, 500 м/с	Y
X

Вращение крыла в SW выполняется с помощью команды «Переместить/копировать тела» .

Общие параметры проекта такие: тип задачи (внешняя без учета замкнутых полостей), тип текучей среды (воздух, ламинарное и турбулентное течение, большие числа Маха для сверхзвукового режима), скорость в направлении оси Х V_Х = 50, 250 и 500 м/с. Остальные параметры оставляем по умолчанию.

В свойствах расчетной области указываем тип задачи – 2D моделирование.

Указываем цель расчета – поверхностная, ставим метки для средних скоростей по X и Y, а также для сил по X и Y.

В заключение, строятся 6 графиков – зависимости подъемной силы Y и силы сопротивления X от угла атаки α, а также 3 поляры крыла.

Контрольные вопросы

1. Что такое профиль крыла?

2. Что такое угол атаки?

3. Что такое размах крыла?

4. Чем обтекание крыла конечного размаха отличается от обтекания крыла с бесконечным размахом?

5. Что такое хорда крыла?

6. Какие бывают хорды у крыла?

7. Как определить подъемную силу и силу сопротивления (формулы)?

8. Как выглядят графики зависимости C_Y и C_X от угла атаки α?

9. Что такое поляра крыла?

10. Какие характерные точки есть на поляре?

11. Что такое аэродинамическое качество крыла?

Дата добавления: 2015-07-11