авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Обобщение теорий аэродинамических сил в вязком теплопроводном газе при дозвуковых скоростях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Петров александр сергеевич

оБОБЩЕНИЕ ТеориЙ аэродинамических сил

В ВЯЗКОМ ТЕПЛОПРОВОДНОМ ГАЗЕ

при дозвуковых скоростях

01.02.05. – механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора

физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральном Аэрогидродинамическом институте им. проф. Н.Е. Жуковского» (ФГУП ЦАГИ).

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, академик РАН Рыжов Юрий Алексеевич (Московский авиационный институт (технический университет) им. С. Орджоникидзе, МАИ)

Доктор технических наук, старший научный сотрудник

Головкин Михаил Алексеевич (Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, ЦАГИ)

Доктор физико-математических наук, профессор

Хлопков Юрий Иванович (Московский физико-технический институт (государственный университет), МФТИ)

Ведущая организация - Военно-воздушная инженерная академия им. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (г. Москва)

Защита диссертации состоится «_23_» _июня_____2009г. в 14_ часов на заседании диссертационного совета Д 403.004.01 при ФГУП Центральном Аэрогидродинамическом институте им. проф. Н.Е. Жуковского (ФГУП ЦАГИ) по адресу: 140180, г.Жуковский, ул. Жуковского, д.1, Мос. обл.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ЦАГИ.

Автореферат разослан «____»_______2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор Чижов В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Увеличение крейсерского аэродинамического качества компоновок дозвуковых пассажирских самолетов является одной из актуальных задач современной аэродинамики. Учитывая перспективу на 10-15 лет вперед, создаваемые сейчас российские магистральные пассажирские самолеты должны иметь топливную эффективность на уровне 14—15 г/км·чел. Достижение этой высокой цели является сложной наукоемкой задачей, успешное решение которой возможно только в результате глубоких теоретических, расчетных и экспериментальных исследований.

Совершенствование аэродинамики пассажирских самолетов идет сейчас по двум основным направлениям. Первое и традиционное направление заключается в том, чтобы для заданной компоновки и без активных методов управления обтеканием, чисто геометрическими методами, в рамках заданных ограничений, выбрать те проценты аэродинамического качества, которые остались до теоретического предела при турбулентном характере обтекания. Это направление себя еще не исчерпало, но оставшиеся проценты качества даются все с большими усилиями.

Второе направление улучшения аэродинамики дозвуковых пассажирских самолетов связано с использованием активных, энергетических средств управления обтеканием. Подобные методы принципиально позволяют преодолеть теоретический барьер, стоящий на пути увеличения аэродинамического качества без их применения.



Актуальность темы диссертации связана с тем, что как первое, так и второе направления в настоящее время требуют глубокого теоретического исследования физической природы аэродинамических сил, определения и изучения всех факторов влияния на подъемную силу и сопротивление летательного аппарата.

Целью диссертации является обобщение существующих теорий аэродинамического сопротивления и подъемной силы в рамках единого подхода, заполнение существующих пробелов в теории аэродинамических сил с учетом теплообмена тела со средой. Теоретическое обоснование, аналитические и расчетные исследования активных энергетических методов увеличения аэродинамического совершенства дозвуковых пассажирских самолетов. Исследование их энергетической эффективности, обоснование и выбор методов, пригодных для практического использования и реального увеличения аэродинамического совершенства компоновок перспективных дозвуковых летательных аппаратов.

Научная новизна работы. Автором построена единая теория аэродинамических сил с учетом теплообмена тела со средой или теплоподвода в плоском и пространственном случаях, теории конкретных видов сопротивления и подъемной силы с учетом теплообмена, теории конкретных энергетических методов управления обтеканием. Автором предложен, теоретически обоснован и исследован новый энергетический метод увеличения аэродинамического совершенства компоновки, имеющий в своей основе охлаждение верхней обтекаемой поверхности крыла.

Метод исследований. В диссертации применяются аналитические и численные методы исследований. С помощью аналитических методов исследования строятся общая теория аэродинамических сил с учетом возможного теплообмена тела со средой и следующие из нее частные теории различных энергетических методов влияния на суммарные аэродинамические силы. Численные исследования, приведенные в работе, используются для подтверждения теоретических предпосылок и базируются на известных и широко опробованных сеточных методах решения уравнений Навье-Стокса (осредненных по Рейнольдсу) и промышленных программах.

Достоверность полученных результатов. Результаты, представленные в диссертации, базируются на использовании известных общепризнанных моделей механики жидкости и газа и классических методах исследования. Аналитические результаты сравниваются с численными решениями и известными экспериментальными данными. Численные решения получены с помощью многократно протестированных промышленных программ расчета.

Апробация работы. Материалы диссертации (материалы отдельных глав и приложений) докладывались автором на семинаре ИПМ (Москва, 1980, руководитель Шевелев Ю.Д), семинаре ЦИАМ (Москва,1982, руководитель Крайко А.Н.), семинаре ЦАГИ по аэродинамике (1987г., руководители член-корр. РАН В.В. Сычев, член-корр. РАН В.Я. Нейланд), на V-ой Всесоюзной школе-семинаре ЧММСС, г. Красноярск, 1990г.), XIV– XVIII школах семинарах ЦАГИ «Аэродинамика летательных аппаратов» (2003-2008гг.), Международном авиационно-космическом семинаре им. С.М. Белоцерковского (Москва, 1980 – руководитель Белоцерковский С.М., 2003гг., руководитель профессор М.И. Ништ), семинаре НИИ Механики МГУ (Москва, 2006г., руководитель академик РАН Г.Г. Черный), семинаре кафедры аэрогидромеханики ФАЛТ МФТИ (2003, 2008г., руководитель Дудин Г.Н.), семинаре НИО-2 ЦАГИ (2004г., руководитель Ляпунов С.В.), семинаре НИО-8 ЦАГИ (2005, 2007гг., руководитель член-корр. РАН Егоров И. В.), Международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики», (руководитель В.Я. Нейланд, г. Евпатория, 2006-2008гг.), на НТС ЦАГИ по аэродинамике и механике полета, 2008г., руководитель д.т.н. профессор Павловец Г.А.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 23 печатных работах [1-23]. Общий объем печатных работ около 33-х учетных издательских листов. Все основополагающие работы выполнены без соавторов.

На защиту выносятся:

  • Обобщенная теория суммарных аэродинамических сил, действующих на тело в потоке вязкого, теплопроводного газа с учетом теплообмена тела со средой или теплоподвода в плоском и пространственном случаях. Вытекающие из нее результаты, частные случаи, доказательства, решения вспомогательных задач, выводы и обобщения.
  • Теория индуктивного сопротивления крыла конечного размаха в вязкой жидкости. Результаты исследований физической природы возникновения индуктивного сопротивления в вязкой и идеальной жидкостях. Вывод формулы Прандтля предельным переходом со стороны вязкой жидкости.
  • Теория профильного сопротивления с учетом теплообмена тела со средой. Общие выражения для теплообменных сил. Решение задачи о сопротивлении пластинки с учетом теплообмена. Метод решения уравнений Навье – Стокса и расчета профильного сопротивления в несжимаемой жидкости.
  • Результаты исследований метода уменьшения профильного сопротивления с помощью нагрева обтекаемой поверхности, определение его энергетической эффективности и перспектив применения.
  • Теория волнового сопротивления с подводом тепловой энергии в местную сверхзвуковую зону профиля в приближении трубки тока и для профиля с постоянной кривизной верхней поверхности.
  • Результаты исследований энергетического метода уменьшения волнового сопротивления, основанного на распределенном вдоль скачка уплотнения подводе тепловой энергии. Определение его эффективности и перспектив применения в практических целях.
  • Теория подъемной силы крыла при наличии несимметричного поверхностного теплообмена. Определение дополнительных составляющих подъемной силы, обусловленных теплообменом, и имеющих не циркуляционную природу. Определение вариантов организации теплообмена, оказывающих наибольшее положительное влияние на несущие свойства и поляру крыла.
  • Результаты аналитических и численных исследований метода увеличения несущих свойств и аэродинамического качества летательного аппарата с помощью несимметричного теплообмена, имеющего в своей основе охлаждение верхней поверхности. Определение его энергетической эффективности.
  • Сравнительный анализ энергетической эффективности рассмотренных в работе методов влияния на аэродинамические силы и перспектив их применения в практической аэродинамике.

Все основные результаты работы, представленные к защите, получены автором самостоятельно. Расчетные исследования по промышленным программам решения уравнений Навье-Стокса проведены д.т.н. Г.Г. Судаковым. Постановка задач и анализ результатов расчета проведены автором.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав с приложениями, являющимися неотъемлемой частью диссертации, основных выводов и результатов работы, списка литературы. Общий объем работы 365 стр. Список литературы содержит 156 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан исторический обзор развития представлений о природе аэродинамических сил и методов их вычисления в идеальной и реальной средах. Отмечается, что к настоящему времени единая теория аэродинамических сил в вязкой, теплопроводной жидкости, по крайней мере, при дозвуковых скоростях потока, не разработана. Существуют отдельно и независимо теории индуктивного сопротивления в идеальной жидкости [Л. Прандтль, 1918], теории профильного [Squire H.B., Young A.D. 1938] и волнового [Серебрийский Я.М., Христианович С.А., 1944 и др.] сопротивлений с традиционно различаемыми физическими причинами их возникновения.

Особняком от них стоит теория подъемной силы Жуковского [Жуковский Н.Е., 1906]. Нет общего векторного выражения для главного вектора аэродинамических сил, действующих на тело в потоке вязкой, теплопроводной жидкости, включающего в себя подъемную и боковую силы, все виды сопротивления и содержащего все факторы влияния на них.

Один из факторов, влияющих на аэродинамическое сопротивление, вообще был обойден вниманием. В классических трудах по аэродинамике даже не упоминается о существовании сил, связанных с теплообменом тела с потоком. Не исследовано также влияние теплообменных процессов на подъемную силу.

Кроме чисто академического интереса к проблеме построения теории аэродинамических сил в реальной среде с возможностью теплообмена, есть ряд практических задач, ожидающих своего разрешения. Одно из новых и современных направлений совершенствования аэродинамики дозвуковых пассажирских самолетов связано с использованием активных, энергетических средств управления аэродинамическими силами, которые принципиально позволяют преодолеть теоретический барьер, стоящий на пути увеличения аэродинамического качества без их применения.

Теория аэродинамических сил с учетом теплообмена тела со средой или теплоподвода, излагаемая в настоящей работе, фактически является идеологической основой для осмысленного применения энергетических методов управления сопротивлением и подъемной силой, предсказывает и открывает новые, не исследованные ранее возможности в этой области.

Основополагающая глава I диссертации «Вывод общих выражений для аэродинамических сил, действующих на тело в потоке вязкого, теплопроводного газа» написана по материалам авторских работ [5-7, 10, 16]. В основе выводов лежит закон сохранения импульса в форме Эйлера для плоского случая, согласно которому главный вектор аэродинамических сил, действующих на плоское тело, выражается следующим образом





. (1)

Здесь – внутренняя к контуру интегрирования нормаль, контур интегрирования (не обязательно окружность) (рис. 1). В работе приводятся необходимые доказательства и соображения по поводу выбора положения контура интегрирования.

Для дальнейшего преобразования (1) в работе используется метод Жуковского. Под «методом Жуковского» в дальнейшем подразумевается математический способ преобразования выражения (1), приводящий в идеальной жидкости к теореме Жуковского о подъемной силе профиля.

Применительно к вязкой, теплопроводной жидкости метод Жуковского развивается в главе I. Предварительно, кроме вспомогательных, но необходимых доказательств (§1.1), получены «неизоэнтропические формулы», как обобщение изоэнтропических на случай вязкого, завихренного течения с возможностью теплопередачи, и дающие связь между давлением p, плотностью , модулем скорости V и температурой T в произвольной точке пространства (§1.2).

В качестве дополнительных переменных в полученных выражениях вводятся термодинамические потенциалы – энтропия S и полная энтальпия потока H, тесно связанные с фундаментальными законами сохранения импульса и энергии.

Введение этих переменных делает возможным рассмотрение задач обтекания тел с учетом вязкости, теплообмена и теплопередачи, так как изменение именно этих функций тесно связано с образованием завихренности, вязким трением и процессами теплообмена.

Далее, с использованием полученных неизоэнтропических формул и метода Жуковского, из теоремы о сохранении импульса (1) выводится выражение для главного вектора аэродинамических сил, содержащее подъёмную силу и сопротивление плоского тела в потоке вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа (§1.3).

. (2)

Здесь и относительные изменения энтропии и полной энтальпии на контуре интегрирования. обильность источников – стоков на контуре тела.

В работе исследованы предельные случаи полученного векторного выражения для аэродинамических сил в идеальной (невязкой и нетеплопроводной) жидкости. Показано, что при этом выражение для подъёмной силы переходит в теорему Жуковского, а сопротивление (или тяга) может возникнуть в этом случае только при наличии источников – стоков среды на контуре обтекаемого тела.

Для прямоугольного контура интегрирования без источников-стоков, без теплообмена, при малых значениях энтропии, свойственных дозвуковым режимам обтекания, с точностью до членов второго порядка малости из (2) получено универсальное выражение для сопротивления плоского тела

.

Интегрирование ведется по сечению следа в плоскости Треффтца.

При этих же условиях для подъемной силы имеем

.

В §1.3 главы I проведен общий качественный анализ полученного выражения (2) для главного вектора аэродинамических сил в плоском случае, который показал следующее:

  • В общем выражении (2) для аэродинамического сопротивления без теплообмена содержатся как частные случаи, профильное и волновое сопротивления, имеющие одинаковую физическую природу, связанную с ростом энтропии течения и необратимом переходе в тепло части полной механической энергии потока.
  • В вязкой, теплопроводной среде возникает дополнительные силы, связанные с изменением полной энтальпии потока. Это, в частности, указывает на то, что теплообмен тела со средой (или теплоподвод) влияет как на силу сопротивления, так и на подъемную силу.
  • Из общего выражения (2) следует, что возрастание энтропии течения при обтекании и возникновение аэродинамического сопротивления всегда уменьшают величину подъёмной силы по сравнению с идеальной жидкостью при прочих равных условиях.

В Приложении 1.1. к главе рассмотрены достаточные условия сходимости интегралов импульса и энергии по удаленному контуру интегрирования. Приложение 1.2 посвящено постановке и решению задач для уравнений Крокко в идеальной («эффективно невязкой») и вязкой, теплопроводной жидкостях. Получены частные решения уравнений Крокко для энтропии течения в различных завихренных областях – в спутном следе, пограничном слое, в свободной вихревой зоне за крылом, системе точечных (цилиндрических) вихрей.

Глава II диссертации «Аэродинамические силы при наличии вязкости и теплообмена в пространственном случае. Индуктивное сопротивление и его физическая природа» написана по результатам авторских работ [6,7,10,18,20,21].

Необходимость рассмотрения пространственного случая связана с тем, что при обтекании крыла конечного размаха возникает как минимум еще один вид сопротивления – индуктивное, которое может иметь отличную от других природу. В связи с этим процедура вывода выражения для главного вектора аэродинамических сил проведена автором в общем, пространственном случае обтекания тела. В §2.1 с помощью метода Жуковского, обобщенного автором на пространственный случай, получено общее выражение для главного вектора аэродинамических сил, действующих на трехмерное тело в потоке вязкой, сжимаемой, теплопроводной жидкости при наличии, в общем случае, теплообмена тела со средой или теплоподвода.

(3)

Поверхность и сечения интегрирования показаны на рис. 2.

В §2.2, 2.3 исследована физическая природа возникновения индуктивного сопротивления в вязкой и идеальной жидкостях. При малых возрастаниях энтропии из (3) для индуктивного сопротивления следует

. (4)

Интегрирование здесь ведется по плоскости Треффтца.

При дозвуковых скоростях и двумерной в первом приближении свободной вихревой зоне за крылом для индуктивного сопротивления из общей формулы (4) с использованием решения уравнений Крокко для энтропии получено выражение

. (5)

В дискретном варианте при произвольной конфигурации завихренной зоны, представленной системой конечного числа свободных цилиндрических вихревых нитей конечного радиуса, с учетом раскрытия особенности при , выражение (5) принимает вид:



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.