Розрахунок аеродинамічних характеристик надзвукових оперених осесиметричних тіл обертання

Abstract

Предметом дослідження в статті є аеродинамічні сили, що виникають при польоті надзвукових оперених тіл обертання типу некерованих реактивних снарядів. Метою роботи є розробка методики розрахунку коефіцієнтів рівнодіючих аеродинамічних сил і моментів надзвукових оперених тіл обертання типу некерованих реактивних снарядів при обтіканні під кутом атаки з до-, транс- і надзвуковими швидкостями за кресленнями їх зовнішніх контурів. Завдання: використовуючи сучасні програмні комплекси та дані льотних експериментів, розробити методику розрахунку розподілу нормальніх і дотичних напружень по поверхні надзвукового опереного тіла обертання, їх рівнодіючих та аеродинамічних коефіцієнтів при до-, транс- і надзвукових швидкостях обтікання тіла під кутом атаки. Використаними методами є: числове рішення рівнянь Нав’є–Стокса, використання двохпараметричних диференційних моделей пристінної турбулентної в’язкості, перевірка методики порівнянням результатів розрахунків з даними льотних експериментів і відомими даними по аеродинамічному опору об’єкта дослідження. Отримані такі результати. На основі числового рішення рівнянь Нав’є–Стокса в рамках програмного комплексу ANSYS CFX з застосуванням γ-ReΘt SST-моделі пристінної турбулентності Ментера розроблена методика розрахунку аеродинамічних характеристик надзвукових оперених осесиметричних тіл обертання типу некерованих реактивних снарядів за кресленнями їх зовнішніх контурів при наявності кута атаки зустрічного потоку. За допомогою розробленої методики можливо обчислити аеродинамічні коефіцієнти опору тертя, опору тиску і донного опору при до-, транс- та надзвукових швидкостях. Характеристики включають коефіцієнти поздовжньої аеродинамічної сили, поперечної аеродинамічної сили, аеродинамічного стабілізуючого моменту і координату центру тиску опереного тіла обертання. Для розрахунків були використані зовнішні контури некерованого реактивного снаряда М-21ОФ. Розрахунки були проведені для чисел Маха зустрічного потоку в межах . Аеродинмічні коефіцієнти розраховувались як функції числа Маха М∞. З метою визначення числа Рейнольдса початку ламінарно-турбулентного переходу в приграничному шарі для даного типу літальних апаратів проведені розрахунки характеристик опору тертя і порівняння їх результатів з льотними даними для двох зразків дослідницьких аерофізичних комплексів. Висновки. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: створена та пройшла апробування з залученням результатів льотних даних по числах Рейнольдса початку ламінарно-турбулентного переходу в приграничних шарах методика розрахунку аеродинамічних коефіцієнтів опору надзвукових оперених осесиметричних тіл обертання типу некерованих реактивних снарядів за кресленнями їх зовнішніх контурів при обтіканні під кутом атаки на основі числового рішення осереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав’є-Стокса в рамках програмного продукту ANSYS CFX з застосуванням γ-ReΘt SST-моделі турбулентності Ментера. Проведена верифікація результатів розрахунків на підставі їх порівняння з відомими значеннями аеродинамічних характеристик об’єкта дослідження при осесиметричному обтіканні. Предметом исследования в статье являются аэродинамические силы, возникающие при полете сверхзвуковых оперенных тел вращения типа неуправляемых реактивных снарядов. Целью работы является разработка методики расчета аэродинамических коэффициентов равнодействующих сил и моментов сверхзвуковых оперенных тел вращения типа неуправляемых реактивных снарядов при обтекании под углом атаки с до-, транс- и сверхзвуковыми скоростями по чертежам их внешних контуров. Задача: используя современные программные комплексы и данные летных экспериментов, разработать методику расчета распределения нормальных и касательных напряжений по поверхности сверхзвукового оперенного тела вращения, их равнодействующих и аэродинамических коэффициентов при до-, транс- и сверхзвуковых скоростях обтекания под углом атаки. Использованными методами являются: числовое решение уравнений Навье-Стокса, использование двухпараметрических дифференциальных моделей пристенной турбулентной вязкости, проверка методики сравнением результатов расчетов с данными летных экспериментов и известными данными по аэродинамическому сопротивлению об’єкта исследований. Получены следующие результаты. На основе численного решения уравнений Навье-Стокса в рамках программного комплекса ANSYS CFX с применением γ-ReΘt SST-модели пристенной турбулентности Ментера разработана методика расчета аэродинамических характеристик сверхзвуковых оперенных осесимметричных тел вращения типа неуправляемых реактивных снарядов по чертежам их внешних контуров при наличии угла атаки встречного потока. С помощью разработанной методики возможно вычислить аэродинамические коэффициенты сопротивления трения, сопротивления давления и донного сопротивления при до-, транс- и сверхзвуковых скоростях. Характеристики включают коэффициенты продольной аэродинамической силы, поперечной аэродинамической силы, аэродинамического стабилизирующего момента и координату центра давления оперенного тела вращения. Для расчетов были использованы внешние контуры неуправляемого реактивного снаряда М-21ОФ. Расчеты были проведены для чисел Маха встречного потока в пределах . Аеродинмические коэффициенты рассчитывались как функции числа Маха М∞. С целью определения числа Рейнольдса начала ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое для данного типа летательных аппаратов проведены расчеты характеристик сопротивления трения и их сравнение с летными данными для двух образцов исследовательских аэрофизических комплексов. Выводы. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: создана и прошла апробирование с привлечением результатов летных экспериментов по числам Рейнольдса начала ламинарно-турбулентного перехода в пограничных слоях методика расчета аэродинамических коэффициентов сопротивления сверхзвуковых оперенных осесимметричных тел вращения типа неуправляемых реактивных снарядов по чертежам их внешних контуров при обтекании под углом атаки на основе численного решения усредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса в рамках программного продукта ANSYS CFX с применением γ-ReΘt SST–модели турбулентности Ментера. Проведена верификация результатов расчетов на основании их сравнения с известными значениями аэродинамических характеристик объекта исследования при осесимметричном обтекании.