Автореферат (Улучшение аэродинамики крыла легкого гидросамолета)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиСАКОРНСИН РаттаполУЛУЧШЕНИЕ АЭРОДИНАМИКИ КРЫЛА ЛЕГКОГОГИДРОСАМОЛЕТАСпециальность 05.07.01- “Аэродинамика и процессы теплообменалетательных аппаратов”АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква-2013Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (Национальный исследовательскийуниверситет)» на кафедре аэродинамики летательных аппаратов.Научный руководитель:Кандидат физико-математических наук,доцент МАИ Попов Сергей АлександровичОфициальные оппоненты:Доктор технических наук, профессорВышинский Виктор ВикторовичДекан ФАЛТ МФТИДоктор технических наук, профессорМахров Владислав ПетровичКафедра 608 «Проектированиеаэрогидрокосмических систем» МАИВедущая организация:ОАО «Таганрогский авиационный научнотехнический комплекс им.

Г.М. Бериева»Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 1000 часов на заседаниидиссертационного совета ДС 212.005.02 в Московском авиационноминституте по адресу: 125993, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе,дом 4, МАИ, в аудитории 302ГАК.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМосковского авиационного института (Национального исследовательскогоуниверситета).Автореферат разослан « 20 » ноября 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук, доцентСеменчиков Н.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Гидросамолёты широко используются дляперевозки пассажиров и грузов в районах, изобилующих акваториями, дляразведки рыбы, спасательных работ на море, тушения лесных пожаров и вдругих целях. Их преимущество перед обычными самолетами состоит в том,что для посадки им не требуется наличие аэродрома.

Гидросамолет можетсовершить посадку как на любую водную поверхность, так и на полеаэродрома. Это качество гидросамолетов особенно важно для странИндокитая и Малайзии.Крыло гидросамолета имеет особенности и отличия от крыла обычногосамолета. В большинстве случаев на его концах или поблизости от нихустанавливаются поплавки для того, чтобы обеспечить устойчивость привзлете и посадке. Однако, когда гидросамолет находится в воздухе, наличиепоплавков отрицательно влияет на аэродинамические характеристики крыла.Эту проблему можно решить с помощью механизма и системы обеспечениявыпуска и уборки поплавков.

Однако, использование такого механизмавлечет за собой увеличение веса летательного аппарата (ЛА), при этомвыигрыш в аэродинамическом качестве получается незначительным.Группы американских из Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity и российских ученых из ЦАГИ им. профессора Н.Е. Жуковскогоизучали влияние различных типов законцовок на аэродинамическиехарактеристики (АДХ) крыла. Установка законцовок во многих случаяхпомогает добиться оптимальной формы распределения подъёмной силы.В гидросамолетах также применяют законцовки для повышения АДХ.В первом случае к крылу с поплавком добавляется законцовка.

Во второмслучае применяется обратная законцовка с поплавком на краю. Такаяконструкция применялась на советском самолете А-40 “Альбатрос” и легкомроссийском гидросамолете СК-12 “Орион”. Но все эти меры могут бытьнедостаточными для гидросамолета, так как поплавок существенноувеличивает аэродинамическое сопротивление крыла.Поэтому поиск путей улучшения АДХ крыла гидросамолета снеподвижным поплавком является на сегодняшний момент актуальнойзадачей.Объектом исследования в настоящей работе являются крылья легкогогидросамолета равного удлинения различной формы в плане и на виде3спереди с неподвижными поплавками и с учетом формы соединения крыла сфюзеляжем.Цель и задачи диссертационной работы.

Эвристический поиск путейулучшения аэродинамических характеристик крыла гидросамолета путемизменения его формы в плане и на виде спереди, а также за счет применениявихреобразующих элементов в его конструкции. Вычислительныйэексперимент, теоретическое обоснование.Для достижения этой цели решаются следущие задачи:1. Построение твердотельных моделей крыльев и расчетных сетокразличной топологии, методические исследования по сеточнойсходимости.2. Выбор наиболее подходящей модели турбулентности на основесравнительного анализа применимости различных моделей исопоставления расчетных данных, полученных с помощью современногопрограммного комплекса по CFD, с физическим экспериментом.Верификация результатов программного комплекса ANSYS Fluentданным физического эксперимента.3.

Определение и сравнительный анализ АДХ крыльев гидросамолета безпоплавков и с поплавками различной формы на виде спереди.4. Моделирование течения около крыла гидросамолета с треугольнымвыступом и определение его суммарных и распределенныхаэродинамических характеристик. Анализ распределения циркуляциискорости вдоль размаха крыла.5. О влиянии формы соединения крыла с фюзеляжем на аэродинамическиехарактеристики компоновки крыло-фюзеляж.6. Изготовлениепродувочноймоделикрылапорезультатамвычислительного эксперимента.Методыисследования.Результатыработыполученысиспользованием пакета прикладных программ ANSYS Fluent 14.5 (номерлицензии 670351), в котором использована математическая модель,включающая полную систему уравнений Навье-Стокса (осредненных поРейнольдсу) и уравнений для турбулентных характеристик.

С его помощьювыполнена серия численных расчетов по определению суммарныхаэродинамических коэффициентов и моделированию картины течения вокрестности крыла.Научная новизна работы состоит в следующем:41. Предложено использование нового элемента в конструкции крылагидросамолета – треугольного выступа, существенно улучающего егоаэродинамические характеристики.2.

Исследовано влияние угла наклона треугольного выступа нааэродинамику крыла с поплавком.3. Исследовано влияние различной формы крыла на виде спереди на егосуммарные аэродинамические характеристики.4. Исследовано влияние формы соединения крыла с корпусом летающейлодки на аэродинамику компоновки крыло-фюзеляж.Достоверность научных положений подтверждается использованиемзаконов сохранения массы, количества движения и энергии, теориичисленных методов, всесторонним тестированием применяемых численныхметодовиалгоритмов,сравнениемрезультатоврасчетовсэкспериментальными данными, использованием экспериментальных данныхкак базиса для методики моделирования турбулентных течений.Научные положения, выносимые на защиту:1. Результаты численного расчета аэродинамических характеристиккрыльев различной формы на виде спереди с поплавками и без них приразличных углах атаки и скольжения.2.

Результаты моделирования течения и определения аэродинамическиххарактеристик крыльев с треугольным выступом и поплавками приразличных углах наклона выступа.3. Результаты анализа причин улучшения аэродинамичского качества крылас треугольным выступом.4. Результаты численного исследования влияния формы соединения крыла скорпусом на аэродинамические характеристики комбинации крылофюзеляж.5. Результаты тестирования моделей турбулентности на предметадекватности расчета аэродинамических характеристик крыльев придозвуковых скоростях потока.Практическая значимость и ценность проведенных исследований.Получен большой объем новой научной информации об аэродинамическиххарактеристиках крыльев легких гидросамолетов различной формы в плане ина виде спереди с поплавками и без них.

Результаты исследований,вошедшие в диссертацию, используются в учебном процессе МАИ приподготовке инженеров по специальности "Гидроаэродинамика" и могут быть5рекомендованы для применения в аэродинамическом проектированиипреимущественно современных легких гидросамолетов.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6печатных работах, в том числе в 3 статьях, из которых 2 статьи в журналах изсписка ВАК.Апробация и внедрение результатов. Основные результаты работыдокладывались и обсуждались на:− московской молодежной научно-практической конференции «Инновациив авиации и космонавтике» (Москва, МАИ, 17 – 20 апреля 2012 г.);− 11-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика-2012»(Москва, МАИ, в ноябре 2012 г.);− московской молодежной научно-практической конференции «Инновациив авиации и космонавтике» (Москва, МАИ, 16 – 18 апреля 2013 г.);− семинаре кафедры 105 «Аэродинамики летательных аппаратов» (Москва,МАИ, в сентябре 2013 г.);− международной конференции NGRC29 (Таиланд, Бангкок, 24 – 25октября 2013 г.).Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,семи глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет186 страниц. Работа включает 149 рисунков, список литературы содержит 62наименования.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертационнойработы, её научная новизна и практическая значимость.

Сформулированыцель и задачи исследований. Представлены основные научные положения,выносимые на защиту. Даются структура и содержание диссертации. Данаобщая характеристика диссертационной работы.В первой главе выполнен обзор теоретических и экспериментальныхработ, в которых исследуется форма крыла птицы с целью применения этихисследований для крыла гидросамолета.Во второй главе приведено описание используемой в работе физикоматематической модели, включающей: уравнение неразрывности, уравнениепереноса количества движения, уравнение переноса энергии, а такжеуравнения переноса кинетической энергии турбулентности и диссипации длямодели Спаларта-Альмараса и Realizable k − ε модели.6В этом разделе описывается численный метод решения рассмотреннойсистемы уравнений, а именно - метод контрольного объема Также в этойглаве описывается теория сетки.Представленыследующиесхемы:схемавыборамоделитурбулентности, схема моделирования с использованием CFD и схемавыполнения процедуры решения, используемый в работе метод SIMPLE.В третьей главе изучена возможность применения современногопрограммного комплекса по вычислительной гидродинамике (CFD Computational Fluid Dynamics) ANSYS Fluent (номер лицензии 670351) длярешения задач проектирования крыльев гидросамолетов.Приведены результаты нескольких десятков серий численныхисследований различных компоновок крыла с поплавком на конце.Исследовано влияние нескольких вариантов отклонения концевой частикрыла и расположения концевых поплавков на значения суммарныхаэродинамических коэффициентов сил и моментов, действующих на крылолетающей лодки.В работе рассматривалась только схема лодки с ненесущиеподкрыльными поплавками, поплавок являлся продолжением крыла.