- Введение в аэрогазодинамику

Тема 1

ВВЕДЕНИЕ В АЭРОГАЗОДИНАМИКУ

1. Предмет, задачи и методы аэрогидромеханики. Задачи

    аэрогидродинамического расчёта.

2. Классификация видов и режимов движения жидкости.

3. Сравнение экспериментального, теоретического и

    вычислительного подходов.

4. Вычислительная аэродинамика и этапы её развития.

1.1. Предмет, задачи и методы аэрогидромеханики

Одним из основных разделов современной физики является учение об аэрогидромеханике. Аэрогидромеханика имеет дело с жидкими и газообразными средами. Жидкости ещё часто называют капельными или несжимаемыми жидкостями, а вторые - газами или сжимаемыми жидкостями.

Гидроаэромеханика исследует вопросы, связанные с покоем жидкости (гидростатика) и с её движением (гидродинамика).

Рекомендуемые материалы

Главное внимание уделяется решению двух основных связанных между собой задач: определения распределения скоростей и давлений внутри жидкости и определения силового взаимодействия между жидкостью и окружающими её твёрдыми телами.

Теория и эксперимент являются двумя основными подходами к

решению задач гидроаэродинамики.

Теоретическая гидроаэродинамика базируется в основном на невязкой (или так называемой идеальной) жидкости, внутри которой отсутствует внутреннее трение.

Экспериментальная гидромеханика поставила своей целью установить закономерности течения вязкой (реальной) жидкости.

Возникновение двух ветвей гидромеханики объяснялось отсутствием достаточных представлений о механизме течения жидкости и трудностями решения уравнений движения вязкой жидкости.

В связи с влиянием вязких эффектов поток вязкой жидкости делят на две области: пограничный слой, где преобладают силы трения и используются уравнения движения вязкой жидкости, и внешний поток, к которому можно применять закономерности динамики невязкой жидкости.

На основе решения задач гидродинамики удаётся получить теоретические зависимости, раскрывающие закономерности сопротивлений, возникающий при обтекании тел (крыла и фюзеляжа самолёта, лопасти турбины, кораблей различных форм и т.д.) жидкостью.

Задачи аэродинамического расчёта

          Процесс проектирования и конструирования ЛА начинается с проведения аэродинамического расчёта, в основу которого положены две взаимозависимые задачи:

           1) выбор аэродинамической компоновки ЛА,

           2) расчёт аэродинамических характеристик ЛА.

           При выборе аэродинамической компоновки ЛА решаются задачи отбора формы, размеров и взаимного расположения элементов ЛА.

           В задачу расчёта АДХ ЛА входит:

          1) расчёт распределения давления на поверхности ЛА,

          2) расчёт составляющих аэродинамических сил и моментов,

3) расчёт аэродинамических характеристик органов

управления,

          4) расчёт температуры и тепловых потоков на поверхности ЛА.

          Аэродинамический расчёт обеспечивает исходные данные для проведения других работ в процессе проектирования ЛА:

          1) расчёт тепловых режимов элементов конструкций,

          2) расчёт траектории полёта,

          3) расчёт динамических нагрузок,

          4) расчёт управляемости и устойчивости.

1.2. Классификация видов движения жидкости

          Проведём классификацию видов движения жидкости.

          1. Классификация по признаку зависимости движения жидкости от времени.

                   1.1. Установившееся (стационарное).

                   1.2. Неустановившееся (нестационарное).

2. Классификация по признаку учёта сил трения, вязкости и теплопроводности.

                   2.1. Идеальная невязкая жидкость.

                   2.2. Вязкая жидкость.

          3. Классификация по виду движения жидкости (поступательное или вращательного движение).

                   3.1. Безвихревое (потенциальное) (движение, когда вращение отсутствует).

                   3.2. Вихревое движение.

          4. Классификация по характеру изменения плотности в потоке.

                   4.1. Несжимаемая (жидкость), r=const.

                   4.2. Сжимаемая (газ), r¹const.

          5. Классификация по скорости и её отношению к скорости

расширяющихся возмущений (скорости звука).

5.1. Дозвуковое ( M<1) , где , V - скорость потока, а – скорость звука.

                 5.2. Трансзвуковое (М »1).

5.3. Сверхзвуковое (М>1).

5.4. Гиперзвуковое (М>>1).

          6. Классификация по режиму течения.

                   6.1. Ламинарный режим, (Re£Re_кр).

                   6.2. Турбулентный режим,(Re/Re_кр).

          7. Вид течения.

                   7.1. Свободное.

                   7.2. Вынужденное.

1.3. Сравнение экспериментального, теоретического и вычислительного методов

Вычислительная аэродинамика в своем развитии прошла три этапа ( см. таб. 1 ). Каждый последующий этап базируется на более полной модели течения. На рис. 2, 3 приведена относительное  быстродействие ЭВМ и относительная стоимость расчета. Структура основных методов расчета параметров течения приведены на рис. 4.

Таблица 1

Основные этапы математического моделирования

 Рис. 1

Структурные элементы математического моделирования вместе со связями показаны на рис. 1.

          Математическая постановка задачи базируется на физической модели рассматриваемых течений, которая строится на основе имеющихся данных об объекте исследования.

          Характеризующие математическую модель исходные уравнения и граничные условия с помощью конечно-разностных методов преобразуются в дискретную модель.

          В результате реализации дискретной модели на одном из этапов программирования создают программу для ЭВМ. Решение тестовых задач и анализ результатов позволяет убедиться в работоспособности разработанных алгоритмов и программ.

          Решение конкретных задач и анализ полученных результатов позволяет судить об эффективности и применимости разработанных алгоритмов.

          Если обнаружится несоответствие расчётных и экспериментальных данных - это значит, что физическая модель, математическая модель или дискретная модель не адекватны изучаемому объекту. В этом случае проводятся дополнительные исследования. Процесс исследования продолжается до момента устранения несоответствия.

1.4. Три этапа развития вычислительной аэрогидродинамики

Таблица 2

Рис. 2                                               Рис. 3

Методы расчёта параметров течения

Рис. 4