Диссертация (1025494), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В настоящем расчете дляопределения возможности нарастания опасных колебаний рассматривалосьвоздействие на систему кратковременного порыва ветра с наименьшейдлительностью П = 10,0 сек. Были введены допущения о постоянстве в течениипорыва модуля характерной скорости ветра 0 = , направления ветра,задаваемого единичным вектором 0 , параллельным плоскости OYZ, а такжедопущение о ступенчатом законе изменения скорости ветра во времени, какпоказано на Рис. 5.5. При этом для обеспечения устойчивости счета вразработаннойпрограммев началепорываскоростьувеличиваласьдомаксимальной за 10 шагов интегрирования (не более 2% от длительности порыва),как показано на Рис.
5.5 пунктирной линией. Поскольку рассматривалось влияниена аэроупругие колебания только процессов вихреобразования поведениеконструкции после прекращения порыва не исследовалось. Соответственно125численное интегрирование переходного режима производилось до достижениеконечного времени = П .V0t0TПРис. 5.5. Закон изменения скорости ветра в порывеВ расчетах было учтено изменение модуля скорости ветра ∞ по высоте (осьХ неподвижной системы координат). Принято допущение, что распределениенеизменно во времени и скорость ограничена по модулю: до высоты 50 м профильскорости соответствует нормативному степенному закону [82], а выше 50 мскорость ветра постоянна 0,15 ∙( ), 0 ≤ < 50,∞ = { 0 0,1.27 ∙ 0 ,x ≥ 50где 0 = 10 м - характерная высота, 0 – характерная скорость порыва.Указанное допущение необходимо для корректного определения давления впотоке несжимаемой среды.
Аналог интеграла Коши-Лагранжа выведен впредположении, что в безграничной области вблизи экрана можно рассматриватьнабегающий слой завихренности конечной толщины, достаточной, чтобы неучитывать искривление границы слоя из-за обтекания тела. Тогда произведениемодулей скорости и завихренности будет неравным нулю только в поясе вблизиэкрана, то есть до границы в 50 м.
При рассмотрении течения в безграничнойобласти относительная площадь этого пояса стремится к нулю по сравнению со126всем объемом течения и можно использовать формулу определения давления (2.22)[165]. Корректность данного допущения была проверена серией методическихрасчетов, в которых для моделирования профиля ветра по высоте использовалосьоблако из вихревых рамок, расположенных в несколько рядов на плоскостях,перпендикулярных направлению ветра (эти плоскости, соответственно, былиперпендикулярны экрану). Интенсивности рамок были выбраны так, чтобы былреализован выбранный профиль скорости. Тогда скорость набегающего потоказадавалась выражением⃗ ),⃗∞ = 0 0 + ∑ (, , ℎ=1Расчеты с различной дискретизацией сетки и с непосредственнымиспользованиемпеременнойповысотескоростипоказалипрактическиодинаковые результаты, отличающиеся вследствие неизбежных пульсацийскорости, вызванных дискретизацией.Для проведения расчетов методом вихревых элементов на обтекаемойповерхности модели была построена сетка из четырехугольных панелей свихревыми рамками, совпадающая с сеткой конечных элементов.
Дискретизациямодели показана на Рис. 5.6. В расчете использовано допущение о том, что потокнесжимаемой среды движется в полупространстве, ограниченном непроницаемымэкраном. Параметры расчетной схемы метода вихревых элементов приведены вТаблице 16. Они оставались неизменными в каждом расчетном случае.127Рис. 5.6. Модель обтекания стартового сооружения РКН «Рокот»128Таблица 16.Параметры расчетной схемы для метода вихревых элементовНаименование, размерностьОбозначениеЗначение∞1,2∞105∆0,02Радиус сглаживания поля скорости ВЭ, с0,04Величина дистанции объединения ВЭ, м0,7Пороговое удлинение вортона, б/р∆1,50,9Смещение точки рождения ВЭ от панели, м0,02Дальность расчета вихревого следа, м50Γmin10−6Плотность среды, кг/м3Статическое давление в невозмущенном потокесреды, ПаШаг интегрирования по времени уравненийаэродинамической подсистемы, сДопустимый косинус угла между векторамивортонов для объединения ВЭ, б/рМинимальная рассматриваемая интенсивностьВЭ, 1/с1295.4.
Условия расчетаДля определения опасных аэроупругих колебаний были произведенырасчеты в которых варьировались скорость и направление ветра. Диапазонизменения скорости ветра8 ≤ 0 ≤ 20определялся с одной стороны наименьшей критической скоростьювозникновения вихревого резонанса, а с другой стороны – максимальнойскоростью, указанной в руководстве прользователя РКН «Рокот». Скорость врасчетах варьировалась с шагом 1 м/с.Было рассмотрено пять направлений ветра⃗ 0 = 0 0 = ⃗ , i=1,..,5которые показаны на Рис. 5.7.YZРис.
5.7. Расчетные направления ветраРасчеты производились на персональном компьютере с 4-х ядернымпроцессором Intel I7 с тактовой частотой 3,2 ГГц. В зависимости от числа вихревыхэлементов в вихревом следе один расчет с использованием распараллеливаниявычислений по технологии MPI занимал от 10 до 12 часов. Ниже представленынаиболее существенные результаты расчетов.1305.5. Результаты расчета5.5.1. Вихревые структуры в спутном следеВ процессе расчета переходного режима обтекания модели системы РКН (вТПК) – СК за ней формировался спутный след в котором находилось, взависимости от направления ветра от 40 тыс.
до 60 тыс. вихревых элементов. Дляограничения размерности задачи ВЭ, находящиеся на удалении больше Lf = 50,0м, исключались из расчета. Пример пространственного вихревого следа,⃗0 = ⃗ 1 и 0 = 20 показан на Рис. 5.8. Точками наполученного в конце расчета при рисунке обозначены маркеры вихревых элементов.Дляупрощенияанализапространственнойструктурыследабылирассмотрены его сечения, выбранные как показано на Рис. 5.9.
Интервалы междуплоскостями сечений приведены в Таблице 17.На Рис. 5.10 – 5.13 приведены различные вихревые пелены в определенныхсечениях, которые возникают при ветровом воздействии упругой конструкции дляразных направлений ветра при скорости 0 = 20. Все вихревые следы построеныдля момента времени окончания расчета. Точками на рисунке показаны маркерыВЭ, попавших в рассматриваемое сечение. На рисунках видно изменениепериодичности схода крупных вихрей с высотой, обусловленное сложнойгеометрией СК. В частности, по высоте конструкции меняется расположениекрупных вихрей, что оказывает влияние на распределение давления по обтекаемойповерхности.В целом можно сделать вывод, что процессы вихреобразования существеннопроявляются даже при кратковременном порыве ветра.
За рассматриваемыйпериод порыва ветра в спутном следе за системой РКН-СК в результатеинтенсивного вихреобразования успевает сформироваться развитый спутный следв который успевают сойти от 7 до 12 крупных вихрей, что обуславливает пульсациинагрузок, действующих на конструкцию.131Рис.
5.8. Вихревой след за моделью при ⃗V0 = ⃗V1 и V0 = 20 м/с132Рис. 5.9. Сечения для визуализации вихревого следаТаблица 17.Сечения для визуализации вихревого следаОбозначение сеченияИнтервал между плоскостями сечения, мA3–7B11 – 14C19 – 22D26 – 29133DCBA⃗0 =V⃗1Рис. 5.10. Вихревые следы в выбранных сечениях при V134DCBAРис. 5.11. Вихревые следы в выбранных сечениях при ⃗V0 = ⃗V2135ABCDРис.
5.12. Вихревые следы в выбранных сечениях при ⃗V0 = ⃗V3136ABCDРис. 5.13. Вихревые следы в выбранных сечениях при ⃗V0 = ⃗V41375.5.2. Характеристики ветровой нагрузкиНа каждом шаге расчета переходных режимов в контрольных точках напанелях РКН и СК восстанавливались поля давления. На Рис. 5.14 показаны, вкачестве примера, две мгновенные эпюры поля избыточного давления для случая⃗0 = ⃗ 1 в моменты времени T = 0,6 c и T = 10,0 с, соответственно. На0 = 20 и рисунках сферами представлены контрольные точки панелей, в которыхпроизводится расчет давления.
Видно, что давление распределено существеннонеравномерно по обтекаемой поверхности, области разряжения чередуются собластями повышенного давления. Полученные результаты можно использоватьдля расчета подкрепляющих элементов конструкции.абРис. 5.14. Эпюра поля давления за вычетом атмосферного давления:а) в момент времени T = 0,6 с, б) в момент времени T = 10,0 с138Для СК и РКН путем осреднения за период порыва были получены значениястационарных аэродинамических коэффициентов нормальной ( ) и боковой ( )силы.
Эти коэффициенты, отнесенные к площади поперечного сечения ТПК(площади круга диаметром 2,88 м), для рассмотренных направлений ветра искорости 0 = 20 приведены в Таблице 18 и Таблице 19, соответственно. Втаблицах, для наглядности, указан угол атаки , отсчитываемый от направления (OY) против часовой стрелки. Коэффициенты рассчитаны для случая абсолютножесткой и упругой моделей.Таблица 18.Стационарные аэродинамические коэффициенты для РКН , б/р , б/р⃗ЖесткийУпругийЖесткийУпругий⃗1018.318.50.10.1⃗2/44.95.123.924.0⃗3/2-6.4-6.717.517.8⃗43/4--6.2-8.1⃗5-2.1-0.4Таблица 19.Стационарные аэродинамические коэффициенты для СК , б/р , б/р⃗ЖесткийУпругийЖесткийУпругий⃗10-3.7-3.90.30.4⃗2/42.22.49.69.9⃗3/2-0,9-0.913.213.4⃗43/4--20.0-14.8⃗5--27.5-0.2139Полученные значения аэродинамических коэффициентов согласуются попорядкувеличиныихарактеруизмененияссоответствующимиэкспериментальными аэродинамическими коэффициентами, приведенными вразделе1.5монографииК.П.Петрова длямодели ракеты-носителясустановщиком [69].
Расчеты показали, что стационарные аэродинамическиекоэффициенты для упругой модели практически не отличаются от коэффициентовдля абсолютно жесткой модели. В силу этого коэффициенты для абсолютножестких моделей представлены в таблице только для некоторых направленийветра. Таким образом податливость конструкции, как и следовало ожидать,практически не влияет квазистатическую ветровую нагрузку.Податливость конструкции оказывает существенное влияние на спектрпульсаций ветровой нагрузки.
Вызываемые сходом вихрей с тел сложной формы вусловиях интерференции между РКН и СК пульсации нормальной и боковой сил(направления этих сил показаны на Рис. 5.15), не являются моногармоническими,то есть не характеризуются каким-то одним числом Sh, как это описано внормативных документах.
При обтекании податливой конструкции спектрыизменяются.На Рис. 5.16-5.20 показаны характерные примеры спектров пульсаций сил,действующих на СК и РКН. На рисунках введены следующие обозначения: синяялиния – спектр вынуждающей силы, когда конструкция считается жесткой; краснаялиния – спектр вынуждающей силы, когда конструкция считается упругой;прерывистая линия – характерные числа Струхаля; сплошная черная линия – числаСтрухаля, вычисленные по собственным частотам конструкции.На приведенных графиках стрелками указано смещение максимумов спектравынуждающей нагрузки, дополнительные гармоники. Видно, что в некоторыхслучаях происходит совпадение собственной частоты колебаний с частотой сходавихрей, что ведет к развитию вихревого резонанса.140а)б)Рис.
5.15. Составляющие главных векторов сил: а) нормальная сила; б)боковая сила; индексы обозначают 1 – СК; 2 – РКН в ТПКаб⃗ 0 = ⃗V1 ):Рис. 5.16. Спектры нормальной силы при продольном обтекании (Vа – спектр силы FY1 , б – спектр силы FY2аб⃗ 0 = ⃗V1 ):Рис. 5.17. Спектры боковой силы при продольном обтекании (Vа – спектр силы FZ1 , б –спектр силы FZ2141аб⃗ 0 = ⃗V2 ):Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
