| |
характеристики путём использования моделей идеальной жидкости, пограничного
слоя и вязкой жидкости (газа).
Использование наиболее простой модели идеальной жидкости при безотрывном
обтекании даёт возможность получить правильные качественные, а по некоторым
параметрам и количественные результаты. Для расчёта обтекания профиля идеальной
несжимаемой жидкостью используются обычно метод особенностей (см. Источников и
стоков метод) и метод конформных отображений. В последнем методе применение
простых отображающих функций позволило получить точные решения для ряда
теоретических профилей (см. Жуковского профиль, профили Чаплыгина и др.); для
профилей произвольной формы разработаны приближенные методы. Подъёмная сила
профиля пропорциональна циркуляции скорости (см. Жуковского теорема), значение
которой определяется из Чаплыгина — Жуковского условия. В П. т. большую роль
играет тонкого профиля теория, позволяющая рассчитать подъёмную силу,
продольный момент (см. Аэродинамические силы и моменты), распределение нагрузки
по хорде.
Для чисто дозвукового обтекания профиля линейная Прандтля — Глауэрта теория
даёт простую связь между течениями несжимаемой и сжимаемой жидкостей. Более
точные теории (С. А. Христианович, 1940; Т. Карман — Тзян, 1939—1941),
опирающиеся на приближенное решение уравнений Чаплыгина (см. Годографа метод),
позволяют достаточно точно учитывать влияние сжимаемости среды вплоть до
критического Маха числа М*. Эти теории лежали в основе выбора формы первых,
скоростных (рассчитанных на относительно большие дозвуковые скорости полёта)
профилей (см. Сверхкритический профиль).
При числе Маха набегающего потока М{{?}} > М* вблизи профиля образуются местные
сверхзвуковые зоны, которые в большинстве случаев замыкаются скачками
уплотнения, являющимися источником волнового сопротивления X{{?}} и приводящими
при достаточной их интенсивности к отрыву пограничного слоя, к резкому
изменению подъёмной силы и продольного момента. Расчёт обтекания при наличии
местных сверхзвуковых зон (см. Трансзвуковое течение) стал возможен лишь с
появлением ЭВМ и развитием методов численного анализа, применение которых
позволило определить новые формы профилей с пониженным значением X{{?}} (см.
Сверхкритический профиль). Теория подобия (Карман, 1947) показала, что при
М{{?}} = 1 величина Х{{??}}{{с}}5/3, где {{с}} — относительная толщина
профиля; отсюда следует необходимость применения тонких профилей для перехода
через скорость звука.
При обтекании профилей сверхзвуковым потоком возможны два режима, реализация
которых зависит от значения числа Маха М{{?}} и формы профиля. На первом режиме
головной скачок уплотнения присоединён к передней кромке профиля, и реализуется
чисто сверхзвуковое течение. Для расчёта такого режима используются
приближенные методы, связанные с разложением коэффициента давления (см. также
Аэродинамические коэффициенты) по местному углу {{?}} наклона поверхности:
линейная теория (см. Аккерета формулы); теории, учитывающие два или три члена
разложения. Хорошие результаты даёт приближенный метод, использующий точные
соотношения для косого скачка уплотнения и Прандтля — Майера течения (метод
скачков-расширений). Согласно линейной теории, коэффициент волнового
сопротивления сx{{?}} = сx{{?}}0 + cx{{?}}i (где сx{{?}}0{{?}}{{c}}2)
зависит от формы профиля и при фиксированном значении с принимает минимальное
значение для ромбовидного профиля — сz{{?}}i = (М2{{?}}-l)1/2c2y/4, то есть
пропорционален квадрату коэффициента подъёмной силы сy, подобно индуктивному
сопротивлению крыла конечного размаха при малых скоростях. Большое значение
сх{{?}} приводит к падению аэродинамического качества K = cy/cx при
сверхзвуковых скоростях (сx — коэффициент аэродинамического сопротивления). На
втором режиме обтекания головной скачок уплотнения отсоединен от передней
кромки профиля, и на некотором участке перед носовой частью профиля он близок к
интенсивному прямому скачку уплотнения. В связи с этим сопротивление профилей с
затупленной передней кромкой значительно больше сопротивления профилей с
заострённой передней кромкой, обтекаемых со слабым присоединенным скачком
уплотнения.
При расчёте гиперзвукового обтекания профиля линейная теория не применима (см.
Гиперзвуковое течение); приближенное значение коэффициента давления может быть
получено при помощи формулы Ньютона cp = 2sin2{{?}} или её различных
модификаций (см. Ньютона теория обтекания).
Для расчёта аэродинамических характеристик профиля на всех режимах его
обтекания наряду с приближенными методами всё шире и интенсивнее применяются
точные методы численного анализа (конечно-разностные методы, метод
характеристик и др.).
При безотрывном обтекании профиля и больших Рейнольдса числах влияние вязкости
определяется с помощью теории пограничного слоя. Согласно Л. Прандтлю,
вытесняющее действие пограничного слоя учитывается путём «наращивания» на
заданный профиль толщины вытеснения {{?}}* и прибавления тонкого вязкого следа
за профилем и последующего расчёта невязкого обтекания полученного таким
образом контура. Уточнение результатов возможно при использовании итерационного
процесса, в котором достигается согласование величины {{?}}* и распределения
давления по внешней границе пограничного слоя. Учёт вязкости приводит к
уменьшению сy при положительном угле атаки из-за более толстого пограничного
слоя на верхней поверхности профиля. Расчётом находится профильное
сопротивление, обусловленное действием сил трения и давления на обтекаемую
поверхность. Деформация контура профиля за счёт {{?}}* и следа вызывает
изменение волнового сопротивления, которое при сверхзвуковых скоростях, как
правило, уменьшается.
|
|