Исследование обтекания полусферического крыла в потоке газа, растекающегося от центра

В работе рассматривается возможность создания летательного аппарата нетрадиционной формы. На основе анализа возможных конструктивных решений рассматривается модель (рис. 1) обтекания крыла полусферической формы ( 1 ) газовым потоком, источником которого является двигательная установка ( 2 ), расположенная в центре летательного аппарата (ЛА). Подъемная сила ЛА создается за счет разрежения потока газа, растекающегося радиально, создаваемого на верхней поверхности диска. В состав двигательной установки входят радиальный вентилятор ( 3 ), секция поворотных лопаток ( 4 ), спрямляющих поток.

Рис. 1. Летательный аппарат и двигательная установка

Постановка задачи. Подъемная сила, уравновешивающая силу гравитации, создается за счет разности давлений на нижней и верхней поверхностях платформы (рис . 2). Разрежение на верхней поверхности образуется за счет взаимодействия истекающей в радиальном направлении струи газа с верхней поверхностью аппарата.

Рис. 2. Рабочая поверхность ЛА

Вестник СибГАУ. № 2(48). 2013

Для заданных условий были определены массовый расход газового потока; характеристики обтекания рабочей поверхности ЛА при изменении основных параметров (размер сопла двигательной установки – b 0 и скорость истечения из сопла – u 0 ), а также подъемная сила.

Анализ многочисленных экспериментов со струями [1–6] показал, что результаты измерений профилей скорости и температуры в турбулентных свободных слоях смещения, построенные в соответствующих безразмерных координатах, оказываются универсальными. Суть универсальности этих профилей заключается в том, что если выбрать характерный размер течения δ( x ) и скорость V ( x ), то в произвольном сечении струи, расположенном от сопла на расстоянии х , скорость и можно представить в виде uV ( x ) = f ( n ), где f ( n ) — функция подобия; n = У /8 ( x ) [7].

На основе проведенных исследований был выбран вариант специального обтекаемого профиля (рис. 3) для создания наибольшей тяги и разработана схема экспериментальной модели. В центре обтекаемой формы ( 1 ) установлен электромотор ( 2 ), вращающий винт 229 × 152 ( 3 ), закрытый воздуховодом ( 4 ).

Экспериментальная модель обтекаемого профиля была сформована из стекловолокна, с использованием специальной матрицы (рис. 4).

Полученная из эксперимента графическая зависимость изменения подъемной силы [грамм] от скорости потока [м/с], вытекающего из воздуховода, измеряемого анемометром, приведена на рис. 5.

Анализируя приведенный на рис. 5 график подъемной силы видим, что в широком диапазоне скоростей полученная зависимость имеет преимущественно параболический характер, что хорошо согласуется с теоретической моделью обтекания ЛА.

Рис. 3. Схема экспериментальной модели

Рис. 4. Экспериментальная модель

Рис. 5. Зависимость подъемной силы от скорости истечения потока