РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЫЛА МЕТОДОМ ОСОБЕННОСТЕЙ

详细

Цель: Исследование разновидностей метода особенностей для расчёта аэродинамических характеристик крыла.

Методы. В данной работе была проведена верификация всех, предлагаемых XFLR5 методов, посредством сравнения полученных в расчетах результатов с экспериментальными данными из справочника ЦАГИ. В результате была предложена смешанная методика расчётов, дающая меньшую погрешность с экспериментальными характеристиками, в сравнении с другими методами расчётов программы.

Результаты. Полученная методика апробировалась на двух моделях крыльев, экспериментальные характеристики которых были получены в результате исследования физических моделей этих крыльев в аэродинамической трубе. Наименьшая погрешность была получена по смешанной методике.

Выводы. Выбранная методика расчёта, условно названная смешанной, даёт наименьшую погрешность расчётов, что позволяет использовать её для проведения предварительных расчётов в процессе аэродинамического проектирования ЛА.

全文:

Обоснование. Экспериментальное нахождение аэродинамических характеристик является сложным и затратным, как в плане времени, так и финансов, процессом. Поэтому актуальным является поиск рациональных расчётных методов.

Моделирование обтекания тел воздухом для расчёта аэродинамических характеристик является весьма сложной задачей, поэтому и программное обеспечение, применяемое для этих целей, является зачастую крайне сложным и комплексным продуктом, некоторые разновидности которого не находятся в свободном доступе. Несмотря на это, в сфере данного программного обеспечения существует выбор среди доступных инструментов, как например ANSYS, XFOIL, XFLR5, AirShaper, FlowVision и так далее. Однако у всего данного программного обеспечения есть свои специфические особенности.

В данной работе использовался свободно распространяемый программный пакет XFLR5, в котором присутствует функционал работы с профилями, моделями и нахождение их аэродинамических характеристик с помощью методов расчётов, основанных на методе особенностей.

Известно множество статей посвященных теме использования XFLR5 в целях выбора лучшего профиля, для различных задач, и нахождения аэродинамических характеристик[1, 2]. Однако крайне малое количество статей, в которых присутствует сравнение с экспериментом и косвенное упоминание о верификации расчётных методов [3].

Методы. Программный пакет XFLR5 имеет в своём распоряжении 4 метода расчёта аэродинамических характеристик. Теория несущей линии (LLT - метод) используется только для расчётов аэродинамических характеристик крыла. Методы вихревой решётки (VLM-1 и VLM-2), используют для расчета характеристик летательного аппарата П-образные и круговые вихри, распределенные по средней поверхности крыла. Метод 3D панелей (3D panels) моделирует обтекание тела, суммой источников и стоков, распределенных по верхней и нижней поверхностям крыла [4]. Так как все методы используют разные способы расчёта аэродинамических характеристик, то и результаты получаются различными.

В данной работе была проведена верификация всех, предлагаемых XFLR5 методов, посредством сравнения полученных в расчетах результатов с экспериментальными данными из справочника ЦАГИ [5]. Расчёты проводились на 3d модели крыла, созданной в XFLR5, с профилем Clark-YH 11%, параметры которого были взяты из справочника [5]. Размах крыла составлял 2,5 метра и хорда 0,5 метра. В результате сравнения экспериментальных данных с расчётными получилось, что подъёмная сила наиболее точно согласуется с экспериментальными данными в методе VLM-2, а сила лобового сопротивления в методе 3D panels. Исходя из этого, для построения поляры было принято решение взять значения коэффициента подъемной силы из VLM-2, а коэффициент лобового сопротивления из метода 3D panels. В результате была получена поляра с наименьшей погрешностью коэффициента отвала поляры, по сравнению с полярами, построенными только в рамках отдельно взятых методов, предлагаемых программой XFLR5. Далее будем называть данную методику смешанной методикой расчёта.

Результаты. Полученная методика апробировалась на двух моделях крыльев, экспериментальные характеристики которых были получены в результате исследования физических моделей этих крыльев в аэродинамической трубе Т3 Самарского университета. Первая исследованная модель – это составное крыло с размахом 0,24 метра. Хорда центроплана составляет 0,144 метра, консолей 0,058 метра, средняя аэродинамическая хорда 0,094 метра. Удлинение 2,5. Вторая модель – это прямоугольное крыло с размахом 0,45 метра и хордой 0,15 метра. Удлинение 3. Характеристики этих моделей также были рассчитаны в XFLR5 всеми предлагаемыми методиками. После обработки экспериментальных данных и получения расчётных данных из XFLR5, наименьшая погрешность была получена по смешанной методике.

Выводы. В результате проведенной работы предложена так называемая смешанная методика расчета аэродинамических характеристик крыла с использованием программного пакета XFLR5, которая позволяет получить лучшее согласование расчетных результатов с экспериментальными данными, чем отдельно взятые методы, предлагаемые пакетом XFLR5. Таким образом, выбранная методика расчёта, условно названная смешанной, даёт наименьшую погрешность расчётов, что позволяет использовать её для проведения предварительных расчётов в процессе аэродинамического проектирования ЛА.