Численное моделирование характеристик высоконесущих профилей с энергетическими методами увеличения подъемной силы

Предмет исследования. Рассмотрена проблема создания высоконесущих профилей с энергетическими методами увеличения подъемной силы. Разработана методика математического моделирования профилей, построенных методом решения обратной задачи аэродинамики по заданным свойствам потока, омывающего профиль. Изучена зависимость несущих свойств профилей от расхода отбираемого с их поверхности воздуха. В качестве основы выбран профиль Гриффина/Голдшмида с отбором воздуха в верхней критической точке. Разработаны профили: первый — с плоским днищем для создания на взлете и посадке экранного эффекта, второй — с выбросом отбираемого воздуха через заднюю кромку, третий — модификация второго с увеличенной строительной высотой.

Метод. Для построения аэродинамических профилей использовано решение обратной задачи аэродинамики в рамках модели идеального газа. Задано распределение давления на верхней части профиля, его строительная высота и диапазон изменения углов атаки от 0° до 16°, а также степень разрежения до 0,5 атм в щели, через которую отбирался воздух. Для профилей с выбросом воздуха через заднюю кромку в пределах от 50 до 200 % варьировалось отношение расхода выбрасываемого воздуха к расходу отбираемого воздуха. Для каждого полученного варианта выполнены численные расчеты с помощью чисел Рейнольдса в диапазоне от 1,5·10⁵ до 1,5·10⁶ с использованием моделей турбулентности Спаларта–Алмараса, Transition Shear Stress Transport (SST) и Ленгтри, настройка которых производилась по известным эталонным результатам.

Основные результаты. Расчеты показали, что профили имеют высокий коэффициент подъемной силы C_y ≈ 3–3,4, который достигается при разрежении в щели 0,5 атм. C_y зависит от угла атаки практически линейно вплоть до максимальных значений. Выброс воздуха через заднюю кромку профиля при степени разрежения 0,5 атм приводит к росту C_y, значение которого зависит от увеличения расхода воздуха.

Практическая значимость. Исследованные профили имеют большую строительную высоту и несущую способность, создают тягу даже при отсутствии выдува через заднюю кромку. Эти свойства позволяют их использовать в конструкции воздушных судов, для которых важным является объем внутренних отсеков, необходимых, например для размещения водородного топлива.

1. Li Y., Pan Z., Zhang N. Numerical analysis on the propulsive performance of oscillating wing in ground effect // Applied Ocean Research. 2021. V. 114. P. 102772. https://doi.org/10.1016/j.apor.2021.102772

2. Panagiotou P., Yakinthos K. Aerodynamic efficiency and performance enhancement of fixed-wing UAVs // Aerospace Science and Technology. 2020. V. 99. P. 105575. https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105575

3. Петров А.В. Аэродинамика транспортных самолетов короткого взлета и посадки с энергетическими методами увеличения подъемной силы. М.: Инновационное машиностроение, 2018. 736 с.

4. Ильинскиий Н.Б., Абзалилов Д.Ф. Математические проблемы проектирования крыловых профилей: усложненные схемы течения; построение и оптимизация формы крыловых профилей. Казань: Казанский университет, 2011. 284 с.

5. Абзалилов Д.Ф., Ильинский Н.Б., Марданов Р.Ф. Усовершенствование аэродинамических характеристик крылового профиля путем введения распределенного отсоса пограничного слоя // Известия вузов. Авиационная техника. 2004. № 2. С. 34–39.

6. Гайфутдинов Р.А. Максимизация коэффициента подъемной силы крыловых профилей с устройствами активного управления потоком // Известия вузов. Авиационная техника. 2009. № 3. С. 28– 32.

7. Абзалилов Д.Ф., Марданов Р.Ф. Расчет и оптимизация аэродинамических характеристик крылового профиля с выдувом реактивной струи при наличии в потоке вихря // Известия вузов. Авиационная техника. 2016. № 3. С. 58–63.

8. Варсегова Е.В., Ильинский Н.Б. Построение крылового профиля при наличии в потоке особенности // Известия вузов. Авиационная техника. 2009. № 2. С. 36–40.

9. Жуковский Н.Е. О реакции вытекающей и втекающей жидкости: полное собрание сочинений. Т. 4. М.–Л.: Главная редакция авиационной литературы, 1937. С. 7–21.

10. Некрасов А.И. Обтекание профиля Жуковского при наличии на профиле источника и стока // Прикладная математика и механика. 1947. Т. 11. № 1. С. 41–54.

11. Lighthill M.J. A New Method of Two-Dimensional Aerodynamic Design: Aeronautical Research Council Reports and Memoranda N 2112 (April, 1945).

12. Richards E.J., Walker W.S., Taylor C.R. Wind-tunnel tests on a 30 per cent. suction wing: Aeronautical Research Council Reports and Memoranda N 2149 (July,1945). 23 p.

13. Glauert M.B. The Design of Suction Aerofoils with a Very Large CL-Range: Aeronautical Research Council Reports and Memoranda N 2111 (November, 1945).

14. Glauert M.B. The Application of the Exact Method of Aerofoil Design: Aeronautical Research Council Reports and Memoranda N 2683 (October, 1947).

15. Keeble T.S., Atkins. Tests of Williams Class II Profile using a twodimensional three-foot chord model. ARC Aero Note 100.1951.

16. Küchemann D. Some aerodynamic properties of a new type of aerofoil with reversed flow through an internal duct: Report RAE TN Aero 2297. 1954.

17. Goldschmied F.R. Integrated hull design, boundary-layer control, and propulsion of submerged bodies // Journal of Hydronautics. 1967. V. 1. N 1. P. 2–11. https://doi.org/10.2514/3.62746

18. Goldschmied F.R. Thick-wing spanloader all-freighter: A design concept for tomorrow’s air cargo // Proc. of the Aircraft Design, Systems and Operations Conference. 1990. P. 90-3198. https://doi.org/10.2514/6.1990-3198

19. Goldschmied F.R. Fuselage self-propulsion by static-pressure thrust: Wind-tunnel verification // Proc. of the Aircraft Design, Systems and Operations Meeting. 1987. P. 87-2935. https://doi.org/10.2514/6.1987-2935

20. McMasters J.H, Paisley D.J., Hubert R.J., Kroo I., Bofah K.K., Sullivan J.P., Drela M. Advanced Configurations for Very Large Subsonic Transport Airplanes: NASA Contractor Report 198351. 56 p.

21. Perry A.T. Experimental evaluation of a propulsive wing concept: Thesis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Aerospace Engineering in the Graduate College of the University of Illinois at Urbana-Champaign, 2016. 81 p.

22. Selig M.S., Guglielmo J.J., Broeren A.P., Giguère P. Summary of Low-Speed Airfoil Data. V. 1. Virginia Beach, Virginia: SoarTech Publications, 1995.

23. Selig M.S., Lyon C.A., Giguère P., Ninham C.N., Guglielmo J.J. Summary of Low-Speed Airfoil Data, V. 2. Virginia Beach, Virginia: SoarTech Publications, 1996.

24. Lyon C.A., Broeren A.P., Giguère P., Gopalarathnam A., Selig M.S. Summary of Low-Speed Airfoil Data. V. 3. Virginia Beach, Virginia: SoarTech Publications, 1998.

25. Selig M.S., Maughmert M.D. Multipoint Inverse Airfoil Design Method Based on Conformal Mapping // AIAA Journal. 1992. V. 30. N 5. P. 1162–1170. https://doi.org/10.2514/3.11046

26. Saeed F., Selig M.S. Multipoint inverse airfoil design method for slot-suction airfoils // Journal of Aircraft. 1996. V. 33. N 4. P. 708–715. https://doi.org/10.2514/3.47005

27. Bravo-Mosquera P.D., Catalano F.M., Zingg D.W. Unconventional aircraft for civil aviation: A review of concepts and design methodologies // Progress in Aerospace Sciences. 2022. V. 131. P. 100813. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2022.100813

28. Mueller T.J. The influence of laminar separation and transition on low reynolds number airfoil hysteresis // Proc. of the AIAA 17th Conference on Fluid Dynamics, Plasma Dynamics and Lasers. 1984. https://doi.org/10.2514/6.1984-1617

29. Spalart P.R., Allmaras S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // Proc. of the AIAA 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit Paper. 1992. https://doi.org/10.2514/6.1992-439

30. Menter F.R., Langtry R., Völker S. Transition modelling for general purpose CFD codes // Flow, Turbulence and Combustion. 2006. V. 77. N 1-4. P. 277–303. https://doi.org/10.1007/s10494-006-9047-1

31. Liu Y., Li P., Jiang K. Comparative assessment of transitional turbulence models for airfoil aerodynamics in the low Reynolds number range // Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics. 2021. V. 217. P. 104726. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2021.104726

32. Дудников С.Ю., Кузнецов П.Н., Мельникова А.И., Вокин Л.О. Моделирование течений при малых числах Рейнольдса применительно к проектированию несущих аэродинамических поверхностей беспилотных летательных аппаратов // Известия вузов. Авиационная техника. 2021. № 4. С. 39–48.

33. Соломатин Р.С., Семенов И.В., Меньшов И.С. К расчету турбулентных течений на основе модели Спаларта-Аллмараса с применением LU-SGS–GMRES алгоритма // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2018. № 119. С. 1–30. https://doi.org/10.20948/ prepr-2018-119

34. Liu K., Wang Y., Song W.-P., Han Z.-H. A two-equation localcorrelation-based laminar-turbulent transition modeling scheme for external aerodynamics // Aerospace Science and Technology. 2020. V. 106. P. 106128. https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.106128

35. Malan P., Suluksna K., Juntasaro E. Calibrating the gamma-Re_theta transition model for commercial CFD // Proc. of the 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2009. https://doi.org/10.2514/6.2009-1142

36. Wauters J., Degroote J. On the study of transitional low-Reynolds number flows over airfoils operating at high angles of attack and their prediction using transitional turbulence models // Progress in Aerospace Sciences. 2018. V. 103. P. 52–68. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2018.10.004