Исследование аэродинамических характеристик модели крыла самолета в аэродинамической трубе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследовательская работа

Исследование аэродинамических характеристик модели крыла самолета в аэродинамической трубе

Введение

индуктивный сопротивление самолет крыло

Авиация является существенной частью развития человеческого общества, а аэродинамика играет важную, доминирующую роль в развитии авиации. Аэродинамика самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов занимает ключевое место в научно-технической деятельности многих научно-исследовательских институтов и лабораторий во всем мире. Россия занимает лидирующее место в области аэродинамических исследований. Особенно известны достижения Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), в котором ведутся фундаментальные теоретические исследования сложных научных проблем, изучается физика течений, идут работы по формированию облика летательных аппаратов, создаются аэродинамические компоновки перспективных изделий авиационной техники. Исследования в области аэродинамики обеспечивают прогресс в создании нового поколения самолетов, вертолетов, ракет и космических аппаратов. Разработка новых самолетов всех назначений не прекращается, при этом большое внимание уделяется эффективности самолета, удешевлению его эксплуатации и технологии производства.

Актуальность работы. Чтобы рассчитать конструкцию самолета на прочность, исследовать его устойчивость, определить летные свойства, необходимо знать аэродинамические силы и моменты, которые возникают при полете самолета. Знание аэродинамических характеристик самолета и их зависимости от различных факторов необходимо для того, чтобы выбрать наилучшие формы и размеры проектируемого самолета и рассчитать его летные характеристики. При конструировании самолетов основной проблемой является выбор формы крыла с оптимальными параметрами. Авиаконструкторы обратили внимание, что изменяя форму крыла самолетов можно улучшить его аэродинамические характеристики, а именно увеличить подъемную силу и уменьшить лобовое сопротивление. Чем больше подъемная сила крыла самолета, тем большую массу груза (пассажиров, вооружения и т.д.) он сможет поднять в воздух. Уменьшая лобовое сопротивление можно добиться увеличения скорости самолета, уменьшить расход топлива. Так у самолетов появились крылья разной, необычной формы. Несмотря на то, что уже существуют и используются крылья разной геометрической формы, в настоящее время эксперименты с геометрией крыла не прекращаются. Россия - страна протяженностью почти 10 000 км, и конечно необходимы дальние магистральные воздушные суда, поэтому в последние годы определяющей характеристикой геометрии крыла стало стремление получить как можно большие скорости полета наряду с обеспечением наименьшей топливной себестоимости полетов.

Этого можно достичь, уменьшая сопротивление крыла, ведь чем оно меньше, тем дальше при тех же ресурсах пролетит самолет. Авиаконструкторы видоизменяют законцовки крыльев, используют аэродинамические гребни на поверхности крыла, тем самым уменьшая сопротивление, и улучшают аэродинамическое качество. На сегодняшний день в мировой авиации существуют много видов законцовок крыла, но конструкторская мысль на месте не стоит и эксперименты продолжаются.

Таким образом, тема данной исследовательской работы обусловлена научно-практическим интересом и связана с изучением зависимости аэродинамических характеристик моделей крыла самолета от его формы и угла атаки, с целью создания модели крыла с наилучшими аэродинамическими характеристиками. В работе предложен способ увеличения аэродинамического качества для модели крыла и «размывания» воздушного следа самолета. Эксперименты с геометрической формой крыла, изменение его законцовки и использование аэродинамических гребней на поверхности крыла, проводились, чтобы улучшить аэродинамические характеристики и аэродинамическое качество модели крыла.

Цель: Выявить зависимость аэродинамических характеристик модели крыла самолета от его формы и угла атаки, создать форму модели крыла с наилучшим аэродинамическим качеством, предложить способ увеличения его аэродинамического качества.

Задачи:

1. Изучить научно-исследовательскую литературу по вопросу определения аэродинамических характеристик модели крыла самолета весовым методом в аэродинамической трубе.

2. Провести эксперимент в аэродинамической трубе по измерению подъемной силы и лобового сопротивления, разных по форме, но уже известных моделей крыльев самолета весовым методом, рассчитать основные аэродинамические характеристики моделей (коэффициент подъемной силы, коэффициент лобового сопротивления, аэродинамическое качество), и выявить их зависимость от угла атаки и формы крыла.

3. Изготовить экспериментальные новые по форме модели крыльев самолета, провести измерения их подъемной силы и лобового сопротивления в аэродинамической трубе, рассчитать их основные аэродинамические характеристики.

4. Проанализировать полученные данные и подобрать оптимальную форму модели крыла с наилучшими аэродинамическими характеристиками.

5. Провести исследование потока обтекания для модели крыла экспериментальной формы, используя компьютерную программу «Виртуальная аэродинамическая труба» и предложить способ улучшения его аэродинамического качества, подобрав форму законцовки крыла и используя аэродинамические гребни на поверхности крыла.

6. Рассчитать аэродинамическое качество улучшенной модели крыла с законцовкой и аэродинамическими гребнями, сравнить с аэродинамическим качеством этой модели крыла без законцовки и сделать вывод о влиянии законцовки и аэродинамических гребней на аэродинамическое качество крыла данной модели.

Объект исследования: аэродинамика крыла.

Предмет исследования: аэродинамические характеристики и форма модели крыла.

Гипотеза: аэродинамические характеристики модели крыла зависят от его формы.

Методы исследования: изучение литературы, эксперименты в аэродинамической трубе и измерение параметров, компьютерное моделирование, анализ полученных данных.

Практическая значимость исследовательской работы: представленный материал может быть использован в авиамоделировании при конструировании авиамоделей самолетов.

План выполнения работы:

1. Изучить научно-исследовательскую литературу по основам аэродинамики.

2. Собрать установку для измерения аэродинамических характеристик модели крыла самолета: аэродинамическую трубу и аэродинамические весы.

3. Изготовить модели крыльев самолета прямоугольной, трапециевидной, стреловидной, обратной стреловидности, треугольной и элипсовидной формы, а также модель формы «крыло птицы чайки» и модель формы «полумесяц».

4. Измерить подъемную силу и лобовое сопротивление моделей крыльев разной формы, изменяя угол атаки.

5. Рассчитать коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления и аэродинамическое качество для моделей крыла разной формы.

6. Построить графики зависимости коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки, и графики зависимости аэродинамического качества от угла атаки для разных по форме моделей крыла.

7. Проанализировать полученные результаты и выбрать модель крыла с наилучшими аэродинамическими характеристиками.

8. Исследовать поток обтекания модели крыла формы «полумесяц», используя компьютерную программу «Виртуальная аэродинамическая труба» и подобрать форму законцовки крыла и аэродинамические гребни.

9. Изготовить модель крыла формы «полумесяц» с законцовкой и аэродинамическими гребнями, измерить подъемную силу и лобовое сопротивление, используя аэродинамическую трубу.

10. Рассчитать коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления, а также аэродинамическое качество для модели крыла формы «полумесяц» с законцовкой и аэродинамическими гребнями и сделать вывод об их влиянии на аэродинамическое качество данной модели.

1. Обзор литературы по теме

1.1 Основы аэродинамики. Основные понятия

Аэродинамика - изучает законы движения газов (преимущественно воздуха), и их силовое воздействие на поверхность обтекаемых тел. Когда самолет летит, на него действуют аэродинамические силы. Благодаря им и возможен полет аппаратов тяжелее воздуха. Аэродинамические силы поднимают самолет в воздух, а также создают и вредное сопротивление его движению. Поэтому одной из основных задач аэродинамики является выбор рациональной внешней формы летательного аппарата и определение аэродинамических нагрузок действующих на его поверхность, чтобы рассчитать прочность [1].

Наука аэродинамика, изучает сложные явления и чтобы их упростить используют модели этих явлений, применяют различные гипотезы. В аэродинамике обычно рассматривают обтекание неподвижного летательного аппарата набегающим потоком воздуха, а не его полет в воздухе. Скорость набегающего потока и скорость полета летательного аппарата равны, но противоположны по направлению. На основе этого принципа проводят опыты в аэродинамической трубе - установке, которая создает поток воздуха для экспериментального изучения обтекания тел [2].

Важнейшая часть самолета - это его крыло, оно делает возможным полет самолета. Формы крыла у самолетов разнообразны: элипсовидные (а), прямоугольные (б), трапециевидные (в), стреловидные (г) и треугольные крылья (д) (см. Приложение 1). За счет разности давлений воздуха над крылом и под крылом возникает подъемная сила. Подъемная сила и лобовое сопротивление во многом зависят от формы крыла [1].

Основными аэродинамическими характеристиками являются: коэффициент подъемной силы, коэффициент лобового сопротивления и аэродинамическое качество. Измерить их можно весовым методом. Этот метод один из распространенных видов исследований в экспериментальной аэродинамике. При весовых испытаниях уменьшенную в несколько раз модель летательного аппарата закрепляют в рабочей части аэродинамической трубы на приборе, называемом аэродинамическими весами [2].

Сущность весовых испытаний, заключается в непосредственном измерении силы лобового сопротивления и подъемной силы, действующих на летательный аппарат, с помощью аэродинамических весов. Далее по формулам рассчитывают аэродинамические силы и аэродинамические коэффициенты [4].

По результатам строят графики зависимости коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки, и графики зависимости аэродинамического качества от угла атаки [4].

Можно сравнить аэродинамическое качество различных летательных аппаратов и сделать выводы об их аэродинамическом совершенстве. Чем больше аэродинамическое качество крыла, тем оно совершеннее [5].

1.2 Составляющие лобового сопротивления. Индуктивное сопротивление

Сила лобового сопротивления, в зависимости от своего происхождения имеет несколько составляющих, такие как профильное сопротивление, волновое и индуктивное сопротивление крыла [8].

Исследуя обтекание крыла, было установлено, что сопротивление крыла зависит и от разности давлений под крылом и над крылом. Под действием разности давлений воздух будет перетекать через торцы крыла с нижней поверхности на верхнюю, образуя так называемые вихревые жгуты (усы), или свободные вихри (см. рис. 1 Приложение2) [3].

Свободный вихрь представляет собой вращающуюся массу воздуха. Благодаря вязкости воздуха вращение воздушных масс в свободном вихре увлекает за собой окружающий воздух (см. рис. 2 Приложение 2). Любая частица воздуха, набегающая на крыло с поступательной скоростью V, будет увлекаться свободными вихрями вниз с вертикальной скоростью Vср. в результате эта частица изменит направление своего движения на угол е, который называется углом скоса потока. Учитывая, что подъемная сила перпендикулярна направлению потока, то с учетом скоса потока подъемная сила отклонится назад на угол и даст проекцию на направление потока, препятствующего движению крыла вперед. Проекция подъемной силы Yа ист. на направление полета называется индуктивным сопротивлением крыла Xi (см. рис. 3 Приложение 2). Таким образом, индуктивное сопротивление - это дополнительное сопротивление, вызванное наклоном истинной подъемной силы, или возникшее вследствие скоса потока [3].

Основная задача авиаконструкторов сделать перетекание воздуха на крыле либо невозможным, либо свести его образование к минимуму. Были разработаны разные приемы, один из которых это видоизменить законцовку крыла, которая не только будет препятствовать перетеканию воздуха, но и сможет стать преградой на его пути. Для этих же целей используются, и аэродинамические гребни на поверхности крыла самолета, которые препятствуют перетеканию воздушного потока к концевым сечениям крыла [8].

Именно этот путь борьбы с индуктивным сопротивлением сейчас приобретает достаточно массовый характер среди ведущих авиапроизводителей. Применение законцовок крыла позволяет улучшить топливную экономичность у самолетов либо дальность полетов у планеров. В русском языке существует несколько названий для таких видоизмененных законцовок крыла. Это собственно законцовки, концевые крылышки, шайбы Уиткомба, винглеты. Все они представляют собой дополнительные поверхности на концах крыла, в виде «крылышек» (см. рис. 1 - рис. 2 Приложение 3) [8].

2. Материалы и методы

2.1 Создание установки для измерения аэродинамических характеристик модели крыла самолета

Для измерения основных аэродинамических характеристик была создана установка (см. Приложение 4), которая включает в себя следующие части: аэродинамическую трубу и аэродинамические весы.

2.2 Изготовление моделей крыльев самолета

Для испытаний были изготовлены модели крыла самолета разной формы. Модели крыльев изготовлены из бальзы.

2.3 Измерение подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла

Измерение подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла производилось следующим образом: Сначала приводят весы в равновесие. Включают аэродинамическую трубу. Измеряют скорость воздушного потока. Исследуемую модель крыла закрепляют на штативе аэродинамических весов, которые располагаются на расстоянии 40 см от аэродинамической трубы. Поток воздуха из трубы направляют на модель и измеряют значения подъемной силы и лобового сопротивления на электронных весах при разных углах атаки. Далее берут модель крыла другой формы и также измеряют показания подъемной силы и лобового сопротивления.

2.4 Снятие спектров обтекания модели крыла формы «полумесяца» в компьютерной программе «Виртуальная аэродинамическая труба»

В компьютерной программе «Виртуальная аэродинамическая труба» была создана модель крыла формы «полумесяца». Размеры компьютерной модели соответствуют размерам модели изготовленной из бальзы для аэродинамических испытаний в аэродинамической трубе.

Включив программу в режим «Продувка модели» (скорость продувки равна скорости потока воздуха в изготовленной аэродинамической трубе), были сняты спектры обтекания модели крыла формы «полумесяца».

2.5 Подбор формы законцовок крыла для модели крыла формы «полумесяца» в компьютерной программе «Электронная аэродинамическая труба»

индуктивный сопротивление самолет крыло

Конструирование различных форм законцовок крыла проводилось, ориентируясь на спектры обтекания следующим образом: рисовалась законцовка, снимался спектр обтекания, рассматривался воздушный поток, если возмущение потока увеличивалось или не изменялось (вихревые жгуты оставались той же формы и размера), то переходили к созданию законцовки новой формы. Также были применены аэродинамические гребни для препятствия перетекания воздушного потока вдоль крыла. В результате была подобрана форма законцовки крыла дающая наименьшее возмущение воздушного потока (вихревые жгуты значительно уменьшились).

2.6 Изготовление модели крыла самолета формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями

Для испытаний была изготовлена модель крыла самолета формы «полумесяца» с выбранными законцовками и аэродинамическими гребнями. Модель крыла изготовлена из бальзы.

2.7 Измерение подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями весовым методом в аэродинамической трубе

Измерение показаний подъемной силы и лобового сопротивления модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями проводят на установке для измерения аэродинамических характеристик.

3. Результаты

3.1 Расчет коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества для моделей крыла разной формы

По результатам опытов следует рассчитать коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления и аэродинамическое качество разных по форме моделей крыла по формулам для расчетов коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества.

По результатам строят графики зависимости коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки, и графики зависимости аэродинамического качества от угла атаки для разных по форме моделей крыла.

3.2 Расчет коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества для модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями

По результатам опытов следует рассчитать коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления и аэродинамическое качество модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями по формулам для расчетов коэффициентов подъемной силы, лобового сопротивления и аэродинамического качества.

По результатам строят графики зависимости коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки, и графики зависимости аэродинамического качества от угла атаки для модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями.

4. Анализ полученных результатов

Проанализировав результаты работы, можно увидеть, как изменяются аэродинамические характеристики моделей разной формы от угла атаки. При малых углах атаки у всех моделей крыльев наблюдается быстрый рост подъемной силы и небольшое увеличение лобового сопротивления. Увеличив угол атаки можно заметить, что значения подъемной силы увеличиваются, но медленнее, а вот лобовое сопротивление начинает расти быстрее. Плавное обтекание поверхности крыла воздушным потоком прекращается. Наступает угол атаки, при превышении этого угла, подъемная сила падает, а лобовое сопротивление увеличивается. Этот угол называют критическим. После этого происходит срыв воздушного потока. Крыло не летит, оно падает. Для крыльев прямоугольной, трапециевидной, стреловидной, обратной стреловидности, элипсовидной формы и формы «полумесяца» критический угол атаки равен б = 30⁰, для крыла треугольной формы б= 40^0, а для модели формы «крыло птицы чайки» б = 20⁰.

Также можно заметить, изменение коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от геометрической формы крыла. Наибольший коэффициент подъемной силы у крыльев треугольной формы (С_y= 1,1) и обратной стреловидности (С_y = 1,0). У крыла формы «полумесяц» также достаточно высокий коэффициент подъемной силы (С_y = 0,98). Наименьшими коэффициентами лобового сопротивления на критических углах атаки обладают: модель крыла элипсовидной формы (С_x= 0,36) и модель крыла формы «крыло птицы чайки» (С_x =0,26).

Исходя из того, что у лучшего, совершенного крыла аэродинамическое качество выше, получилось, что наилучшими крыльями оказались крыло элипсовидной формы и крыло треугольной формы. Для элипсовидного крыла аэродинамическое качество К=14,0, а для крыла треугольной формы аэродинамическое качество К=11,0. Что совпадает с результатами ранее проводимых исследований [6, 7]. Также высокое аэродинамическое качество и у модели формы «крыло птицы чайки» К= 10,0.

Исследовав спектры обтекания модели крыла формы «полумесяца» была выбрана форма законцовок, использование которых приводит к уменьшению возмущения воздушного потока, о чем можно судить по уменьшению вихревых жгутов. Были использованы аэродинамические гребни для препятствия перетекания воздушного потока вдоль крыла. Проведя исследования в аэродинамической трубе, наблюдалось увеличение подъемной силы вследствие увеличения площади модели крыла за счет законцовок. Однако было выявлено уменьшение коэффициента лобового сопротивления и увеличение аэродинамического качества у модели крыла формы «полумесяца» с законцовками и аэродинамическими гребнями, что связано с уменьшением интенсивности вихревых жгутов, т.е. с уменьшением индуктивного сопротивления.

В работе была изучена зависимость аэродинамических характеристик только от геометрической формы крыла и угла атаки, но они также еще зависят от площади и профиля крыла, скорости потока воздуха и еще от ряда других факторов.

Для точности эксперимента надо соблюдать следующие условия: поток воздуха из аэродинамической трубы должен быть постоянным; ось аэродинамической трубы должна быть совмещена с осью модели крыла; расстояние от конца трубы до места крепления крыла должно быть одинаковым во всех экспериментах.

Вывод

индуктивный сопротивление самолет крыло

В ходе исследования, были изучены аэродинамические характеристики моделей крыльев самолета разной формы, а также зависимость этих характеристик от угла атаки.

После анализа полученных данных, сделан вывод о том, что модель крыла эллипсовидной формы обладает лучшими аэродинамическими характеристиками. Несмотря на сложность конструкции этого типа крыла, оно обладает самым высоким аэродинамическим качеством, минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе. Предложенные в качестве эксперимента модели крыльев формы «полумесяца» и формы «крыло птицы чайки» обладают также неплохими аэродинамическими характеристиками.

Применение законцовок и аэродинамических гребней у модели крыла формы «полумесяца» привело к уменьшению коэффициента лобового сопротивления с ростом угла атаки за счет уменьшения его составляющей индуктивного сопротивления и к увеличению аэродинамического качества этой модели крыла (К=9,8), что составляет примерно 11% от предыдущего. Модель с такой формой крыла будет иметь достаточно большую скорость и меньший расход топлива.

В ходе работы была подтверждена гипотеза: аэродинамические характеристики модели крыла зависят от геометрической формы крыла.

Цели и задачи, поставленные в данной работе, выполнены.

В результате исследовательской работы я узнал, какие бывают аэродинамические характеристики и как они зависят от геометрической формы модели крыла. Также я выяснил, как проводят испытания моделей крыльев самолетов в аэродинамических трубах. Было довольно сложно сделать аэродинамическую трубу, с необходимыми для испытаний параметрами. Также не просто было изготовить и модели крыльев самолета разной формы. Меня удивило, что, несмотря на малый размер моделей крыла, полученные результаты, совпадают с теоретическими результатами, описанными в научной литературе. Использовав компьютерную программу «Виртуальная аэродинамическая труба» и изучив, как влияет изменение законцовок и аэродинамических гребней на поток обтекания крыла я подобрал форму законцовок крыла, что привело к улучшению аэродинамических характеристик сконструированной мной модели крыла. Мне захотелось продолжить изучение аэродинамических характеристик и выявить их зависимость от других факторов.

Список литературы

1. Ефимов В.В. Ефимова М.Г. Основы авиации. Часть I Основы аэродинамики полета летательных аппаратов: Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2012 - 64 с.

2. Коврижных Е.Н. Мирошин А.Н. Стариков Ю.Н. Ушаков Н.У. Аэродинамика: методические указания по выполнению лабораторных работ. - Ульяновск: УВАУГА, 2005 - 55 с.

3. Стариков Ю.Н. Коврижных Е.Н. Основы аэродинамики летательных аппаратов. Учебное пособие. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2004. - 151 с.

Размещено на Allbest.ru