Особенности обтекания разрезного крыла

Воздействие отклонения механизации на аэродинамические характеристики и в первую очередь на подъемную силу связано с увеличением кривизны профиля. Даже в простейшем случае при отклонении щитка, расположенного у задней кромки профиля, происходит как бы увеличение кривизны хвостового участка профиля. При этом возрастает давление вдоль нижнего контура профиля (перед щитком) и увеличение разрежения вдоль верхнего контура профиля. Последнее обстоятельство связано с возникновением пониженного давления в области между отклоненным щитком и не отклоненной частью профиля, которое передается на верхнюю часть контура профиля. Распределение давления по профилю с отклоненным щитком и щелевым закрылком иллюстрируется на следующей схеме:



Если рассматривать эпюры давления на заданном угле атаки, то оказывается, что кривые распределения давления по верхней поверхности профиля с механизацией располагаются так же и имеют тот же характер, что и кривые для профиля без механизации. При этом величина сдвига кривых вверх зависит от вида механизации, расположенной на задней кромке, и соответствующего угла ее отклонения. Это означает, что виды механизации, расположенные на задней кромке, увеличивают скорость обтекания не по части контура профиля, а на всем его протяжении. Скорость по нижней поверхности при этом подтормаживается, что приводит к увеличению давления, нарастающего по мере приближения к задней кромке.

Более сложным случаем обтекания профиля с механизацией является так называемое разрезное крыло, представляющее собой профиль с отклоненным предкрылком и закрылком (или системой закрылков). В этом случае происходит усложнение не только картины обтекания по сравнению с предыдущими случаями, но и возникает более существенное влияние вязкости как на характер обтекания, так и на суммарные аэродинамические характеристики.

На следующей схеме приведена схема обтекания разрезного крыла и наивысшие результаты, полученные из экспериментальных исследований профиля с предкрылком и различными комбинациями закрылков.



Из приведенных зависимостей видно, что разрезное крыло может обеспечивать получение весьма высоких значений подъемной силы. Однако оптимальные ее значения могут существенно зависеть от взаимодействия отдельных частей. Оптимизация разрезного крыла даже в простейшем случае (предкрылок и однощелевой закрылок) представляет большие трудности из-за большого количества независимых геометрических параметров (форма предкрылка и закрылка, размеры по отношению к основной части крыла, формы и размеры щелей, углы отклонения и расположение относительно основной части профиля). В случае закрылка, состоящего из ряда независимо отклоняющихся частей, количество взаимосвязанных параметров существенно возрастает. В этих условиях не представляется возможности в экспериментальных программах исследований достичь оптимизации в пределах допустимого времени. Поэтому весьма желательно привлечение расчетных методов, учитывающих влияние вязкости при взаимодействии отдельных частей разрезного крыла.

Как видно из следующей схемы



наличие выдвинутого предкрылка способствует затягиванию отрыва с передней части профиля до больших углов атаки, не влияя при этом на возможный отрыв в задней части профиля. Наличие щели между предкрылком и основной частью профиля размером в 1 % хорды профиля и образование струи воздуха, омывающей верхний контур профиля, способствует затягиванию срыва как на передней части профиля (сс^р увеличивается), так и на его задней части (увеличение С_{уа шах})- Дальнейшее увеличение ширины щели по-видимому не оказывает влияния на отрыв в области передней части профиля (та^р практически не увеличивается), но влияет на отрыв в области задней части профиля (сватах продолжает возрастать).

При этом ширина щели в 2 % оказывается близкой к оптимальной для случая закрылка, отклоненного на 45°. Из следующей схемы



Влияние ширины щели между предкрылком и основной частью профиля (при заданном угле его отклонения) на величину C_yamax

видно, что оптимальная (в отношении увеличения Cymax) ширина щели связана с величиной угла отклонения предкрылка *. Ее оптимальный размер уменьшается по мере увеличения угла отклонения предкрылка. Это, по-видимому, обусловлено уменьшением ширины вязкого следа за предкрылком (по сравнению с толщиной пограничного слоя на основной части профиля) и сохранением достаточной ширины струи, омывающей верхний контур профиля.

Влияние ширины щели между предкрылком и основной частью профиля на величину коэффициента подъемной силы при к = 0 (когда на профиле отсутствуют области отрыва) оказывается существенно меньшим, чем в предыдущем случае. Этот факт свидетельствует о том, что влияние ширины щели связано с вязкой, а не с потенциальной частью потока, протекающего через щель.

Эксперименты показывают, что изменение ширины щели не только перераспределяет давление, но и изменяет условия взаимодействия между вязкими слоями предкрылка и основной части профиля, что совместно оказывает влияние на условия обтекания закрылка. При малой ширине щели вязкий след от предкрылка смыкается с пограничным слоем основной части профиля и воздух, протекающий через щель, оказывается значительно подторможенным по сравнению со скоростью потенциального течения.

На следующей схеме



Профили скоростей пограничного слоя и толщина вытеснения вдоль верхней поверхности профиля при ширине щели между предкрылком и основной частью профиля в 0,85 и 2,5 % (6g — толщина вытеснения в следе от предкрылка; 6^— толщина вытеснения пограничного слоя на профиле):



приведены профили скорости в пограничном слое и толщина вытеснения вязкого следа за предкрылком и пограничного слоя на основной части профиля в различных его участках для ширины щели предкрылка 0,85 и 2,5 %. При малой ширине щели (0,85 %) вязкий след от предкрылка за точкой 4 сливается с пограничным слоем основной части профиля. При оптимальной ширине щели (2,5 %) характер течения оказывается иным, при котором вязкий слой от предкрылка практически не смыкается с пограничным слоем на основной части профиля.

Угол отклонения предкрылка б_пр обычно измеряется между его прижатым (к основной части профиля) и отклоненным состоянием.

Полная толщина вытеснения в сечении 2 оказывается одинаковой для этих двух случаев. Но на участке между сечениями 2 и 4 большая толщина вытеснения соответствует большой щели (2,5 %), что связано с различиями в распределении давления



и соответствующими градиентами давления вдоль поверхности основной части профиля. На дальнейших участках при малой ширине щели (0,85 %) происходит взаимодействие между слоями, в результате которого общая толщина вытеснения становится существенно большей по сравнению со случаем оптимальной ширины щели (2,5 %), что, естественно, приводит к различиям в течениях в области задней кромки основной части профиля.

На следующей схеме



приведены профили скоростей на концевом участке верхней поверхности основной части профиля и верхней поверхности закрылка для малой (0,85 %) и оптимальной (2,5 %) ширины щели предкрылка. Из сравнения видно, что при оптимальной ширине щели происходит более эффективное обтекание закрылка, в результате чего возникает более благоприятное распределение давления по его верхней поверхности.

Изменение щели у предкрылка не только влияет на распределение давления по основной части профиля и закрылку, но и на распределение давления по самому предкрылку.

Это является следствием взаимодействия вязких слоев на отдельных элементах разрезного крыла. Оптимальный размер щели у предкрылка соответствует такому взаимодействию между вязкими слоями, при котором между ними сохраняется ядро потенциального течения, обеспечивающее благоприятный градиент давления, предохраняющий последующие элементы разрезного крыла от возможного отрыва потока на них.

Оптимальная ширина щели между закрылком и основной частью профиля, а также ширина щелей у дополнительных закрылков также связана с взаимодействием вязких слоев, сходящих с впереди расположенных частей разрезного крыла.

по материалам: К Петров "Аэродинамика элементов ЛА" Машиностроение 1985