Экспериментальное исследование концевых вихрей за крылом конечного размаха


Авторы

Степанов Р. П.1*, Кусюмов А. Н.1**, Михайлов С. А.1***, Тарасов Н. Н.2****

1. Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ, ул. Карла Маркса, 10, Казань, 420111, Россия
2. Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), ул. Жуковского, 1, Жуковский, Московская область, 140180, Россия

*e-mail: robert_stepanov@inbox.ru
**e-mail: postbox7@mail.ru
***e-mail: michailov@kai.ru
****e-mail: Sergey.Mikhaylov@kai.ru

Аннотация

Представлены результаты экспериментального исследования концевых вихрей за прямоугольным крылом конечного размаха в ближнем поле (на расстоянии от 0,5 до 4,2 хорд крыла от задней кромки). В экспериментах использовалось прямоугольное крыло с относительным удлинением 7,8 и модифицированным профилем Göttingen 387. Число Рейнольдса соответствовало Re=350000 для скорости набегающего потока 28 м/с. Концевые вихри исследовались в диапазоне углов атаки от −6⁰ до 18⁰. Эксперименты проводились в аэродинамической трубе Т-1К КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева. Исследование концевых вихрей велось по полям скоростей, полученным при помощи PIV-системы. Идентификации параметров ядра вихря проводилась с применением методов поперечных линий и Q-критерия, которые показали хорошее согласие. Представлены зависимости изменения размеров ядра вихря и циркуляции от угла атаки и расстояния до сечения вихря. Показано, что размеры ядра вихря растут с удалением от крыла и при увеличении углов атаки крыла. Построены зависимости изменения площади ядра вихря от значения . Установлено, что при больших углах атаки сворачивание жгута концевого вихря происходит на меньших дистанциях, чем при малых углах атаки. Показано, что максимальное значение относительной циркуляции является величиной практически постоянной и не зависит от значения угла атаки.

Ключевые слова

концевые вихри, ближнее поле, крыло конечного размаха

Библиографический список

  1. Гиневский А.С., Желанников А.И. Вихревые следы самолетов. — М.: Физматлит, 2008. — 172 с.

  2. Heyes A.L., Smith D.A.R. Modification of a wing tip vortex by vortex generators // Aerospace Science and Technology, 2005, vol. 9, no. 6, pp. 469 — 475. DOI: 10.1016/j.ast.2005.04.003

  3. Головкин М.А., Головкина Е.В. Визуализация структур течения в окрестности моделей летательных аппаратов в гидродинамической трубе малых скоростей (самолетные аэродинамические компоновки) // Труды МАИ. 2016. № 90. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=74692

  4. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета и вопросы безопасности полетов // Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № 3. С. 73 — 93.

  5. Гайфуллин А.М., Свириденко Ю.Н. Вихревой след за пассажирским самолетом // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Механика жидкости и газа. 2011. № 4(3). С. 697 — 699.

  6. Holzäpfel F., Kladetzke J. Assessment of Wake-Vortex Encounter Probabilities for Crosswind Departure Scenarios // Journal of Aircraft, 2011, vol. 48, pp. 812 — 822. DOI: 10.2514/1.C000236.

  7. Зудов К.А., Кудров М.А., Малюткина К.И., Харчилава Ю.Э. Оценка влияния ветровых вихревых структур, возникающих при обтекании горного рельефа, на самолет, заходящий на посадку // Труды МАИ. 2016. № 88. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=70423

  8. Шаров В.Д. Сравнительная оценка безопасности посадки самолета Ан-124-100 в двух посадочных конфигурациях // Труды МАИ. 2012. № 58. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=33287

  9. Hallock J.N., Greene G.C., Burnham D.C. Wake Vortex Research-A Retrospective Look // Air Traffic Control Quarterly, 1998, vol. 6, pp. 161 — 178. DOI: 10.2514/atcq.6.3.161.

  10. Gerz T., Holzäpfel F., Darracq D. Commercial aircraft wake vortices // Progress in Aerospace Sciences, 2002, vol. 38, no. 3, pp. 181 — 208. DOI: 10.1016/S0376-0421(02)00004-0.

  11. Hallock J.N., Holzäpfel F. A review of recent wake vortex research for increasing airport capacity // Progress in Aerospace Sciences, 2018, vol. 98, pp. 27 — 36. DOI: 10.1016/j.paerosci.2018.03.003.

  12. Rossow V.J. Lift-generated vortex wakes of subsonic transport aircraft // Progress in Aerospace Sciences, 1999, vol. 35, no. 6, pp. 507 — 660. DOI: 10.1016/S0376-0421(99)00006-8.

  13. Sun R., Daichin. Experimental investigation on tip vortices and aerodynamics // Theoretical and Applied Mechanics Letters, 2011, vol. 1, no. 3, pp. 032001-1—032001-6. DOI: 10.1063/2.1103201

  14. Ahmadi-Baloutaki M., Carriveau R., Ting D.S.-K. An experimental study on the interaction between free-stream turbulence and a wing-tip vortex in the near-field // Aerospace Science and Technology, 2015, vol. 43, pp. 395 — 405. DOI: 10.1016/j.ast.2015.03.021.

  15. Spalart P.R. Airplane trailing vortices // Annual Review of Fluid Mechanics, 1998, vol. 30, pp. 107 — 138. DOI: 10.1146/annurev.fluid.30.1.107.

  16. Rossow V. Lift-Generated Vortex Wake of Subsonic Transport Aircraft // Progress in Aerospace Sciences, 1999, vol. 35, no. 6, pp. 507 — 660. DOI:10.1016/S0376-0421(99)00006-8.

  17. Green S., and Acosta A. Unsteady Flow in Trailing Vortices // Journal of Fluid Mechanics, 1991, vol. 227, pp. 107 — 134. DOI:10.1017/S0022112091000058.

  18. Phillips W., Graham J. Reynolds-Stress Measurements in a Turbulent Trailing Vortex // Journal of Fluid Mechanics, 1984, vol. 147, pp. 353 — 371. DOI:10.1017/S0022112084002123.

  19. Zilliac G.G., Chow J.S., Dacles-Mariani J., and Bradshaw P. Turbulent Structure of a Wingtip Vortex in the Near Field // AIAA 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics and Lasers Conference, 6-9 July 1993, AIAA Paper 1993-3011, 1993. DOI: 10.2514/6.1993-3011.

  20. Dacles-Mariani J., Zilliac G., Chow J., Bradshaw P. Numerical/Experimental Study of a Wingtip Vortex in the Near Field // AIAA Journal, 1995, vol. 33, no. 9, pp. 1561 — 1568. DOI: 10.2514/3.12826.

  21. Chow J.S., Zilliac G.G., and Bradshaw P. Mean and Turbulence Measurements in the Near Field of a Wingtip Vortex // AIAA Journal, 1997, vol. 35, no. 10, pp. 1561 — 1567. DOI: 10.2514/2.1.

  22. Lee T., Pereira J. Nature of Wakelike and Jetlike Axial Tip Vortex Flows // Journal of Aircraft, 2010, vol. 47, no. 6, pp. 1946–1954. DOI:10.2514/1.C000225.

  23. Giuni M., Green R.B. Vortex Formation on Squared and Rounded Tip // Aerospace Sciences and Technology, 2013, vol. 29, no. 1, pp. 191 — 199. DOI: 10.1016/j.ast.2013.03.004.

  24. Chernyshev S.L., Gaifullin A.M., Sviridenko Yu.N. Civil aircraft vortex wake. TsAGI׳s research activities // Progress in Aerospace Sciences, 2014, vol.71, pp. 150 — 166. DOI: 10.1016/j.paerosci.2014.06.004.

  25. Вышинский В.В., Замятин А.Н., Судаков Г.Г. Теоретическое и экспериментальное исследование эволюции вихревого следа за самолётом, летящим в пограничном слое атмосферы // Техника воздушного флота. 2006. № 3-4. С. 25 — 38.

  26. Tombach I. Observations of Atmospheric Effects on Vortex Wake Behavior // Journal of Aircraft, 1973, vol. 10, pp. 641 — 647. DOI: 10.2514/3.60276.

  27. Hecht A.M., Bilanin A.J., Hirsh J.E. Turbulent Trailing Vortices in Stratified Fluids // AIAA Journal, 1981, vol. 19, pp. 691 — 698. DOI: 10.2514/3.50992.

  28. Sarpkaya T. Trailing Vortices in Homogeneous and Density-Stratified Media // Journal of Fluid Mechanics, 1983, vol. 136, pp. 85 — 109. DOI: 10.1017/S0022112083002074.

  29. Sarpkaya T., Daly J.J. Effect of Ambient Turbulence on Trailing Vortices // Journal of Aircraft, 1987, vol. 24, pp. 399 — 404. DOI: 10.2514/3.45459.

  30. Liu H. -T. Effects of Ambient Turbulence on the Decay of a Trailing Vortex Wake // Journal of Aircraft, 1992, vol. 29, pp. 255 — 263. DOI: 10.2514/3.46153.

  31. Robins R.E., Delisi D.P. Numerical Study of Vertical Shear and Stratification Effects on the Evolution of a Vortex Pair // AIAA Journal, 1990, vol. 28, no. 4, pp. 661. DOI: 10.2514/3.10444.

  32. Proctor F.H. Numerical Simulation of Wake Vortices Measured During the Idaho Fall and Memphis Field Programs // 14th Applied Aerodynamics Conference, 17 — 20 June 1996, pp. 943. DOI: 10.2514/6.1996-2496.

  33. 33. Shaohua Shen, Feng Ding, Jongil Han, Yuh-Lang Lin, S. Pal Arya, F. H. Proctor, Numerical Modeling Studies of Wake Vortices: Real Case Sim ulations // 37th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, January 11-14, 1999, Reno, NV (AIAA 99-0755). DOI: 10.2514/6.1999-755.

  34. Жерехов В.В., Пахов В.В. Автоматизированный измерительный комплекс аэродинамической трубы Т-1к для определения интегральных аэродинамических коэффициентов // Материалы XI Международной Четаевской конференции, Казань, 2012. Т. 1. C. 161 — 168.

  35. Valiev M., Stepanov R., Salakhov V., Zherekhov V., Barakos G.N. Analytical and experimental study of the integral aerodynamic characteristics of low-speed wind turbines // Aeronautical Journal, 2014, vol. 118, pp. 1229 — 1224. DOI: 10.1017/S0001924000009957.

  36. Raffel M., Willert C.E., Wereley S.T., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide, 2nd edition, 2017. ISBN-10: 3642431666.

  37. Haller G. An objective definition of a vortex // Journal of Fluid Mechanics, 2005, vol. 525, pp. 1199 — 1207. DOI: 10.1017/S0022112004002526.

  38. Vollmers H. Detection of vortices and quantitative evaluation of their main parameters from experimental velocity data // Measurement Science and Technology, 2001, vol. 12, no. 8, pp. 1119 — 1207. DOI: 10.1088/0957-0233/12/8/329.

  39. Anderson J.D. Fundamentals of Aerodynamics, Boston, McGraw-Hill, 6th ed., 2001, 1106 p.

  40. Edstrand A., Davis T., Schmid P., Taira K., Cattafesta L. On the mechanism of trailing vortex wandering // Journal of Fluid Mechanics, 2016, vol. 801, R1. DOI:10.1017/jfm.2016.440.

  41. Jimenez-Garcia A., Barakos G.N. Numerical Simulations on the PSP Rotor Using HMB3 // AIAA Science and Technology Forum and Exposition (SciTech2018), Kissimmee, FL, USA, 8 — 12 Jan 2018. DOI:10.2514/6.2018-0306.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход