Исследование численных подходов к моделированию крупномасштабных турбулентных вихревых течений на режиме вертикального взлета и посадки летательного аппарата

Предмет исследования. Рассмотрена задача работы беспилотного летательного аппарата в режиме зависания над плоской посадочной платформой. В качестве силовой установки использованы винто-кольцевые движители, которые представляют собой систему из воздушного винта, вращающегося внутри воздушного кольца. Воздушное кольцо является телом вращения с аэродинамическим профилем в сечении. В работе исследован эффект нестационарного взаимодействия вихревых потоков с конструкцией летательного аппарата двумя альтернативными численными методами, один из которых — вихреразрешающий. Метод. Выполнены численные расчеты с использованием традиционного подхода моделирования турбулентности на основе осредненных уравнений Навье-Стокса (RANS, Reynolds Averaged Navier-Stokes), где турбулентность принимается изотропной, и вихреразрешающего метода крупных вихрей. Главная особенность метода крупных вихрей в том, что при его реализации турбулентный поток представляется как наложение движения крупно- и мелкомасштабной турбулентностей. После дискретизации потока при помощи операции фильтрации, крупномасштабная турбулентность, зависящая напрямую от граничных условий, решается в рамках полных уравнений Навье-Стокса. Мелкомасштабная турбулентность имеет изотропные свойства и моделируется подобно полуэмпирическим RANS-методам. Методика позволяет точно рассчитать вихревую структуру любого течения напрямую из уравнений движения с использованием относительно малых вычислительных мощностей, в отличие от моделей RANS, которые моделируют течение по упрощенной математической модели и могут обеспечить удовлетворительную точность только для ограниченного круга задач. Основные результаты. Полученные результаты указывают на то, что вихреразрешающие методы моделирования турбулентности, в отличие от методов, основанных на осредненных уравнениях Навье-Стокса, позволяют оценить влияние апериодических возмущений на конструкцию летательных аппаратов, возникающих в результате взаимодействия крупных вихрей между собой и с подстилающей поверхностью. Подобные явления сопровождаются боковыми воздействиями ударного характера на кольца винто-кольцевых движителей, что может привести к потери устойчивости летательных аппаратов. Практическая значимость. Применение воздушного кольца в условиях малой поступи воздушного винта позволяет существенно увеличить расход воздуха, проходящего через контур вращения винта, увеличить тягу за счет создания циркуляции потока вокруг аэродинамического профиля кольца и уменьшить мощность на воздушном винте. Несмотря на то, что эффект от использования воздушного кольца исчезает при большом набегающем потоке, данная конструкция считается весьма перспективной для применения на летательных аппаратах с вертикальным взлетом и посадкой. Данный режим работы является наиболее энергозатратным и обуславливает наибольшие требования к подъемной силе силовой установки. Результаты настоящей работы продемонстрировали, что численные методы, основанные на осреднении уравнений Навье-Стокса и применении классических моделей турбулентности типа k–ω или k–ε, повсеместно применяемые при численном моделировании винтов, на взлетно-посадочных режимах не позволяют выявлять апериодические нестационарные явления, связанные со взаимодействием крупных вихрей, в отличие от вихреразрешающих методов моделирования турбулентности.

1. Шайдаков В.И. Влияние близости земли на аэродинамические характеристики летательного аппарата с несущей системой «винт в кольце» // Труды МАИ. 2011. № 49. С. 24 [Электронный ресурс]. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=26562, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 23.03.2021).

2. Мойзых Е.И., Завалов О.А., Кузнецов А.В. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик дистанционно-пилотируемого летательного аппарата с несущей системой «винт в кольце» // Труды МАИ. 2012. № 50. С. 11 [Электронный ресурс]. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=26557, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 23.03.2021).

3. Остроухов С.П. Аэродинамика воздушных винтов и винтокольцевых движителей. М.: Физматлит, 2014. 328 с.

4. Zhang T., Barakos G.N. Review on ducted fans for compound rotorcraft // Aeronautical Journal. 2020. V. 124. N 1277. P. 941–974. doi: 10.1017/aer.2019.164

5. Курочкин Ф.П. Проектирование и конструирование самолетов с вертикальным взлетом и посадкой. М.: Машиностроение, 1977. 224 с.

6. Обуховский А.Д. Аэродинамика воздушного винта: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. 80 с.

7. Mi B. Numerical investigation on aerodynamic performance of a ducted fan under interferences from the ground, static water and dynamic waves // Aerospace Science and Technology. 2020. V. 100. P. 105821. doi: 10.1016/j.ast.2020.105821

8. Deng S., Wang S., Zhang Z. Aerodynamic performance assessment of a ducted fan UAV for VTOL applications // Aerospace Science and Technology. 2020. V. 103. P. 105895. doi: 10.1016/j.ast.2020.105895

9. Диизи Ф., Баракос Дж., Кусюмов А.Н., Кусюмов С.А., Михайлов С.А. DES-моделирование обтекания несущего винта вертолета // Известия вузов. Авиационная техника. 2018. № 1. С. 40–46.

10. Кузьмина К.С., Марчевский И.К., Морева В.С., Рятина Е.П. Расчетная схема вихревых методов второго порядка точности для моделирования обтекания профилей несжимаемым потоком // Известия вузов. Авиационная техника. 2017. № 3. С. 73–80. 

11. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974. 278 с.

12. Волков К.Н., Емельянов В.Н., Зазимко В.А. Турбулентные струи – статические модели и моделирование крупных вихрей. М.: Физматлит, 2013. 360 с.

13. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 368 с.

14. Volkov K. Numerical analysis of Navier-Stokes equations on unstructured meshes // Handbook on Navier-Stokes Equations: Theory and Analysis. Nova Science Publ., 2016. P. 365–442.

15. Volkov K. Multigrid and preconditioning techniques in CFD applications // CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications. Springer, 2018. P. 83–149. doi: 10.1007/978-3-319-70945-1_6

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License