Ламинаризация пограничных слоёв при сверхзвуковых режимах обтекания (этап 1, промежуточный)

Одним из основных способов повышения эффективности летательных аппаратов (ЛА) является снижение аэродинамического сопротивления за счёт уменьшения поверхностного трения. Для этого разрабатываются и применяются различные системы ламинаризации обтекания элементов ЛА. Первая группа задач проекта посвящена разработке пассивного метода ламинаризации сверхзвукового пристенного течения с помощью волнообразного профилирования обтекаемой поверхности в рамках предложенной авторами проекта концепции. В рамках задач второй группы изучается активный метод ламинаризации с помощью отсоса газа с поверхности. Первый этап проекта направлен на проведение подготовительной работы к предстоящим расчётам, а также на разработку необходимых программных модулей. В рамках группы задач по изучению подавления неустойчивых возмущений в сверхзвуковом пограничном слое с помощью профилирования поверхности на первом этапе был проведён цикл параметрических расчётов в двухмерной постановке обтекания пластины с волнообразным участком синусоидальной формы различных размеров. Рассмотрено 16 вариантов с числом углублений от 3 до 21. В качестве основного был выбран режим обтекания, соответствующий экспериментам в ударной аэродинамической трубе при числе Маха М = 6. Моделирование стационарного обтекания волнообразных пластин показало, что коэффициент аэродинамического сопротивления зависит от количества углублений и падает с их увеличением. В результате расчётов по распространению искусственных возмущений получены двухмерные поля пульсаций в различные моменты времени. Показано, что волнообразная поверхность уменьшает амплитуды возмущений до 45%, но зависимость от числа углублений оказывается существенно немонотонной. Проведено моделирование трёхмерного стационарного обтекания характерной волнообразной поверхности, содержащей 21 углубление. Построена подробная пространственная структурированная многоблочная сетка, содержащая 120 миллионов ячеек.В результате моделирования получено поле пространственного стационарного ламинарного обтекания пластины, которое является основой для исследования устойчивости на последующих этапах проекта. Выполнен анализ устойчивости пристенного течения над волнообразной пластиной в рамках линейной теории устойчивости для сжимаемых пограничных слоёв. Использован авторский код анализа устойчивости из состава пакета HSFlow. Показано, что наиболее неустойчивая волна второй моды в случае плоской пластины сохраняет характеристики на горбах и сильно стабилизируется во впадинах. В рамках группы задач по изучению стабилизации сверхзвукового пограничного слоя с помощью отсоса газа на первом этапе было выполнено моделирование течения газа внутри и в окрестности единичного цилиндрического канала, через который с различной интенсивностью отсасывается газ из пограничного слоя. Рассмотрено обтекание плоской пластины на режиме, соответствующем лётным экспериментам по системе ламинаризации на самолёте F-16XL-2 на высоте 15 км при числе Маха M = 2. Единичный канал был размещён при x = 0,2 м и выбран диаметр D = 0,47 мм, соответствующий толщине вытеснения пограничного слоя в этом месте. Рассмотрены уровни отсоса с массовым расходом 2 и 5% от набегающего потока. В результате численного моделирования получено, что толщина пограничного слоя около отверстия действительно уменьшается с отсосом, но на границе отверстия формируется скачок уплотнения, который тем сильнее, чем больше интенсивность отсоса. Разработана модель отсоса газа через отверстие на основе интерполяции профилей, полученных при прямом моделировании течения в окрестности канала. Модель была реализована в виде модуля граничного условия для авторского кода HSFlow, и с его помощью проведены расчёты обтекания единичного канала отсоса. Показано, что разработанное граничное условие хорошо имитирует отсос.Выполнено численное моделирование ламинарного сверхзвукового обтекания плоской пластины при наличии равномерного распределённого отсоса, который имитирует осреднённый отсос через ряд отверстий. Рассматривалась пластина длины 1,7 м при обтекании при М = 2 с различными фиксированными значениями коэффициента отсоса Cq = m(x)*sqrt(2*Re_x), где m(x) - массовый расход, нормированный на таковой в набегающем потоке. Выполнен расчёт стационарного обтекания пластины при отсосе с поверхности с коэффициентами Cq = 0,2 и Cq = 0,4. Получены поля обтекания и профили пограничного слоя. Выполнен анализ устойчивости пристенного течения над пластиной с распределённым отсосом в рамках линейной теории устойчивости для сжимаемых пограничных слоёв с помощью кода устойчивости из авторского пакета HSFlow. Получены спектры собственных волновых чисел, выявлена наиболее характерная неустойчивость в виде наклонной волны первой моды, рассчитаны инкременты роста. Показано, что отсос при постоянном значении коэффициента Cq приводит к равномерному уменьшению N-факторов и должен затягивать ЛТП.