Определение подъёмной силы крыла путём оптического измерения поля скоростей в концевом вихре Прандтля

Автор: Андрей Владимирович Катунин

Соавторы: Айрапетов А.Б., Стрекалов В.В.

Организация: ФАУ "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ " ЦАГИ")

Определение подъёмной силы крыла путём оптического измерения поля скоростей в концевом вихре Прандтля

 

Традиционным путем экспериментального получения аэродинамических характеристик в аэродинамической трубе любых объектов, обтекаемых потоком, является применение весовых приборов различного типа. Вместе с тем в случае крыла существует феноменологическая возможность получения величины подъемной силы, обусловленная однозначным ее соответствием циркуляции концевого вихря Прандтля, которая определяется как интеграл от скорости в поперечном сечении вихря по замкнутому контуру, охватывающему ось вихря. Однако сложность применения традиционных измерительных технологий (аэро-, термоанемометрия) для такого течения практически исключает реализацию концепции настоящей работы. 

Вместе с тем применение оптических методов для этой цели представляется вполне реальным. Так в настоящей работе была применена технология ВВИС ЦАГИ – визуализационно-видеографический способ измерения скорости, - состоящая в покадровой расшифровке скоростной  видеофиксации течения, засеянного микрочастицами в постоянном лазерном освещении [1]. В качестве объекта исследования было избрано прямоугольное крыло (хорда b=240 мм, размах 1200 мм, l=5) с профилем CLARK-YН12. 

Испытательным стендом являлся ГСС – гидростенд скоростной необращенного движения (в варианте с ²сухим дном²). На этом стенде модель размещается на подвижной тележке с устройством изменения угла атаки модели a (скорость V – до 30 м/с) и движется внутри прямолинейного канала 2х2х60 м. В контрольном участке канала размещается мобильный комплекс 2D-ВВИС ЦАГИ, осуществляющий скоростную видеосъемку течения в любом избранном поперечном сечении вихря, экспонирующимся по мере пролета крыла. 

Пример обработки видеокартины течения (V=7 м/с, a=50) на окружностях радиуса R=60, 45 и 32 мм демонстрирует величины азимутальных скоростей vq =1.0, 1.46 и 2.14, что соответствует, принимая во внимание очевидное соотношение

 

Cy=4 p R vq / b V  ,

 

величинам Cy = 0.46, 0.49 и 0.51 или Cy=0,48 в среднем. Канонизированные экспериментальные данные ЦАГИ (²Атлас аэродинамических характеристик профилей крыльев²) для прямого крыла l = 5 с профилями CLARK-YН11 и YН14 при a = 50 составляют Cy = 0.45 и 0.5, что можно квалифицировать как практическое совпадение с полученной величиной. Подобная ситуация соответствует и зависимости Cy(a) в диапазоне углов атаки безотрывного обтекания. Помимо этих данных методика наглядно демонстрирует структуру течения в вихре с четко обозначенным ядром твердотельного вращения около оси и азимутальной неустойчивостью границы вихря в виде нелинейных волн.  

Подобный подход может оказаться эффективным в случае невозможности осуществления контактных способов измерения нагрузок.

  

1. Айрапетов А.Б., Катунин А.В., Стрекалов В.В. Измерение скоростей потока за плохообтекаемым телом визуализационно-видеографическим методом// Тезисы XXVI научно-технической конференции по аэродинамике. 2015 г.