Решение задач внешнего обтекания тел различной формы

Цель работы

Исследовать обтекание тел различной формы, но с одинаковым миделевым сечением. Построить картины обтекания и определить величины сил, действующих на тела. Выяснить, как форма тела влияет на величину силы сопротивления. Для исследования взять 5 тел: пластину, шар, пластину с хвостовым обтекателем, пластину с носовым обтекателем и каплевидное тело.

КраТкая теория

Сумма всех сил (сил давления и сил трения), возникающих при обтекании тела, называется полной аэродинамической силой R_a.

Точка приложения полной аэродинамической силы R_a называется центром давления (ц. д.).

Часть полной аэродинамической силы, перпендикулярная к направлению полета (н. п.), является подъемной силой Y_a.

Часть полной аэродинамической силы X_a, параллельная вектору скорости набегающего потока, является силой лобового сопротивления.

На аэродинамические силы влияют различные факторы:

• шероховатость обтекаемого тела;

• форма обтекаемого тела;

• площадь миделя;

• положение обтекаемого тела относительно набегающего потока.

В данной работе рассматривается влияние на аэродинамические силы только одного фактора, а именно формы обтекаемого тела.

Согласно [1], если принять за единицу полную аэродинамическую силу R_a(а) (в данном примере полная аэродинамическая сила ‒ это, естественно, сила лобового сопротивления) пластинки, установленной в потоке (а), то для той же пластинки с носовым обтекателем (б) R_a(б) ≈ 0,25 R_a(a), т.к. носовой обтекатель обеспечивает постепенную деформацию струй в процессе обтекания.

а) б) в) г)

Для пластинки с хвостовым обтекателем (в) R_a(в) ≈ 0,75 R_a(a), так как хвостовой обтекатель способствует плавному расширению потока, завихренная спутная струя становится меньше. Для удобообтекаемого (каплевидного, веретенообразного) тела (г), образованного установкой на пластинку носового и хвостового обтекателей R_a(г) ≈ 0,05 R_a(a).

Порядок выполнения работы

1. Создаются в SW твердотельные модели пяти разных по форме тел, но с одинаковой площадью миделевого сечения.

Создаются следующие тела:

• круглая пластинка

• шар

• пластинка с носовым обтекателем

• пластинка с хвостовым обтекателем

• каплевидное тело

Миделевое сечение у всех тел – это круг диаметром 100 мм.

2. Выполняется обдувка тел в модуле Flow Simulation:

Как и в предыдущей работе сначала с помощью мастера проекта задаются общие параметры, такие как тип задачи (внешняя без учета замкнутых полостей), тип текучей среды (воздух, ламинарное и турбулентное течение), скорость в направлении оси Z V_Z = –100 м/с. Остальные параметры оставляем по умолчанию.

Граничные условия задавать не надо.

Цели расчета: Поверхностная. В качестве поверхности указываем направленную к потоку поверхность тела. В таблице «Параметры» ставим галочку в строке «Сила давления Z».

Запуск расчета. Процесс расчета можно приостановить, чтобы понаблюдать за сходимостью решения.

3. Анализ полученных результатов:

Для всех тел строятся:

• картины в сечениях для правой плоскости:

• картины на поверхности, показывающие распределение давления:

• траектории потока, которые сохраняются как видеоролики.

В заключение, определяется, как поверхностный параметр, полная аэродинамическая сила, действующая на каждое тело, а также ее составляющие по координатным осям.

Сила лобового сопротивления, действующая на тело, сравнивается с теоретическими данными. При этом сила сопротивления круглой пластины принимается за единицу.

Объяснить получающиеся расхождения с теорией.

Контрольные вопросы

1. Что такое полная аэродинамическая сила?

2. Что такое центр давления?

3. Какие составляющие есть у полной аэродинамической силы?

4. Какие факторы влияют на аэродинамические силы?

5. Как влияют носовые и хвостовые обтекатели на лобовое сопротивление?

6. Почему каплевидное тело обладает наименьшим сопротивлением?

Самостоятельная работа №4