RU2015941C1

RU2015941C1 - Method to control boundary layer on aerodynamic surface of aircraft

Info

Publication number: RU2015941C1
Application number: SU5004219/23A
Authority: RU
Inventors: Л.Н. Щукин; А.П. Шибанов; И.Л. Щукин; В.Г. Карелин; А.И. Савицкий; А.М. Масс; Р.М. Пушкин; С.В. Фищенко
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Триумф"
Priority date: 1991-10-14
Filing date: 1991-10-14
Publication date: 1994-07-15

Abstract

FIELD: aviation. SUBSTANCE: method is based on formation of joining swirls in cells of rear part of the aerodynamic surface by suction of air from cavities of the cells. During suction process speed of air suction is steadily increasing till the instant of full connection of the boundary layer to the surface and formation of swirls in the cells. Then level of suction is decreased till its minimum, that still ensures continuous air flowing around the aerodynamic surface of the aircraft. To get additional decrease of power consumption the air, that is being sucked from the cells, is being formed in entire stream, using gradient of pressure, produced during process of air stream continuous flowing around the aerodynamic surface and sucking air in series from the cells by the stream with the help of ejection, beginning with the cells, that are maximum close to the rear. EFFECT: method is used to control boundary layer on aerodynamic surface of aircraft. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиации, а именно к способам управления пограничным слоем для изменения аэродинамических характеристик ЛА. The invention relates to aviation, and in particular to methods of controlling the boundary layer to change the aerodynamic characteristics of an aircraft.

При обтекании кормовых поверхностей, элементов конструкции самолетов и летательных аппаратов на этих поверхностях устанавливается положительный градиент давления в направлении обтекания. При определенных уровнях этого положительного градиента давления ввиду малости кинетической энергии потока вблизи поверхности поток не способен осуществлять движение против градиента давления и отрывается от поверхности. При отрыве от поверхности потока значительно возрастает аэродинамическое сопротивление обтекаемых потоком элементов конструкции, а у аэродинамически несущих поверхностей (крыльев, корпусов) снижается подъемная сила. When flowing around feed surfaces, structural elements of aircraft and aircraft, a positive pressure gradient is established on these surfaces in the direction of flow. At certain levels of this positive pressure gradient, due to the small kinetic energy of the flow near the surface, the flow is not able to move against the pressure gradient and is detached from the surface. When separated from the surface of the flow, the aerodynamic resistance of the structural elements streamlined by the flow increases significantly, and the aerodynamically bearing surfaces (wings, bodies) decrease the lifting force.

Для предотвращения отрыва потока и улучшения аэродинамических характеристик самолетов и летательных аппаратов пристеночные низкосортные слои потока отсасывают, повышая тем самым кинетическую энергию пристеночного потока и его способность преодолевать большие градиенты давления. In order to prevent separation of the flow and improve the aerodynamic characteristics of airplanes and aircraft, low-level wall layers of the flow are sucked off, thereby increasing the kinetic energy of the wall flow and its ability to overcome large pressure gradients.

Известен способ управления пограничным слоем, в котором отбор воздуха из пристеночной области осуществляется в нормальном к потоку направлении через выполненные на поверхности отверстия [1]. A known method of controlling the boundary layer, in which the selection of air from the wall region is carried out in the direction normal to the flow through the holes made on the surface [1].

Указанный способ имеет недостаток, заключающийся в его энергоемкости из-за необходимости отсасывать большие количества воздуха. The specified method has the disadvantage of its energy intensity due to the need to suck out large amounts of air.

Известен способ управления пограничным слоем на аэродинамической поверхности ЛА с помощью образованных в кормовой части поверхности вихревых ячеек, состоящий в отборе воздуха из их полостей [2]. There is a method of controlling the boundary layer on the aerodynamic surface of an aircraft using the vortex cells formed in the aft part of the surface, which consists in taking air from their cavities [2].

После присоединения пограничного слоя к поверхности ЛА в ячейках образуется вихревое движение (присоединенный вихрь), которое поддерживается за счет энергии внешнего потока и энергии источника отсоса. Такое взаимодействие потоков обеспечивает достижение высоких значений скоростей в поле течения вблизи обтекаемой поверхности, что позволяет преодолевать без отрыва большие положительные градиенты давления. After the boundary layer is attached to the surface of the aircraft, vortex motion (an attached vortex) is formed in the cells, which is supported by the energy of the external flow and the energy of the suction source. This interaction of flows ensures the achievement of high velocities in the flow field near the streamlined surface, which allows one to overcome large positive pressure gradients without separation.

Однако эффективность такого способа низка, так как система отсоса, реализующая способ, должна быть настроена на максимальные скорости ЛА для надежного присоединения пограничного слоя, что при малых скоростях приведет к большим энергозатратам. However, the effectiveness of this method is low, since the suction system that implements the method must be tuned to the maximum speed of the aircraft for reliable attachment of the boundary layer, which at low speeds will lead to high energy consumption.

Задача изобретения состоит в разработке такого способа управления пограничным слоем, реализация которого на требует больших энергозатрат для безотрывного обтекания поверхности. The objective of the invention is to develop such a method of controlling the boundary layer, the implementation of which does not require large energy costs for continuous flow around the surface.

Это достигается тем, что в известном способе управления пограничным слоем на аэродинамической поверхности ЛА, основанном на формировании присоединенных вихрей в ячейках, образованных в кормовой части поверхности, путем отбора воздуха из полостей ячеек, в процессе отсоса скорость отбора воздуха постепенно увеличивают до момента образования присоединенных вихрей, при котором достигается полное присоединение пограничного слоя к поверхности ЛА, после чего уровень отсоса уменьшают до минимального, при котором еще имеет место безотрывное обтекание поверхности летательного аппарата. This is achieved by the fact that in the known method of controlling the boundary layer on the aerodynamic surface of an aircraft, based on the formation of attached vortices in the cells formed in the aft part of the surface by taking air from the cavities of the cells, the suction rate is gradually increased during suction until the formation of attached vortices at which full attachment of the boundary layer to the surface of the aircraft is achieved, after which the suction level is reduced to the minimum, at which there is still a continuous flow around the surface of the aircraft.

Целесообразно отсос при минимальных скоростях осуществлять на режимах эжекционного отбора воздуха из ячеек, формируя для этого под воздействием установившегося во внешнем течении положительного градиента давления общий поток путем последовательного смешения эжектируемого воздуха из ячеек в направлении от кормовой к первой ячейке. It is advisable to carry out suction at minimum speeds at the modes of ejection air sampling from the cells, forming for this purpose, under the influence of a positive pressure gradient established in the external flow, the total flow by successive mixing of the ejected air from the cells in the direction from the feed to the first cell.

Желательно в процессе отсоса измерять давление в кормовой части летательного аппарата, а в качестве момента полного присоединения пограничного слоя к поверхности использовать момент достижения измеренным давлением максимальной величины. It is advisable to measure the pressure in the stern of the aircraft during the suction process, and use the moment when the measured pressure reaches its maximum value as the moment of complete attachment of the boundary layer to the surface.

Кроме того, возможно в качестве минимального уровня отсоса использовать значения скоростей отбора воздуха, при которых начинается снижение давления при снижении уровня отбора. In addition, it is possible to use the values of air sampling rates as the minimum level of suction, at which pressure begins to decrease with a decrease in the sampling level.

Уменьшение уровня отбора воздуха из ячеек после присоединения пограничного слоя позволяет снизить энергозатраты. Reducing the level of air sampling from the cells after joining the boundary layer can reduce energy consumption.

Формирование общего потока воздуха в направлении от кормовой ячейки к первой позволяет использовать установившийся при безотрывном обтекании градиент давления на поверхности. Поток воздуха, отсасываемого от кормовой ячейки, отбирает за счет эжекторного эффекта воздух из других ячеек, расположенных вверх по потоку от кормовой ячейки и имеющих более низкий уровень давления, чем в кормовой ячейке. The formation of the total air flow in the direction from the feed cell to the first allows the use of the surface pressure gradient established during continuous flow around. Due to the ejector effect, the flow of air drawn from the feed cell draws air from other cells located upstream of the feed cell and having a lower pressure level than in the feed cell.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображено течение в вихревой ячейке. The invention is illustrated in the drawing, which shows the flow in a vortex cell.

При включении источника отбора воздуха низкий уровень давления распространяется на полости 1 всех вихревых ячеек, и происходит перетекание воздуха из пристеночной области течения к источнику отбора. When the air sampling source is turned on, a low pressure level spreads to the cavities 1 of all vortex cells, and air flows from the near-wall region of the flow to the sampling source.

Скорость газа в пограничном слое возрастает с возрастанием скорости отбора воздуха из полостей ячеек. При некоторой величине скорости отбора воздуха пограничный слой присоединяется к поверхности ЛА, и на поверхности реализуется давление с положительным градиентом вдоль кормы. О присоединении пограничного слоя к поверхности ЛА можно судить, например, по изменению давления в кормовой части. Неизменяющаяся величина давления на поверхности при увеличении скорости отбора воздуха свидетельствует о безотрывном обтекании поверхности и возникновении присоединенных вихрей в ячейках. The gas velocity in the boundary layer increases with increasing air sampling rate from the cell cavities. At a certain value of the air sampling rate, the boundary layer joins the aircraft surface, and pressure with a positive gradient along the stern is realized on the surface. The attachment of the boundary layer to the surface of the aircraft can be judged, for example, by a change in pressure in the stern. The unchanging pressure on the surface with an increase in the air sampling rate indicates continuous flow around the surface and the occurrence of attached vortices in the cells.

После присоединения потока скорости отбора воздуха уменьшают. При этом интенсивность отбора воздуха через входное отверстие 2 ячейки снижается. Поскольку на передней кромке 3 входного отверстия давление меньше, чем на задней кромке 4, то при снижении интенсивности отбора воздуха при определенной его величине полностью прекращается поступление воздуха в ячейку со стороны кромки 3 и продолжается со стороны задней кромки 4. Дальнейшее снижение уровня отсоса приводит к интенсификации циркуляционного течения 5 в ячейке (присоединенного вихря), поддерживаемого перепадом давления на передней и задней кромках входного отверстия ячейки. After attaching the flow rate of air intake is reduced. In this case, the intensity of air intake through the inlet 2 of the cell is reduced. Since the pressure on the leading edge 3 of the inlet opening is lower than on the trailing edge 4, when the air sampling rate decreases at a certain value, the flow of air into the cell from the side of the edge 3 completely stops and continues from the side of the trailing edge 4. A further decrease in the suction level leads to intensification of the circulation flow 5 in the cell (attached vortex), supported by the pressure drop at the front and rear edges of the cell inlet.

Уровень отсоса уменьшают до таких минимальных значений скоростей отбора воздуха, при которых еще имеет место безотрывное обтекание поверхности. При начале отрыва потока уровень давления в кормовых точках начинает падать. The suction level is reduced to such minimum values of the air sampling rates at which there is still an uninterrupted flow around the surface. At the beginning of flow separation, the pressure level at the feed points begins to fall.

Для того, чтобы уменьшить энергозатраты на источник отбора воздуха создают эжекционный отсос из камер. Для этого под действием положительного градиента давления, реализуемого на поверхности при ее безотрывном обтекании, в кормовой части формируют общий поток 6 воздуха в направлении от кормовой к первой ячейке. Градиент давления ускоряет поток, и давление на выходе 7 из ячейки падает в направлении от кормы. При этом на входе 2 и выходе 7 создается перепад давления, необходимый для эжекции газа из полости ячейки. Таким образом вступает в действие эжекционный отсос, объединяющий отсос из всех ячеек и использующий реализованный на поверхности градиент давления при безотрывном обтекании, что ведет к снижению энергозатрат на отсос. In order to reduce energy consumption at the source of air sampling create an ejection suction from the chambers. For this, under the influence of a positive pressure gradient, which is realized on the surface during its continuous flow around, a total air flow 6 is formed in the aft part in the direction from the stern to the first cell. The pressure gradient accelerates the flow, and the pressure at the outlet 7 from the cell drops in the direction from the stern. In this case, a pressure drop is created at the inlet 2 and the outlet 7, which is necessary for gas ejection from the cell cavity. Thus, an ejection suction comes into effect, combining the suction from all the cells and using the pressure gradient realized on the surface during continuous flow, which leads to a decrease in energy consumption for suction.

Claims

1. METHOD FOR MANAGING A BOUNDARY LAYER ON THE AERODYNAMIC SURFACE OF A PLANE, based on the formation of attached vortices in the cells formed in the aft part of the surface by suctioning air from the cavities of the cells, characterized in that during the suction process the air sampling rate is gradually increased until the formation of attached vortices at which the complete attachment of the boundary layer to the surface of the aircraft is achieved, after which the suction level is reduced to a minimum at which There is no continuous flow around the surface of the aircraft.

2. The method according to claim 1, characterized in that the suction at minimum speeds is carried out on the modes of ejection air sampling from the cells, forming for this, under the influence of a positive pressure gradient established in the external flow, a common suction flow by sequentially mixing the ejected air from the cells in the direction from feed to the first cell.

3. The method according to claim 1, characterized in that during the suction process, the pressure in the aft of the aircraft is measured and the moment the measured pressure reaches its maximum value is used as the moment of complete attachment of the boundary layer to the surface.

4. The method according to PP.1 and 3, characterized in that as the minimum level of suction use the values of the air sampling rates at which pressure begins to decrease with a decrease in the level of extraction.