В последнее время исследования в области гиперзвуковой авиации представляют огромный интерес. Возможность создавать гиперзвуковые самолеты, позволяющие за короткое время проходить огромные расстояния, становится все более привлекательной для человечества. Наиболее сложные проблемы на пути создания таких самолетов связаны с разработкой двигательной установки, в том числе и проблемы, связанные с особенностями работы сверхзвуковых входных устройств – воздухозаборников. В частности, возникает вопрос – как обеспечить автоматический запуск сверхзвукового входного устройства при выходе двигательной системы на рабочий режим на начальном участке полета или при различного рода срывах работы двигательной системы. Для решения подобного рода проблем существуют различные методы управления входным потоком: применение систем перепуска воздуха из воздухозаборного устройства [1], применение различных систем управления пограничным слоем [2–4] или использование изменяемой в полете формы входного устройства. Однако данные способы (кроме [4]) требуют или дополнительного объема на борту летательного аппарата, или сложной механизации, позволяющей изменять в полете геометрию входного устройства. Применение этих методов приводит к уменьшению объема и веса полезного груза или других систем летательного аппарата.
Альтернативным решением данной проблемы может стать использование управления пограничным слоем с помощью генераторов вихрей. Они влияют исключительно на пограничный слой, не требуя сложных конструктивных изменений в существующей конструкции летательного аппарата. Сами генераторы вихрей представляют собой компактные устройства различной формы, не превышающие высоту пограничного слоя h < δ, располагаемые на поверхности, формирующей пограничный слой. Эти устройства за счёт своей геометрии генерируют в набегающий поток вихревые структуры, которые перемешивают высокоимпульсные верхние слои пограничного слоя с низкоимпульсными нижними слоями, увеличивая способность пограничного слоя противостоять отрыву. Однако использование таких генераторов вихрей требует точного подбора их формы и размеров под конкретные условия набегающего потока и параметры пограничного слоя. Эта проблема зачастую и становится основной причиной отказа от таких устройств в пользу более сложных с точки зрения конструкции решений.
Применение генераторов вихрей с целью увеличения границ автозапуска сверхзвуковых воздухозаборных устройств в опубликованных ранее работах не рассматривалось. Так, например, в работах [5–7] авторы проводили численное моделирование входных устройств, рассчитанных на число Маха, равное 1.3, имеющих прямой скачок на входе. На их поверхности рассматривались генераторы вихрей одинарных и парных конфигураций в виде тетраэдров с различной длиной и углом раскрытия, имеющих высоты h = 0,23δ; 0,34δ; 0,52δ. В ходе исследования было установлено, что все генераторы показали удовлетворительные результаты с точки зрения влияния на отрывную область. Однако вариант парных генераторов вихрей, имеющих высоту, равную половине пограничного слоя (h = 0,52δ), создаёт более интенсивный вихревой след и по этой причине более эффективно воздействует на область отрыва. Размеры генераторов играют немаловажную роль в формировании следа, влияющего на трехмерный отрыв.
Работы [8–10] интересны тем, что в них описаны различные формы генераторов вихрей для осесимметричного входного устройства с изоэнтропической поверхностью сжатия. Хотя в перечисленных работах вопрос влияния генераторов вихрей на запуск входного устройства не рассматривался, однако в них приведены достаточно интересные результаты влияния генераторов вихрей на отрывную область и общие характеристики входного устройства. Рабочий режим такого устройства имел предел работы от числа Маха 1,4 до 1,8 [11]. Основная задача применения генераторов вихрей заключалась в снижении потерь расхода воздуха, вызванных появлением отрывной области на входе и повышении коэффициента полного давления. Численные и экспериментальные данные показали, что применение генераторов вихрей улучшает параметры входного устройства, причем во всех работах отмечается преимущественно улучшение при применении парных генераторов.
Основная цель данной работы состоит в исследовании вопроса о возможности использования генераторов вихрей с целью расширения режимов полета с автозапуском сверхзвукового воздухозаборного устройства. Под режимом автозапуска будем понимать предельное отношение площади горла к площади входа воздухозаборного устройства на конкретном режиме полета, при котором еще возможен самозапуск воздухозаборника. Для выполнения этой задачи необходимо было выбрать оптимальную форму и размеры генераторов вихрей, предназначенных для воздействия на пограничный слой, а также разработать методику оценки их эффективности.
Материалы и методы исследования
Выбор подходящей формы генераторов вихрей производился на основе численного моделирования. Расчетная область представляла собой пластину с заостренной кромкой, расположенной параллельно направлению потока. Ширина расчётной области составляет 20 мм, в направлении оси z ограничена симметриями, создавая эффект бесконечной пластины. На расстоянии 105 мм от кромки модели располагается вершина генераторов вихрей, имеющих форму тетраэдра, у которого одна из граней расположена перпендикулярно поверхности пластины. За генераторами вихрей на расстоянии 120 мм от передней кромки пластины (предполагаемое место начала отрыва в области сверхзвукового потока в воздухозаборнике) перпендикулярно набегающему потоку располагается виртуальная проницаемая поверхность, на которой, с целью оценки влияния генераторов вихрей на характеристики пограничного слоя, рассчитываются параметры потока. Виртуальная поверхность вплотную прилегает к пластине и заканчивается на высоте 9,75 мм (рис. 1). В качестве толщины пограничного слоя выбирается высота у = d, на которой скорость потока в пограничном слое составляет 99 % от скорости набегающего потока vx = 0,99v∞. В нашем конкретном случае толщина вытеснения пограничного слоя в месте расположения генераторов вихрей равна δ ≈ 2 мм.
Рис. 1. Эскизное представление расчетной области с геометрией генератора вихрей
Все расчеты, представленные в работе, проведены при одинаковых условиях набегающего потока: число Маха равно 3, температура торможения набегающего потока 300 К и полное давление составляет 5·106 Н/м2.
Расчеты проводилась со вторым порядком точности дискретизации осредненных уравнений Навье – Стокса (RANS), замкнутых с помощью модели турбулетности (Transition SST). Пристеночные ячейки имели высоту, позволяющую разрешить вязкий подслой (Y+ < 1). Габаритные линейные параметры генераторов вихрей имели три основных размера: ширина (а), длина (с), высота (h). Соответственно, для каждого из параметров варьирование проходило в интервалах: а = 2,5; 5; 7,5; 10 и 12,5 мм; с = 2,5; 5, 7,5; 10 и 12,5 мм; h = 0,25; 0,5; 1; 1,5 и 2,3 мм.
Влияние формы генераторов вихрей на характеристики пограничного слоя в месте предполагаемого отрыва определялось по параметрам потока, проходящего через виртуальную поверхность. Известно, что способность пограничного слоя без отрыва выдерживать положительные градиенты давления [12] определяется величиной так называемого формпараметра Н [13], характеризующего степень наполненности профиля скорости пограничного слоя:
(1)
где 
– толщина вытеснения, 
– толщина потери импульса, FS – площадь виртуальной поверхности; Gs – расход воздуха, проходящего через виртуальную поверхность; lz – длина виртуальной поверхности по оси z, ρ∞ – плотность ядра потока, V∞ – скорость в ядре потока, ρδ – средняя плотность в сечении с учетом пограничного слоя, Vd – средняя скорость в сечении с учетом пограничного слоя.
Поскольку автозапуск воздухозаборника характеризуется минимальным отношением площади горла воздухозаборника к площади сечения, которая захватывается воздухозаборником из невозмущенной струи воздушного потока, то вторым критериальным параметром мы выбрали коэффициент вытеснения (φ), характеризующий оттеснение потока от поверхности стенки вследствие ввода в поток генераторов вихрей, которые расположены непосредственно на поверхности стенки:
(2)
где Gg – расход в сечении виртуальной поверхности с использованием системы управления пограничным слоем путем установки генераторов вихрей; G – расход в сечении без использования системы управления пограничным слоем.
Предварительная обработка численных расчётов обтекания генераторов вихрей с различными геометрическими размерами показала, что наибольшей эффективностью воздействия на пограничный слой и область отрыва потока обладают генераторы вихрей, которые обеспечивают минимальные значения формпараметра Н и коэффициента вытеснения φ. Установка генераторов вихрей с различными геометрическими размерами может по-разному влиять на выбранные нами критерии оптимизации, рассчитанные в виртуальной плоскости для заданных условий набегающего потока. Например, может повысить один из критериев (Н или φ), сильно снизив другой. Поэтому для выбора оптимальных размеров генераторов вихрей с целью расширения режимов полета с автозапуском воздухозаборника мы будем использовать в качестве итогового критерия оптимизации значение произведения формпараметра Н и коэффициента вытеснения φ.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты численного моделирования сведены в трехмерные графики. Так, график коэффициента вытеснения потока, представленный на рис. 2, а, показывает, что наименьшее значение достигается при использовании генераторов вихрей со следующими геометрическими размерами: а = 10 мм, с = 2,5 мм, h = 0,5 мм. Наименьшее значение формпараметра (рис. 2, б) оказалось у геометрии: а = 12,5 мм, с = 2,5 мм, h = 0,5 мм. Однако произведение коэффициента вытеснения и формпараметра показало, что геометрия, а = 12.5 мм, с = 2,5 мм, h = 1 мм будет иметь наиболее подходящий для данных условий результат. Аналогично, самые худшие результаты по параметрам Н и φ показали генераторы вихрей, имеющие наибольшее загромождение пограничного слоя.
Рис. 2. Сводные трехмерные графики критериальных параметров на виртуальной поверхности: а) сводный график коэффициента вытеснения потока; б) сводный график формпараметра;
в) сводный график произведения коэффициента вытеснения и формпараметра
Рис. 3. Сравнение полей числа Маха для случаев: а) без генераторов вихрей, б) с генераторами вихрей
И хотя представленный нами метод численного моделирования влияния генераторов вихрей на характеристики пограничного слоя достаточно трудоемок с точки зрения вычислительных ресурсов и способа реализации на программных пакетах, однако он наглядно демонстрирует возможности оптимизации формы и размеров генераторов вихрей при их использовании для управления пограничным слоем с целью расширения режимов автозапуска воздухозаборников воздушно-реактивных двигателей летательных аппаратов. Для получения более точной формы генераторов вихрей, оптимально подходящей для данного пограничного слоя, требуется уменьшить шаг вариаций геометрических параметров генераторов вихрей или итерационно рассматривать самые перспективные участки трехмерного поля геометрических размеров генераторов вихрей.
Задачей работы было не только подобрать форму генераторов вихрей, но и посмотреть влияние данного устройства на границы автозапуска маломасштабного сверхзвукового входа.
Эти расчеты также проводились для условий сверхзвуковой импульсной аэродинамической трубы ИПРИМ РАН с профилированным соплом, рассчитанным на число Маха М = 3. Максимальное число Рейнольдса, определенное по длине 1 м, составляет Re ≈ 4·108.
Численное моделирование показало, что при установке площади горла модели в критическое положение, увеличение площади позволяет автоматически запуститься, а уменьшение площади создает отрыв потока перед входом в тракт модели. В этом критическом режиме работы воздухозаборника скачок уплотнения, отражённый от обечайки, вызывает отрыв пограничного слоя на поверхности пластины с неустановленными генераторами вихрей (рис. 3, а). А использование генераторов вихрей приводит к устранению отрыва в окрестности входа воздухозаборника и позволяет получить картину подобно режиму с увеличенным горлом (рис. 3, б).
Выводы
В ходе работы было установлено положительное влияние применения генераторов вихрей на работу сверхзвуковых воздухозаборников с целью расширения рабочих режимов автозапуска. Был предложен способ оптимизации геометрической формы и размеров генераторов вихрей на основе численного моделирования с использованием усредненных уравнений Навье – Стокса (RANS), замкнутых с помощью модели турбулетности (Transition SST). На конкретном примере генератора вихрей, имеющего форму тетраэдра, показано, что предложенный способ оптимизации размеров позволяет увеличить способность пограничного слоя без отрыва противостоять неблагоприятным градиентам давления.
Работа выполнена в рамках гос. задания, рег. № АААА-А17-117032010143-1.