Комплект Учебный курс по Гидравл_Задачи / 055866_B4437_lekcii_vvedenie_v_aerogidromehaniku_i_gidravliku / AGD_R01

14

Тема 1

Тема 1

ВВЕДЕНИЕ В АЭРОГАЗОДИНАМИКУ

1. Предмет, задачи и методы аэрогидромеханики. Задачи

аэрогидродинамического расчёта.

2. Классификация видов и режимов движения жидкости.

3. Сравнение экспериментального, теоретического и

вычислительного подходов.

4. Вычислительная аэродинамика и этапы её развития.

1.1. Предмет, задачи и методы аэрогидромеханики

Одним из основных разделов современной физики является учение об аэрогидромеханике. Аэрогидромеханика имеет дело с жидкими и газообразными средами. Жидкости ещё часто называют капельными или несжимаемыми жидкостями, а вторые - газами или сжимаемыми жидкостями.

Гидроаэромеханика исследует вопросы, связанные с покоем жидкости (гидростатика) и с её движением (гидродинамика).

Главное внимание уделяется решению двух основных связанных между собой задач: определения распределения скоростей и давлений внутри жидкости и определения силового взаимодействия между жидкостью и окружающими её твёрдыми телами.

Теория и эксперимент являются двумя основными подходами к

решению задач гидроаэродинамики.

Теоретическая гидроаэродинамика базируется в основном на невязкой (или так называемой идеальной) жидкости, внутри которой отсутствует внутреннее трение.

Экспериментальная гидромеханика поставила своей целью установить закономерности течения вязкой (реальной) жидкости.

Возникновение двух ветвей гидромеханики объяснялось отсутствием достаточных представлений о механизме течения жидкости и трудностями решения уравнений движения вязкой жидкости.

В связи с влиянием вязких эффектов поток вязкой жидкости делят на две области: пограничный слой, где преобладают силы трения и используются уравнения движения вязкой жидкости, и внешний поток, к которому можно применять закономерности динамики невязкой жидкости.

На основе решения задач гидродинамики удаётся получить теоретические зависимости, раскрывающие закономерности сопротивлений, возникающий при обтекании тел (крыла и фюзеляжа самолёта, лопасти турбины, кораблей различных форм и т.д.) жидкостью.

Задачи аэродинамического расчёта

Процесс проектирования и конструирования ЛА начинается с проведения аэродинамического расчёта, в основу которого положены две взаимозависимые задачи:

1) выбор аэродинамической компоновки ЛА,

2) расчёт аэродинамических характеристик ЛА.

При выборе аэродинамической компоновки ЛА решаются задачи отбора формы, размеров и взаимного расположения элементов ЛА.

В задачу расчёта АДХ ЛА входит:

1) расчёт распределения давления на поверхности ЛА,

2) расчёт составляющих аэродинамических сил и моментов,

3) расчёт аэродинамических характеристик органов

управления,

4) расчёт температуры и тепловых потоков на поверхности ЛА.

Аэродинамический расчёт обеспечивает исходные данные для проведения других работ в процессе проектирования ЛА:

1) расчёт тепловых режимов элементов конструкций,

2) расчёт траектории полёта,

3) расчёт динамических нагрузок,

4) расчёт управляемости и устойчивости.

1.2. Классификация видов движения жидкости

Проведём классификацию видов движения жидкости.

1. Классификация по признаку зависимости движения жидкости от времени.

1.1. Установившееся (стационарное).

1.2. Неустановившееся (нестационарное).

2. Классификация по признаку учёта сил трения, вязкости и теплопроводности.

2.1. Идеальная невязкая жидкость.

2.2. Вязкая жидкость.

3. Классификация по виду движения жидкости (поступательное или вращательного движение).

3.1. Безвихревое (потенциальное) (движение, когда вращение отсутствует).

3.2. Вихревое движение.

4. Классификация по характеру изменения плотности в потоке.

4.1. Несжимаемая (жидкость), const.

4.2. Сжимаемая (газ), const.

5. Классификация по скорости и её отношению к скорости

расширяющихся возмущений (скорости звука).

5.1. Дозвуковое ( M1) , где , V - скорость потока, а – скорость звука.

5.2. Трансзвуковое (М1).

3. Сверхзвуковое (М1).

1. Гиперзвуковое (М1).

6. Классификация по режиму течения.

6.1. Ламинарный режим, (ReRe_кр).

6.2. Турбулентный режим,(ReRe_кр).

7. Вид течения.

7.1. Свободное.

7.2. Вынужденное.

1.3. Сравнение экспериментального, теоретического и вычислительного методов

Вычислительная аэродинамика в своем развитии прошла три этапа ( см. таб. 1 ). Каждый последующий этап базируется на более полной модели течения. На рис. 2, 3 приведена относительное быстродействие ЭВМ и относительная стоимость расчета. Структура основных методов расчета параметров течения приведены на рис. 4.

Таблица 1

Метод	Преимущества	Недостатки
Эксперимент	1. Получение наиболее близких к реальным результатов.	Сложное оборудование. Проблемы моделирования. Обработка полученной информации. Корректность измеренных значений. Сложность измерений. Высокая стоимость.
Теоретический	1. Получение информации в виде формул.	1.Ограниченность простейшими конфигурациями. 2. Обычно применим только к линейным задачам.
Численный	Нет ограничений, связанных с нелинейностью. Описание сложных физических процессов. Описание эволюции течения.	Погрешность округления. Проблемы задания граничных условий. 3. Высокая стоимость ЭВМ.

Основные этапы математического моделирования

Рис. 1

Структурные элементы математического моделирования вместе со связями показаны на рис. 1.

Математическая постановка задачи базируется на физической модели рассматриваемых течений, которая строится на основе имеющихся данных об объекте исследования.

Характеризующие математическую модель исходные уравнения и граничные условия с помощью конечно-разностных методов преобразуются в дискретную модель.

В результате реализации дискретной модели на одном из этапов программирования создают программу для ЭВМ. Решение тестовых задач и анализ результатов позволяет убедиться в работоспособности разработанных алгоритмов и программ.

Решение конкретных задач и анализ полученных результатов позволяет судить об эффективности и применимости разработанных алгоритмов.

Если обнаружится несоответствие расчётных и экспериментальных данных - это значит, что физическая модель, математическая модель или дискретная модель не адекватны изучаемому объекту. В этом случае проводятся дополнительные исследования. Процесс исследования продолжается до момента устранения несоответствия.

1.4. Три этапа развития вычислительной аэрогидродинамики

Таблица 2

Этап (уравне-ние)	Результаты расчёта	Год расчёта		ЭВМ	Время расчёта
		профиль	реальная конструк-ция
I Уравнение потенциала	1. Распределение давления 2. Индуктивное сопротивление	1930	1967	IBM 360 CDC 6600	5м
II Уравнение Эйлера	Трансзвук Гиперзвук	1971	1976	IBM 370 7600	5ч
III Уравнения Навье-Стокса	1. Отрыв потока 2.Турбулентность	1975	1985	CRAY	50ч

Рис. 2 Рис. 3

Методы расчёта параметров течения

Рис. 4