Аэродинамика и ее задачи

Глава 1

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ АЭРОГАЗОДИНАМИКИ

Достижения механики жидкостей и газа используют множество областей техники.

Неразрывно связаны с аэродинамикой и гидродинамикойавиация и кораблестроение, основными проблемами которых является скорость, устойчивость и управляемость.

Развитие ракетной и космической техники поставило, главным образом перед газовой динамикой, ряд новых задач, послуживших развитию в этой отрасли механики жидкости и газов. Например, конкретная задача возвращения космических аппаратов или баллистических ракет на Землю через плотные слои атмосферы дала толчок к многочисленным исследованиям по борьбе с разогревом поверхности летательного аппарата за счет тепла, возникающего при диссипации механической энергии воздушного потока вблизи поверхности тела (в пограничном слое), с плавлением или сублимацией поверхности корпуса летательного аппарата (ЛА). Совокупность этих и многих других близких задач привела к образованию нового раздела МЖГ – аэротермодинамики.

Важное значение имеют гидроаэродинамика и газодинамика в турбостроении и двигателестроении. При вращении рабочих колес турбин и компрессоров составляющие их лопатки обтекаются с большими относительными скоростями водой, газом или паром. От правильного гидродинамического расчета формы профилей и конструкции лопаток рабочих колес зависит достижение требуемой мощности машины и ее КПД.

Широко использует МЖГ современная теплотехника, занимающаяся интенсификацией процессов горения в топках паровых котлов, камерах горения газовых турбин, реактивных двигателей, а также вопросами охлаждения поверхностей, подверженных воздействию горячего газа.

В химической индустрии перед МЖГ встают вопросы интенсификации процессов перемешивания различного рода жидких или газообразных сред, вступающих между собой в химические реакции при движении их по трубам или в специальных камерах при наличии твердых поверхностей, обладающих каталитическими свойствами.

Металлургия выдвигает перед МЖГ задачи, связанные с повышением эффективности работы металлургических печей и других агрегатов.

Гидростроительство широко использует достижения МЖГ при рассмотрении движений воды в реках и каналах, фильтрации воды под гидротехническими сооружениями, движений воды через плотины и другие водосбросы.

Без использования достижений МЖГ не обходится автомобильная промышленность (удобообтекаемые формы кузовов и вопросы устойчивости движения автомобилей при больших скоростях), железнодорожный транспорт (те же проблемы, а также вопрос взаимодействия при встречном движении с большими скоростями), градостроительство (вопросы вентиляции жилых помещений и районов застройки), медицина и спорт.

Современная метеорология, и особенно ее теоретическая основа – динамика атмосферы, широко использует МЖГ и теорию турбулентного движения воздуха над поверхностью Земли при наличии различных физических факторов (солнечная радиация, испарение и др.).

Движение газовых масс, образующих туманности и звезды, их взаимодействие друг с другом и с более разреженной межзвездной средой, расширение оболочек новых звезд, образование и угасание турбулентных возмущений в межзвездной среде и другие подобные явления составляют содержание сравнительно молодой области космогонического применения МЖГ, получившей название космической аэродинамики.

Аэродинамика и ее задачи

В пособии будут рассмотрены законы движения как общие для жидкостей и газов, так и особые, присущие только газу; законы силового взаимодействия газообразной среды с движущимся телом.

Эта область аэрогидромеханики имеет основное значение для авиации и ракетостроения, обязана этим отраслям техники своим современным развитием и называется аэродинамикой.

Аэродинамика – наука о законах силового взаимодействия газообразной (обычно воздушной) среды с движущимся в ней телом.

В аэродинамике ЛА рассматривается движение твердого или упругого тела в жидкой или газообразной среде. Можно указать некоторые наиболее важные вопросы проектирования и расчета ЛА, при которых применяются в качестве исходного материала результаты, полученные аэродинамикой:

1. Для расчета движения ЛА (определение скорости, высоты и дальности полета) и для определения летных качеств аппарата (устойчивости, маневренности) необходимо знание результирующих аэродинамических сил и моментов, к которым приводится силовое взаимодействие среды и аппарата при разных скоростях и направлениях его движения. Это одна из основных задач аэродинамики. Сюда входят вопросы определения лобового сопротивления, подъемной силы и аэродинамических моментов.

2. Вопросы расчета ЛА на прочность, вибрации и деформации выдвигают другую задачу. Для ее решения необходимо знать, как распределены аэродинамические силы по поверхности ЛА в разных случаях движения. Следует заметить, что для аэродинамических сил характерно неравномерное распределение.

3. При полете со скоростями, значительно большими скорости звука, поверхность ЛА подвергается существенному нагреву вследствие сжатия среды и ее трения. Знание величины этого нагрева необходимо как для расчета прочности и деформации ЛА, так и для проектирования устройств охлаждения и теплозащиты. В связи с этим возникает задача расчета поля температур на поверхности тела и теплоотдачи среды.

4. При проектировании ЛА возникает: а) задача выбора внешних форм ЛА и его частей, например, в зависимости от скорости движения ЛА (дозвуковая скорость – закругленная носовая часть, сверхзвуковая скорость – заостренная); б) задача наиболее рационального размещения и взаимного расположения частей ЛА. Дело в том, что всякая деталь, находящаяся в потоке, изменяет скорости, углы атаки, а следовательно, и аэродинамическую силу потока, набегающего на другие детали. Например, за крылом при больших углах атаки образуются как бы застойные области, и если хвостовое оперение расположено так, что оно при этом попадает в застойную область, то эффективность его сильно снижается.

5. При производстве ЛА обычно получаются отклонения их внешних форм и размеров от теоретических форм и размеров. Это является результатом погрешностей при изготовлении деталей и узлов, погрешностей сборочных приспособлений, погрешностей при отделке и покраске. Задачей аэродинамики здесь является установление допустимых отклонений для размеров, форм и состояния поверхности как отдельных частей, так и ЛА в целом.

6. В полете от действия аэродинамических сил на упругую конструкцию могут возникать вибрации и тряска ЛА в целом и его отдельных частей (флаттер, бафтинг и др.). Некоторые из этих вибраций могут привести к сбоям в работе систем автоматики, нарушению нормального функционирования отдельных узлов, повреждениям обшивки и в самом неблагоприятном случае даже к разрушению всего ЛА. Задача аэродинамики в данном случае состоит в том, чтобы установить запретные режимы полета, при которых имеют место вибрации, или разработать способы устранения вибрации и тряски.