Лабораторная работа № 1 (11).
Определение аэродинамических характеристик тела вращения с конической носовой частью
Цель работы: По полученным опытным данным на трёхкомпонентных аэродинамических весах определить коэффициенты 
, 
, 
в зависимости от угла атаки 
при дозвуковых скоростях.
Результаты работы представить в виде поляры первого рода 
, а также кривых 
, 
, 
.
Рис. 1. Тело вращение с конической носовой частью.
К основным геометрическим параметрам корпуса относятся:
- удлинение носовой части
- удлинение цилиндрической части
- удлинение корпуса.
Особенности обтекания тел вращения большого удлинения
Для анализа обтекания фюзеляжа целесообразно рассмотреть простейший случай – обтекание тела вращения большого удлинения. Поток, омывающий поверхность тела вращения, можно условно представить как сумму двух течений – продольного и поперечного. В зависимости от угла атаки характер обтекания будет формироваться тем или иным направлением течения. При малых углах атаки обтекание в основном будет определяться продольным течением, а при больших углах атаки – поперечным.
При нулевом угле атаки и правильной круговой форме соответствующих участков обтекание поперечных сечений будет отличаться только толщиной и состоянием пограничного слоя. Если в носовых участках может быть ламинарный пограничный слой и малая его толщина, то по мере удаления сечения от носовой части толщина этого слоя будет нарастать, а характер его может быть турбулентным. При возникновении угла атаки осесимметричный характер обтекания будет нарушаться. Уже в носовой части тела вращения вследствие поперечного течения воздух с наветренной стороны будет перетекать на подветренную сторону, способствуя тем самым увеличению толщины пограничного слоя в центральных (продольных) сечениях подветренной стороны (рис. 2).
Рис. 2. Схема обтекания тела вращения большого удлинения
при малых углах атаки:
1 – утолщение пограничного слоя на подветренной стороне;
2 – отрыв пограничного слоя;
3 – сворачивание оторвавшегося пограничного слоя.
В этом месте поверхности скорость поперечного течения будет замедляться, и создавать условие для отрыва потока с боковых сторон. И действительно, как показывают измерения распределения давления в поперечном сечении, на некотором расстоянии от носа давление перестаёт изменяться и остаётся практически постоянным вплоть до верхней образующей цилиндра на подветренной стороне. То, что давление не восстанавливается, объясняется торможением скорости в пограничном слое с последующим его отрывом с боковых сторон тела вращения, в результате чего на подветренной стороне образуется зона отрыва течения с давлением, близким к постоянному.
Непрерывно утолщающийся по длине тела пограничный слой отрывается вдоль линии отрыва и непрерывно сносится по потоку, сворачиваясь в интенсивные вихревые жгуты, расположенные на боковых сторонах тела вращения (рис. 2). Расстояние от носа, на котором начинается отрыв пограничного слоя 
и сворачивание вихревых жгутов, в значительной степени зависит от угла атаки, а так как это явление (как всякий отрыв) вызывается градиентами давления, то на положение начальной точки образования вихрей оказывают влияние числа 
, 
и форма тела.
При углах атаки 
(
- угол атаки нарушения симметрии вихревой системы зависит от формы и удлинения фюзеляжа, чисел и и других факторов) образовавшаяся вблизи подветренной стороны фюзеляжа вихревая система симметрична относительно плоскости изменения углов атаки. При 
она становится несимметричной (рис. 3) и вызывает несимметрию в распределении давления по поперечному сечению фюзеляжа. Это приводит к образованию значительных поперечных сил и моментов рыскания. Они сложным образом изменяются по углу атаки, числам и и при углах атаки =40…70º являются нестационарными. При 
º течение за сечением фюзеляжа близко к течению в турбулентном следе за бесконечным цилиндром.
Рис. 3. Схема обтекания тела вращения при больших углах атаки:
б – сворачивание несимметричных вихревых жгутов при .
А – А и Б – Б вихри.
Из анализа распределения давления по различным поперечным сечениям и фотоснимков спектров обтекания было получено примерное положение по длине цилиндрической части модели точки отрыва потока и начала образования вихревой системы за моделью. Как видно из графиков на рис. 4, положение начала отрыва потока с подветренной стороны тела вращения значительно зависит от числа . По мере увеличения числа положение начала отрыва потока при одном и том же угле атаки смещается по длине модели вперёд, ближе к головной её части. Более интенсивно положение начала отрыва с подветренной стороны перемещается при околозвуковых скоростях.
Рис. 4. Положение начала отрыва пограничного слоя в зависимости
от угла атаки числа .
1 – по исследованиям распределения давления;
2 – по оптическим исследованиям;
3 – цилиндр с оживальной головной частью.
В связи с наличием развитой вихревой системы над верхней поверхности корпуса происходит изменение вида зависимости (рис. 4). Она становится нелинейной, начиная с очень малых углов атаки.
Рис. 5. Зависимость .
Характерные точки на этом графике
- угол атаки начала отрыва – начало формирования вихревой системы;
- угол атаки начала разрушения вихревой системы (точка перегиба на рис. 5);
- критический угол атаки – полное разрушение вихревой системы.
При малых углах атаки подъёмная сила тела вращения изменяется по углу атаки линейно. С увеличением угла атаки подветренная сторона тела вращения оказывается в зоне сорванного потока и зависимость подъёмной силы от угла атаки становится нелинейной.
Для произвольного угла атаки значение можно представить в виде суммы двух слагаемых (безотрывной и отрывной составляющих).
- коэффициент подъёмной силы корпуса, рассчитанный в предположении, что его обтекание безотрывное (
º).
- отрывная составляющая коэффициента подъёмной силы, обусловленная отрывом потока. Эта составляющая связана с образованием вихревой системы. При больших углах атаки обтекание тела вращения происходит с отрывом пограничного слоя от их верхней стороны. Оторвавшийся пограничный слой сворачивается в вихревые жгуты. Вихри создают дополнительное разрежение на подветренной стороне фюзеляжа, в результате чего его подъёмная сила растёт, а центр давления смещается к корме.
- площадь боковой поверхности тела вращения.
- коэффициент, учитывающий обтекание тела вращения конечной длины (в отличии от бесконечной).
- коэффициент сопротивления, возникающий при поперечном обтекании цилиндрической части тела вращения.