cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-4-83-95caht-2045Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGИспользование вихрегенераторов для улучшения взлетно-посадочных характеристик самолетов транспортной категорииThe use of vortex generators to improve the take-off and landing characteristics of transport category aircraftЦипенкоВ. Г.TsipenkoV. G.

Владимир Григорьевич Ципенко, доктор технических наук, профессор

кафедра аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов

Москва

Vladimir G. Tsipenko, Doctor of Technical Sciences, Professor

Aerodynamics, Airframe and Strength of Aircraft Chair

Moscow

avas38@yandex.ruСагайдакМ. В.SagaydakM. V.

Михаил Вадимович Сагайдак, старший специалист

филиал «Региональные самолеты»

департамена аэродинамических характеристик

Москва

Mikhail V. Sagaydak

Regional Aircraft Branch

Moscow

mikhaelvs@mail.ruШевяковВ. И.ShevyakovV. I.

Владимир Иванович Шевяков, доктор технических наук, начальник

филиал «Региональные самолеты»

департамент аэродинамических характеристик

Москва

Vladimir I. Shevyakov, Doctor of Technical Sciences, the Head

Regional Aircraft Branch

Aerodynamics Performance Department

Moscow

shevvi@mail.ruМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian FederationПАО «Корпорация "Иркут"»РоссияIRKUT Corporation Regional Aircraft BranchRussian Federation2022060920222548395Copyright © Ципенко В.Г., Сагайдак М.В., Шевяков В.И., 20222022Ципенко В.Г., Сагайдак М.В., Шевяков В.И.Tsipenko V.G., Sagaydak M.V., Shevyakov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2045

   Рассмотрен вопрос использования вихрегенераторов для улучшения взлетно-посадочных характеристик самолета транспортной категории. Проанализированы три направления. Первое – установка вихрегенераторов на мотогондолах маршевых двигателей для повышения максимального значения коэффициента подъемной силы на посадочных режимах. Второе – установка вихрегенераторов на верхней поверхности закрылка для повышения несущих свойств крыла за счет улучшения обтекания закрылка. Третье – установка вихрегенераторов на хвостовом оперении для повышения эффективности органов управления и снижения эволютивных скоростей. Приведены примеры использования вихрегенераторов по каждому из направлений. Показано, что улучшение аэродинамических характеристик самолета возможно при наличии отрывных зон на несущих поверхностях на рабочих режимах полета и ликвидации этих зон путем установки вихрегенераторов. Представлены результаты расчетных исследований, экспериментов в аэродинамических трубах, а также данные летных испытаний опытного самолета, подтверждающие эффективность использования вихрегенераторов. Проанализирована физика образования вихревых жгутов. Предложена концепция повышения их устойчивости путем установки вихрегенераторов в местах с максимальной скоростью потока. С учетом этой концепции выбраны новые места установки вихрегенераторов на верхней поверхности закрылка, а также на киле опытного самолета для проведения повторных летных испытаний. Установка вихрегенераторов на киле предполагает повышение эффективности руля направления для снижения эволютивных скоростей. Рассмотрены возможности оптимизации параметров установки вихрегенераторов. Приведены рекомендации по выбору формы, размерам, углам их установки в зависимости от решаемых при помощи вихрегенераторов задач и с учетом возможного увеличения лобового сопротивления от их установки.

   The issue of using vortex generators to improve the take-off and landing characteristics of a transport category aircraft has been considered. Three directions have been analyzed. The first: the installation of vortex generators on the nacelles of the main engines to increase the maximum value of the lift coefficient in landing modes. The second: the installation of vortex generators on the upper surface of the flap to increase the lifting characteristics of the wing by improving the flow around the flap. The third: the installation of vortex generators in the tail unit to increase the efficiency of control surfaces and reducing handling speeds. Examples of the use of vortex generators in each of the directions are given. It is shown that the improvement of the aerodynamic characteristics of the aircraft is possible in the presence of wing separation boundaries on the lifting surfaces in flight operating modes and the elimination of these zones by installing vortex generators. The results of computational studies, experiments in wind tunnels, as well as data from flight tests of an experimental aircraft confirming the effectiveness of using vortex generators are presented. The concept of increasing their stability by installing vortex generators in places with maximum flow velocity is proposed. Considering this concept, new locations for installing vortex generators on the upper surface of the flap, as well as on the fin of an experimental aircraft for repeated flight tests have been selected. The installation of vortex generators on the fin involves increasing the efficiency of the rudder to reduce the handling speeds. The possibilities of optimizing the parameters of the installation of vortex generators are considered. Recommendations are given on the choice of shape, size, and angles of their installation, depending on the tasks solved with the help of vortex generators and considering the possible increase in drag from their installation.

самолетместная аэродинамикалокальный отрыв потокавихрегенераторвихревой жгутнесущие поверхностиорганы управлениявредное сопротивлениепараметры установкиaircraftlocal aerodynamicslocal flow separationvortex generatorvortex harnessbearing surfacescontrolsharmful resistanceinstallation parametersReferencesTaylor H. D. The Elimination of diffuser separation by vortex generators // Research Department Report No. R-4012-3. United Aircraft Corporation, East Hartford, Connecticut, June 1947. 32 p.Taylor, H. D. (1947). The Elimination of diffuser separation by vortex generators. Research Department Report No. R-4012-3. United Aircraft Corporation, East Hartford, Connecticut, June, 32 p.Westphal R. W., Eaton J. K., Pauley W. R. Interaction between a vortex and a turbulent boundary layer in a streamwise pressure gradient. Turbulent Shear Flows 5 / F. Durst, B. E. Launder, J. L. Lumley, F. W. Schmidt, J. H. Whitelaw (eds.). Springer, Berlin, Heidelberg, 1985. Pp. 266–277. DOI: 10.1007/978-3-642-71435-1_22Westphal, R. W., Eaton, J. K. & Pauley, W. R. (1985). Interaction between a vortex and a turbulent boundary layer in a streamwise pressure gradient. Turbulent Shear Flows 5, in Durst, F., Launder, B. E., Lumley, J. L., Schmidt, F. W., Whitelaw, J. H. (eds.). Springer, Berlin, Heidelberg, pp. 266–277. DOI: 10.1007/978-3-642-71435-1_22Pauley W. R., Eaton J. K. Experimental study of the development of longitudinal vortex pairs embedded in a turbulent boundary layer [Электронный ресурс] // Aeronautics i Astronautics Journal (AIAA J). 1988. Vol. 26, no. 7. Pp. 816–823. DOI: 10.2514/3.9974 (дата обращения: 23. 10. 2021).Pauley, W. R. & Eaton, J. K. (1988). Experimental study of the development of longitudinal vortex pairs embedded in a turbulent boundary layer. Aeronautics i Astronautics Journal (AIAA J), vol. 26, no. 7, pp. 816–823. DOI: 10.2514/3.9974 (accessed: 23. 10. 2021).Kim W. J., Patel V. C. Influence of streamwise curvature on longitudinal vortices imbedded in turbulent boundary layers // Computers and Fluids. 1994. Vol. 23, iss. 5. Pp. 647–673. DOI: 10.1016/0045-7930(94)90008-6Kim, W. J. & Patel, V. C. (1994). Influence of streamwise curvature on longitudinal vortices imbedded in turbulent boundary layers. Computers and Fluids, vol. 23, issue 5, pp. 647–673. DOI: 10.1016/0045-7930(94)90008-6Гарбарук А. В. Численное моделирование управления отрывом с помощью механических и струйных вихрегенераторов / А. В. Гарбарук [и др.] // Математическое моделирование. – 2006. – Т. 18, № 3. – С. 55–68.Garbaruk, A. V., Spalart, P. R., Strelets, M. Kh., Travin, А. K. & Shur, M. L. (2006). Numerical modeling of separation control by mechanical and jet vortex generators. Mathematical Models and Computer Simulations, vol. 18, no. 3, pp. 55–68. (in Russian)Forster K. J., White T. R. Numerical investigation into vortex generators on heavily cambered wings [Электронный ресурс] // Aeronautics i Astronautics Journal (AIAA J). 2014. Vol. 52, no. 5. Pp. 1059–1071. DOI: 10.2514/1.J052529 (дата обращения: 23. 10. 2021).Forster, K. J. & White, T. R. (2014). Numerical investigation into vortex generators on heavily cambered wings. Aeronautics i Astronautics Journal (AIAA J), vol. 52, no. 5, pp. 1059–1071. DOI: 10.2514/1.J052529 (accessed: 23. 10. 2021).Ghoddoussi A. A conceptual study of airfoil performance enhancements using CFD: A thesis bachelor of science. Sojo University, 2011. 72 p.Ghoddoussi, A. (1998). A conceptual study of airfoil performance enhancements using CFD: A thesis bachelor of science. Sojo University, 72 p.Mahmood A. F. Влияние генераторов вихрей на аэродинамические характеристики модели самолета «АЭРОПРАКТ А-20» / A. F. Mahmood, В. В. Бабенко, С. А. Ищенко // Прикладна гiдромеханiка. – 2012. – Т. 14, № 4. – С. 47–58.Mahmood, A. F., Babenko, V. V. & Ishenko, S. A. (2012). [The effect of vortex generators on the aerodynamic characteristics of the AEROPRAKT A-20 aircraft model]. Prikladnaya gidromekhanika, vol. 14, no. 4, pp. 47–58. (in Russian)Konig J. New technologies in low speed aerodynamics wind tunnel and flight test demonstrated in AWIATOR / J. Konig, H. Hansen, E. Coustols, W. Dobrzyinski // European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS 2004. Jyvaskyla, 24–28 July 2004. P. 953.Konig, J., Hansen, H., Coustols, E. & Dobrzyinski, W. (2004). New technologies in low speed aerodynamics wind tunnel and flight test demonstrated in AWIATOR. European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS 2004. Jyvaskyla, 24–28 July, p. 953.Jansen D. P. Passive flow separation control on an airfoil-flap model the effect of cylinders and vortex generators: A thesis master of science. Delft University of Technology, 2012. 92 p.Jansen, D. P. (2012). Passive flow separation control on an airfoil-flap model the effect of cylinders and vortex generators: A thesis master of science. Delft University of Technology, 92 p.Veldhuis L. L. M., van der Steen M. Flow separation control by off surface elements [Электронный ресурс] // 28th AIAA 2010 Applied Aerodynamics Conference. Chicago, 28 June –1 July 2010. Chicago, Illinois, 2010. 13 p. DOI: 10.2514/6.2010-4684 (дата обращения: 23. 10. 2021).Veldhuis, L. L. M. & van der Steen, M. (2010). Flow separation control by off surface elements. 28th AIAA 2010 Applied Aerodynamics Conference. Chicago, Illinois 28 June – 1 July, 13 p. DOI: 10.2514/6.2010-4684 (accessed: 23. 10. 2021).Sun Z. Micro vortex generators for boundary layer control: principles and applications // International Journal of Flow Control. 2015. Vol. 7, no. 1–2. Pp. 67–86. URL: https://www.researchgate.net/publication/283879609_Micro_Vortex_Generators_for_Boundary_Layer_Control_Principles_and_ApplicationsSun, Z. (2015). Micro vortex generators for boundary layer control: principles and applications. International Journal of Flow Control, vol. 7, no. 1–2, pp. 67–86. URL: https://www.researchgate.net/publication/283879609_Micro_Vortex_Generators_for_Boundary_Layer_Control_Principles_and_ApplicationsДолотовский А. В. Методы увеличения максимальной подъемной силы крыла самолета на взлетно-посадочных режимах при помощи специальных устройств / А. В. Долотовский [и др.] // Материалы XXХI научно-технической конференции по аэродинамике. Жуковский, 29–30 октября 2020 г. – ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского. – 2020. – C. 91–92.Dolotovskiy, A. V., Terekhin, V. A., Shevyakov, V. I., Babulin, A. A. & Chernov, Yu. P. (2020). [Methods of increasing the maximum lifting force of an aircraft wing during take-off and landing using special devices]. Materialy XXXI nauchno-tekhnicheskoy konferentsii po aerodinamike. TsAGI im. prof. N. Ye. Zhukovskogo, pp. 92–93. (in Russian)Meunier M., Brunet V. High-lift devices performance enhancement using mechanical and air-jet vortex generators // Journal of Aircraft. 2008. Vol. 45, no. 6. Pp. 2049–2061. DOI: 10.2514/1.36836Meunier, M. & Brunet, V. (2008). High-lift devices performance enhancement using mechanical and air-jet vortex generators. Journal of Aircraft, vol. 45, no. 6, pp. 2049–2061. DOI: 10.2514/1.36836Souckova N. Visualizatio of flow separation and control by vortex generators on a single flap in landing configuration / N. Souckova, J. Kuklova, L. Popelka, M. Matejka [Электронный ресурс] // EPJ Web of Conferences, 2012. Vol. 25. ID: 02026. 12 p. DOI: 10.1051/epjconf/20122502026 (дата обращения: 23. 10. 2021).Souckova, N., Kuklova, J., Popelka, L. & Matejka, M. (2012). Visualizatio of flow separation and control by vortex generators on a single flap in landing configuration. EPJ Web of Conferences, vol. 25, ID: 02026, 12 p. DOI: 10.1051/epjconf/20122502026 (accessed: 23. 10. 2021).Pearcey H. Shock-induced separation and its prevention by design and boundary layer control // Boundary layer and flow control. Vol. 2 / In G. Lachmann (Ed.). Oxford: Pergamon Press, 1961. Pp. 1167–1334. DOI: 10.1016/B978-1-4832-1323-1.50021-XPearcey, H. (1961). Shock-induced separation and its prevention by design and boundary layer control. In book: Boundary layer and flow control. Vol. 2, in Lachmann G. (Ed.). Pergamon Press, Oxford, pp. 1167–1334. DOI: 10.1016/B978-1-4832-1323-1.50021-XGodard G., Stanislas M. Control of a decelerating boundary layer. Part. 1: Optimizatin of passive vortex generators // Aerospace Science and Technology. 2006. Vol. 10, iss. 3. Pp. 181–191. DOI: 10.1016/j.ast.2005.11.007Godard, G. & Stanislas, M. (2006). Control of a decelerating boundary layer. Part. 1: Optimizatin of passive vortex generators. Aerospace Science and Technology, vol. 10, issue 3, pp. 181–191. DOI: 10.1016/j.ast.2005.11.007

The authors declare that there are no conflicts of interest present.