Использование вихрегенераторов для улучшения взлетно-посадочных характеристик самолетов транспортной категории

   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.

1. Taylor 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.

2. 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_22

3. Pauley 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).

4. 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)90008-6

5. Гарбарук 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.

6. 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).

7. Ghoddoussi A. A conceptual study of airfoil performance enhancements using CFD: A thesis bachelor of science. Sojo University, 2011. 72 p.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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).

12. 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_Applications

13. Долотовский 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.

14. 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: 10.2514/1.36836

15. Souckova 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).

16. 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-X

17. Godard 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.2005.11.007