Экспериментальные исследования влияния подвижности жидкости в баке на динамические характеристики системы «модель крыла – топливный бак»

Упругие колебания элементов конструкции планера самолета при действии эксплуатационных нагрузок являются одним из основных источников накопления усталостных повреждений. Известно, что подвижность топлива в баках может изменять динамические (частоты и формы собственных колебаний) и диссипативные (декременты затухания колебаний) свойства упругой системы, включающей баки, частично или полностью заполненные топливом. При этом волновое движение топлива в баках за счет дополнительной диссипации энергии колебаний упругой системы может оказывать существенное влияние как на усталостные, так и на аэроупругие характеристики элементов конструкции воздушного судна. Теоретические и экспериментальные исследования применительно к большинству эксплуатирующихся в настоящее время транспортных самолетов показали, что топливо при моделировании динамических явлений и решении задач аэроупругости можно рассматривать условно затвердевшим, что фактически не влияет на конечный результат. Появление современных тяжелых транспортных самолетов с крылом большого удлинения и четырьмя двигателями на пилонах под крылом привело к существенному изменению динамической картины взаимодействия ЛА с окружающей средой. Основная особенность заключается в том, что при данной компоновке в число основных упругих тонов, определяющих динамическую реакцию на внешние воздействия, входит первый тон горизонтально-изгибных колебаний крыла. В этом случае модель затвердевшего топлива может оказать существенное влияние на точность прогнозирования динамических нагрузок и, как следствие, на количественные показатели долговечности и аэроупругости. В статье приводятся результаты экспериментальных исследований влияния подвижности жидкости в баке на динамические характеристики (частоты собственных колебаний и амплитуды вынужденных колебаний) системы «модель крыла – бак». Описана конструкция экспериментальной установки и методика проведения экспериментов. В процессе эксперимента бак частично или полностью заполнялся жидкостью, исследовались горизонтально-изгибные формы колебаний модели крыла, для которых учет подвижности жидкости в баке наиболее актуален. Определены уровни заправки бака, при которых достигается наибольший эффект демпфирования колебания системы за счет рассеивания энергии при волновом движении жидкости. Проанализировано влияние различных факторов (наличие верхней крышки, внутреннего силового набора, перфорации в силовом наборе) на амплитуды и частоты вынужденных колебаний.

1. Goncharov, D.A., Pozhalostin, A.A. (2021). Experimental study of axisymmetric vibrations of a liquid in a cylindrical vessel with a porous partition. Russian Aeronautics, vol. 64, no. 1, pp. 71–77. DOI: 10.3103/S1068799821010098

2. Borodkin, S.F., Kiselev, M.A., Ovchinnikov, V.V., Petrov, Yu.V. (2022). The impact of fuel fluidity in wing tanks on the aeroelasticity characterisics of an aircraft. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Aviatsionnaya tekhnika, no. 4, pp. 4–11. (in Russian)

3. Ovchinnikov, V.V., Petrov, Yu.V. (2017). Numerical methods for studying the aeroelasticity of aircraft. Moscow: Izdatelkiy Dom Akademii imeni N.Ye. Zhukovskogo, 160 p. (in Russian)

4. Kaneko, Sh., Nakamura, T., Inada, F., Kato, M., Ishihara, K., Nishihara, T., Langthjem, M.A. (Ed.). (2014). Flow-induced vibrations. Classifications and lessons from practical experiences. 2nd ed. Chapter 8: Vibrations in fluid–structure interaction systems. Academic Press, pp. 359–401. DOI: 10.1016/ B978-0-08-098347-9.00008-4

5. Wang, Y., Ruan, C., Lu, S., Li, Z. (2023). A study on the movement characteristics of fuel in the fuel tank during the maneuvering process. Applied sciences, vol. 13, issue 15, ID: 8636. DOI: 10.3390/app13158636 (accessed: 04.11.2023).

6. Dyachenko, M.I., Hung, N.D., Temnov, A.N. (2017). Fluctuations of liquid fuel in tanks with oil recovery units. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 16, no. 2, pp. 23–25. DOI: 10.18287/2541-7533-2017-16-2-23-35 (in Russian)

7. Kalinichenko, V.A., Soe, A.N. (2015). Experimental study of coupled vibrations of a vessel with liquid. Vestnik MGTU imeni N.E. Baumana. Seriya Yestestvennyye nauki, no. 1 (58), pp. 14–25. (in Russian)

8. Buzhinskii, V.A. (2020). Fluid oscillations in cylindrical tanks with longitudinal damping partitions. Fluid Dynamics, vol. 55, no. 1, pp. 7–19. DOI: 10.31857/S0568528119060033

9. Krechko, A.V., Krikunov, V.A., Krechko, I.V. (2019). Impact of transverse partitions on the longitudinal stability of tanker. In: Sovremennyye prikladnyye issledovaniya: materialy tretyey natsionalnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Novocherkassk: Yuzhno-Rossiyskiy gosudarstvennyy politekhnicheskiy universitet (NPI) imeni M.I. Platova, pp. 126–129. (in Russian)

10. Popkov, A.A. (2020). Analysis of the dynamic behavior of the damping partition in the launch vehicle tank. In: Teoriya i praktika sovremennoy nauki: sbornik statey Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. In 2 parts, part 1, pp.71–75. (in Russian)

11. Bukreev, V.I., Chebotnikov, A.V. (2015). Water waves in a longitudinally oscillating container. Fluid Dynamics, vol. 50, no. 3, pp. 435–441.

12. Shamsoddini, R. (2018). Numerical investigation of vertical and horizontal baffle effects on liquid sloshing in a rectangular tank using an improved incompressible smoothed particle hydrodynamics method. Journal of Computational and Applied Research in Mechanical Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 177–187. DOI: 10.22061/jcarme.2019.2437.1231

13. Dalmon, A., Lepilliez, M., Tanguy, S. et al. (2019). Comparison between the FLUIDICS experiment and direct numerical simulations of fluid sloshing in spherical tanks under microgravity conditions. Microgravity Science and Technology, vol. 31, no. 1, pp. 123–138. DOI: 10.1007/s12217-019-9675-4

14. Pozalostin, A.A., Goncharov, D.A. (2020). Longitudinal vibrations of a system of the liquid filled thin-walled rods. Natural and technical sciences, no. 6, pp. 14–17. (in Russian)

15. Pozalostin, A.A., Goncharov, D.A. (2018). Experimental and analytical method for determining the logarithmic decrement of vibrations for the case of axisymmetric vibrations of an elastic tank with liquid. Natural and technical sciences, no. 6 (120), pp. 93–94. (in Russian)

16. Bondarenko, A.Yu., Lixoded, A.I., Sidorov, V.V. (2020). Modeling of a space-rocket structures when subjected to active forces by mechanical analogs. Mathematical Models and Computer Simulations, vol. 32, no. 8, pp. 106–118. DOI: 10.20948/mm-2020-08-07 (in Russian)

17. Pozalostin, A.A. (2019). Mechanical analogies and vibrations of a tank with liquid. Problemy Mashinostroyeniya i Nadezhnosti Mashin, no. 7, pp. 15–19. DOI: 10.1134/S0235711919070095 (in Russian)

18. Vin, K., Temnov, A.N. (2019). Oscillations of a three-layer viscous fluid in a stationary tank. Engineering journal: science and innovation, no. 7 (91), 17 p. DOI: 10.18698/2308-6033- 2019-7-1895 (accessed: 04.11.2023). (in Russian)