Математическое и численное моделирование прямого и обратного влияния аэрогидродинамического экранного эффекта

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Аэрогидродинамический экранный эффект, проявляющийся в изменении сил, действующих на объект при его движении вблизи границы раздела сред, широко известен в эксплуатации различных видов транспорта. Положительное влияние экранного эффекта традиционно ассоциируется с увеличением нормальной составляющей аэрогидродинамической силы (подъемной силы). Наиболее значительное применение это явление нашло при создании экранопланов — скоростных амфибийных судов, использующих увеличение подъемной силы крыла при приближении к поверхности раздела. Наряду с положительным влиянием существует возможность проявления обратного (отрицательного) экранного эффекта, при котором подъемная сила уменьшается с приближением к экрану.
Целью настоящей работы является разработка математической модели для определения характера влияния экранного эффекта на аэродинамические характеристики крыла, а также создание алгоритма численного моделирования вязкого турбулентного течения, учитывающего экранный эффект, для цифровой поддержки жизненного цикла транспортных средств.
В работе представлены следующие основные результаты: классификация видов воздействия экранного эффекта на различные технические объекты; разработанная математическая модель, служащая критерием для определения характера действия экранного эффекта; результаты численного моделирования экранной аэродинамики несущей поверхности и их анализ для различных случаев влияния экрана. Достоверность предложенного критерия подтверждена результатами численного моделирования.

Об авторах

Андрей Владимирович Февральских

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.fevralskih@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5959-7994
SPIN-код: 5313-8879
Scopus Author ID: 57222121673
ResearcherId: G-2922-2017
https://www.mathnet.ru/rus/person226671

кандидат технических наук; доцент; каф. 806 вычислительной математики и программирования

Россия, 125993, Москва, Волоколамское шоссе, 4

Список литературы

  1. Clements D., Djidjeli K. Effect of trailing edge and span morphing on the performance of an optimized NACA6409 wing in ground effect // J. Fluids Eng., 2025. vol. 147, no. 1, 011206. EDN: FRSLSR. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4066487.
  2. Li Y.-H., Sun S.-L., Ren H.-L., et al. Aero-elastic characteristics of a wing in different proximity to the free surface // Ocean Eng., 2025. vol. 316, 119912. EDN: KEVTXK. DOI: https:// doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.119912.
  3. William Y. E., Kanagalingam S., Mohamed M. H. Ground effect investigation on the aerodynamic airfoil behavior using large eddy simulation // J. Fluids Eng., 2024. vol. 146, no. 3, 031205. EDN: YBENZT. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4063696.
  4. Sereez M., Abramov N., Goman M. Prediction of aerodynamic characteristics of high-lift common research model in ground effect // Aeronaut. J., 2024. vol. 128, no. 1324. pp. 1245–1261. DOI: https://doi.org/10.1017/aer.2023.100.
  5. Heidarian A., Ghassemi H., Liu P. Numerical aerodynamic of the rectangular wing concerning to ground effect // Am. J. Mech. Eng., 2018. vol. 6, no. 2. pp. 43–47. https://pubs.sciepub.com/ajme/6/2/1/.
  6. Февральских А. В. Разработка методики проектирования аэрогидродинамической компоновки амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой на основе численного моделирования: Дис. . . . канд. техн. наук: 05.08.01. Нижний Новгород, 2017. 175 с. EDN: BFEHZU.
  7. Qu Q., Wang W., Liu P., Agarwal R. K. Airfoil aerodynamics in ground effect for wide range of angles of attack // AIAA Journal, 2015. vol. 53, no. 4. pp. 1048–1061. EDN: YVYKUZ. DOI: https://doi.org/10.2514/1.J053366.
  8. Кальясов П. С., Лукьянов А. И., Февральских А. В., Шабаров В. В. Применение механизации крыла в виде закрылка и предкрылка на взлетных режимах экранопланов со статической воздушной подушкой // Мор. интел. технол., 2017. №2–2. С. 9–15. EDN: ZRNGNF.
  9. Февральских А. В. Численное исследование аэродинамики бортового ограждения воздушной подушки в составе компоновки экраноплана // Вестн. Волж. гос. акад. водн. трансп., 2019. №60. С. 113–121. EDN: QTKOYA.
  10. Lu H., Lua K. B., Lim T. T., Yeo K. S. Ground effect on the aerodynamics of a two-dimensional oscillating airfoil // Exp. Fluids, 2014. vol. 55, no. 7, 1787. EDN: UQXVNV. DOI: https://doi.org/10.1007/s00348-014-1787-4.
  11. Schade R. O. Ground interference effects / NASA Conference on V/STOL Aircraft. Hampton, VA, United States: NASA Langley Research Center, 1960. pp. 87–100. https://ntrs.nasa.gov/citations/19740076587.
  12. Luo S. C., Chen Y. S. Ground effect on flow past a wing with a NACA0015 cross-section // Exp. Therm. Fluid Sci., 2012. vol. 40. pp. 18–28. EDN: YBJBQB. DOI: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.01.014.
  13. Fradenburgh E. A. The helicopter and the ground effect machine // J. Am. Helicopter Soc., 1960. vol. 5, no. 4. pp. 24–33. DOI: https://doi.org/10.4050/jahs.5.24.
  14. Диковская Н. Д. Экспериментальное и численное исследование поперечного обтекания цилиндра вблизи плоского экрана: Дис. . . . канд. физ.-мат. наук: 01.02.05. Новосибирск, 1990. 175 с. EDN: ZKCYRB.
  15. Коробко Д. Д., Микаева С. А., Плешаков В. В. Технология численного моделирования аэродинамики крыла гоночного автомобиля / Оптические технологии, материалы и системы: Сб. докл. Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (Москва, 05–06 декабря 2019 г.); ред. В. С. Кондратенко. М., 2019. С. 220–224. EDN: NCQOBW.
  16. Плисов Н. Б., Рождественский К. В., Трешков В. К. Аэрогидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. Л.: Судостроение, 1991. 247 с.
  17. Шайдаков В. И. Исследование влияния экранного эффекта на аэродинамические характеристики и параметры воздушной струи несущего винта вертолета // Вестн. Моск. авиац. ин-та, 2008. Т. 15, №4, 18. EDN: JUUGBX.
  18. Николаев Е. И., Антошкина М. Н. Исследование балансировочных характеристик вертолета вблизи земли // Вестн. Каз. гос. техн. ун-та им. А. Н. Туполева, 2012. №4–2. С. 24–27. EDN: PJUBNK.
  19. Полякова Е. Я. Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава: Дис. . . . канд. техн. наук: 05.09.03. СПб., 2021. 150 с. EDN: BTVRLE.
  20. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 6: Гидродинамика. М.: Физ-матлит, 2001. 736 с.
  21. ГОСТ Р 57700.37–2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения, 2021. https://internet-law.ru/gosts/gost/75810/.
  22. Февральских А. В. Численное моделирование обледенения крыла малого удлинения в условиях действия экранного эффекта // Наука и бизнес: пути развития, 2024. №9. С. 26–31. EDN: FWQPXW.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. К задаче о циркуляции вектора скорости при обтекании аэродинамического профиля вблизи подвижного экрана

Скачать (132KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сеточная модель обтекания профиля в задаче численного моделирования экранной аэродинамики

Скачать (818KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости коэффициента подъемной силы $c_y$ профиля Clark-YF 8%–40% от относительного зазора между задней кромкой крыла и экраном $\overline{h}$ при различных углах атаки $\alpha$

Скачать (96KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расположение контрольных отрезков относительно профиля

Скачать (458KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределение тангенса угла скоса $\tau$ вдоль отрезков $AB$ и $CD$ при различных углах атаки $\alpha$ и относительных зазорах $\overline{h}$ между задней кромкой крыла и экраном: a — $\alpha = 2^\circ$; b — $\alpha = -3^\circ$; c — $\alpha = -4^\circ$; d — $\alpha = -5^\circ$

Скачать (580KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Алгоритм исследований влияния аэрогидродинамического экранного эффекта с использованием выведенного уравнения влияния

Скачать (230KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).