12.9. Управление пограничным слоем

Наличие пограничного слоя на обтекаемых поверхностях яв­ляется причиной больших энергетических затрат при эксплуа­тации установок, в той или иной форме использующих движу­щиеся жидкости или газы. Кроме того, наличие пограничного слоя на несущих поверхностях летательного аппарата приводит к су­щественному уменьшению подъемной силы по сравнению с ве­личиной, полученной в соответствии с теорией обтекания тел потоком идеальной жидкости. В частности, подобная картина наблюдается на взлетно-посадочных режимах полета самолета, когда крыло самолета располагается под большим углом атаки и закрылки отклоняются на значительные углы. Такая транс­формация профиля крыла приводит к появлению существенных положительных градиентов давления на его поверхности, вслед­ствие чего происходит срыв потока с верхней поверхности крыла. Возникает естественная задача о предотвращении отрыва потока над верхней поверхностью крыла, т. е. задача об управлении пограничным слоем (УПС).

Термин «управление пограничным слоем» подразумевает лю­бой механизм или процесс, который позволяет видоизменять характер течения в пограничном слое в области отрыва потока. В качестве примеров механизмов управления пограничным сло­ем, получивших широкое распространение на современных само­летах, можно указать на предкрылки, одно- и многощелевые закрылки, турбулизаторы и т. д.

Существующие системы УПС можно подразделить на пассив­ные и активные.

В пассивных системах УПС для устранения срыва потока используется энергия основного потока, точнее избыток энергии, имеющейся на нижней поверхности крыла по отношению к верх­ней, в активных — внешние источники энергии, которыми могут быть либо двигатели самолета, либо специально установленные компрессоры.

Пассивные системы УПС доведены в настоящее время до вы­сокой степени совершенства. Однако применение таких систем не дает возможности получить значения коэффициента подъем­ной силы, превышающие теоретические. С другой стороны, по­добные системы чрезвычайно сложны и дальнейшее развитие их ограничивается объемом крыла, соответствующим уменьшением объема для размещения топлива, а также сложностью, стоимо­стью изготовления.

В связи с этим в последнее время большое внимание уделя­ется разработке активных способов УПС. Эти методы, в свою очередь, можно подразделить на две категории:

1. управление пограничным слоем с целью уменьшения лобо­вого сопротивления;

2. управление пограничным слоем с целью увеличения подъ­емной силы.

Для уменьшения лобового сопротивления осуществляется от­сос пограничного слоя с поверхности обтекаемого тела. Впервые идею о возможности искусственного управления пограничным слоем высказал в 1904 г. Прандтль, который реализовал ее на цилиндре с односторонним отсасыванием пограничного слоя внутрь цилиндра через узкую щель в его поверхности. Поток воздуха со стороны отсасывания обтекает цилиндр лучше, чем с противоположной стороны, где отсос отсутствует. Для осу­ществления идеи отсоса на обтекаемой поверхности реальных объектов, например вдоль размаха крыла, делают продольные щели, либо всю поверхность выполняют перфорированной. На рис. 12.13 дана схема течения в высокоградиентном диффузоре при отсосе и без него.

Применение отсоса позволяет существенно уменьшить сопро­тивление несущих поверхностей, но подъемная сила не может превышать значений, полученных в соответствии с теорией не вязкой жидкости, хотя величина ее увеличивается при наличии отсоса.

Для увеличения подъемной силы крыла в настоящее время внедряется система сдува пограничного слоя. При сдуве орга­низуется введение высокоскоростной струи в область отрыва воз душного потока.

Рис. 12.13. Течение в диффузоре с большим уг­лом раскрытия:

а—без отсоса; б—с отсосом через щель;

в—с распреде­ленным отсосом

Для этого на верхней поверхности крыла (рис. 12. 14) либо перед лобиком закрылка (см. рис. 12. 14, а), либо непосредственно на нем (см. рис. 12. 14, б) монтируется сопловой аппарат, из которого с очень большой скоростью выду­вается тонкая струя, ось которой будет касательной к верхней поверхности закрылка. Струя «прилипает» к криволинейной поверхности закрылка (эффект Коанда) и обтекает его до задней кромки, увлекая за собой основной поток, при этом восстанавливается

Рис. 12.14. Схема установки соплового аппарата для сдува пограничного слоя:

а—перед лобиком закрылка; б—на лобике закрылка

безотрывное обтекание профиля. Увеличение подъемной силы при сдуве происходит за счет восстановления безотрывного обтекания путем увеличения составляющей количества движе­ния струи, а главное за счет увеличения циркуляции скорости по сравнению с теоретическим, безотрывным обтеканием профилей. Эффективность сдува определяется в основном коэффициен­том импульса струи (12.44)

где m_j – массовый расход выдуваемой струи; V_j – скорость струи на выходе из сопла;

V²_/2 – скоростной напор (динами­ческое давление) набегающего по­тока; S–площадь крыла.

На рис. 12.15 представлена за­висимость коэффициента подъемной силы профиля в функции коэффи­циента импульса струи и угла от­клонения закрыла δ₃. Как видно из этого графика, сдув пограничного слоя позволяет существенно увели­чить коэффициент подъемной силы, при этом качественно различаются две области управления погранич­ным слоем:

• о бласть непосредственного управления пограничным слоем до восстановления безотрывного обте­кания (малые значения с );

• область безотрывного обтека­ния, в которой энергия струи расхо­дуется и на формирование «струйного закрылка», увеличивающего хорду физического закрылка (большие значения c_μ > 0,1). Это приводит к увеличению циркуляции во­круг профиля (по теореме Жуковского). Поэтому эта область называется областью суперциркуляции.

Рис. 12.15. Изменение коэффи­циента подъемной силы профи­ля в зависимости от коэффици­ента импульса и угла атаки

При сдуве пограничного слоя удается получить коэффициен­ты подъемной силы, существенно превышающие значения, полу­ченные в соответствии с теорией невязкой жидкости.