Вихревой след самолетов

Рассмотрим область возмущенного вихревого потока за летатель­ными аппаратами, образующуюся при их обтекании, отличающуюся от окружающего воздушного пространства значениями скоростей, дав­лений, температуры и т. п. и получившую название вихревого следа. Здесь и далее, кроме специально оговоренных случаев, под летательны­ми аппаратами будем понимать самолеты и вертолеты. Следует разли­чать понятия «спутный след» и «вихревой след». Спутные следы обра­зуются при безотрывном обтекании тела в вязкой среде и обусловлены лобовым сопротивлением тела. Спутные следы представляют область пониженной средней скорости и повышенного уровня турбулентности. Вихревые следы образуются при обтекании тела в вязкой среде вслед­ствие возникновения подъемной силы и, соответственно, при реали­зации индуктивного сопротивления сопровождаются образованием на некотором расстоянии позади тела системы из двух продольных вихрей противоположенного вращения.

Вихревой след за ЛА является неограниченным потоком, который движется со средней скоростью невозмущенного потока. Длина вихре­вого следа составляет 10-12 км, иногда больше, и зависит от состояния атмосферы, аэродинамической компоновки и полетной конфигурации ЛА, полетной массы, скорости и высоты полета. Вихревой след за ЛА характеризуется полем возмущенных скоростей W, а также формой и положением концевых жгутов в пространстве. Возмущенные ско­рости обычно представляют в виде следующих составляющих: Wx — осевые скорости; Wr — радиальные скорости; Wt — окружные (танген­циальные) скорости, которые в свою очередь делятся на вертикальные Wy и горизонтальные скорости Wz, т. е.

Wt = ]/W2 + W2.

По длине вихревого следа условно можно выделить зоны (рис. 1.1): формирования; устойчивого следа; неустойчивого следа; разрушенного следа.

В зоне формирования вихревого следа происходит сворачивание всей вихревой структуры самолета, пограничного слоя и струй дви­гателей в два вихревых жгута (см. фотографию на передней страни­це обложки). Стекающий с поверхности планера пограничный слой не вносит Больших возмущений в воздушный поток и на удалении 50-150м от ЛА практически исчезает.

Струи выхлопных газов, хотя и обладают Большой кинетической энергией, представляют собой узкие потоки газов, расширяющиеся под углами 3-4°, их температура и скорость быстро падают.

Пограничный слой и выхлопные газы оказывают влияние на на­чальные параметры концевых жгутов, которое может выражаться в по­вышении температур и скоростей в вихре.

Наибольший вклад в формирование спутного следа за летатель­ным аппаратом и его результирующие характеристики вносят вихри, которые сходят с крыла, стабилизатора, других несущих и управля­ющих поверхностей, а также с фюзеляжа. Эту вихревую поверхность в главном приближении можно рассматривать как поверхность разры­ва тангенциальной компоненты скорости. Толщина этой поверхности соизмерима с толщиной турбулентного пограничного слоя, который является продолжением пограничного слоя, сошедшего с острой задней кромки и торцевых кромок поверхностей летательного аппарата. В ре­зультате сразу же за задней кромкой крыла наблюдается турбулент­ное вихревое ядро конечного размера, это — центр, вокруг которого формируется концєвой жгут. Под радиусом вихревого ядра понимают расстояние от оси жгута до точки в поперечном его сечении, где значение окружной скорости максимальное. Зона формирования спут­ного следа заканчивается образованием устойчивых концевых жгутов и имеет протяженность 2-3 размаха крыла.

В зоне устойчивого вихревого следа происходит устойчивое дви­жение и опускание концевых жгутов вниз с постепенным их зату­ханием, Концевые жгуты в этой зоне — устойчивые формирования, имеющие противоположное вращение вовнутрь, При симметричной нагрузке на несущих поверхностях летательного аппарата интенсив­ность концевых жгутов одинакова, Типичное распределение вертикаль­ных скоростей в зоне устойчивого вихревого следа в ядрах концевых жгутов представлено на рис, 1,2 для самолета Ил-76, летящего на вы­соте H = 400 м со скоростью V = 550км/ч.

Расстояние между осями концевых жгутов зависит от нагрузки на несущих поверхностях ЛА. При симметричной нагрузке расстояние между осями концевых жгутов составляет 0,8L, где L — размах крыла самолета,

Начиная с этой зоны, спутный след за летательным аппаратом имеет тенденцию к снижению, Скорость опускания концевых жгутов обусловлена их взаимным влиянием и примерно равна скорости, ин­дуцируемой одним концевым жгутом на оси другого, Перемещение спутного следа подчиняется общим законам движения вихрей в атмо­сфере, Поле скоростей в зоне спутного следа существенно неоднород­но, Скорость возмущенного движения воздуха определяется интенсив­ностью концевых жгутов и временем существования следа, Течение характеризуется наличием тангенциальных составляющих возмущен­ной скорости и составляющих скорости вдоль оси концєвого жгута, которые могут либо совпадать со скоростью набегающего потока, либо превышать ее, либо быть направленными против набегающего потока, Поле тангенциальных скоростей образует скос потока вниз в области между вихрями и скос потока вверх в наружной области (см, рис, 1,2),

Максимальные значения окружных скоростей в отдельных случаях могут достигать половины скорости полета самолета-генератора.

Распределение осевых скоростей имеет знакопеременный характер. В районе границы ядра осевое течение имеет противоположное направ­ление относительно осевых скоростей в районе оси вихря.

Режим течения в концевых жгутах является, как правило, турбу­лентным. Турбулентность проявляется в наложении на осредненные скорости в зоне спутного следа пульсационных составляющих, которые приводят к перемешиванию слоев воздуха и способствуют затуханию и размыванию концевых жгутов. Турбулентность в основном ограниче­на областью вихревого ядра.

Анализ результатов, полученных в летном эксперименте, показыва­ет, что по мере увеличения длины спутного следа подсасывание потока в область вихревого ядра, как правило, не происходит.

В зоне неустойчивого вихревого следа вихри начинают раз­рушаться. Основными видами начала разрушения концевых жгутов в зоне неустойчивого вихревого следа можно считать:

• естественное затухание за счет диссипации и диффузии вихрей;

• волновую неустойчивость вихревых жгутов, связанную с тур­булентностью атмосферы (см. фотографию на задней странице обложки);

• интенсивную турбулизацию вихревого ядра (взрыв вихря), меха­низм которой еще мало изучен.

Преобладание одного из факторов определяет не только интенсив­ность разрушения концевых жгутов, но и положение их в пространстве относительно самолета. С течением времени изменяется структура и пространственное положение следа. Система концевых жгутов в этой зоне продолжает существовать относительно долго, постепенно зату­хая или разрушаясь.

Иногда система концевых жгутов совершает симметричное и при­близительно гармоническое движение. Причина этого явления заклю­чается в следующем. Сформированный спутный след представляет собой два концевых жгута с осями, располагающимися в простран­стве примерно параллельно одна другой. Вихревые линии в каждом жгуте имеют форму спирали, закрученной вокруг оси жгута. В зоне устойчивого спутного следа осевые возмущенные скорости, которые направлены вдоль оси жгута и обусловлены движением ЛА, влияют на положение вихрей в пространстве и деформируют вихревые ли­нии. Система вихрей движется в своем собственном индуцированном поле. Атмосферная турбулентность, порывы ветра или беспорядочные отклонения от траектории полета незначительно деформируют вихре­вые линии. За счет взаимной индукции и влияния осевых скоростей концевой жгут деформируется так, что его ось приобретает волны длиной А и амплитудой 6. При определенных соотношениях А и 6 волновой характер оси концевого жгута, а соответственно и самого жгута, является наиболее быстро нарастающим видом неустойчивого колебания. Оси концевых жгутов волнообразно сходятся и расходятся до тех пор пока не соединятся в более близких точках и не образуют цепочку изолированных вихревых колец.

В зоне разрушенного вихревого следа наблюдается цепочка изо­лированных вихревых колец. Процесс разрушения спутного следа в ви­де волновой неустойчивости и течение в этой зоне спутного следа нестационарные. Зона разрушенного спутного следа по протяженности существенно меньше зоны неустойчивого следа. Исследования пока­зывают, что волновой неустойчивости подвержены в большей степени вихревые следы за самолетами сложной компоновки, которые имеют крылья малого удлинения, сложной формы в плане, а также за верто­летами.

Необходимо отметить, что под разрушением концевых жгутов либо вихревого следа надо понимать такой процесс изменения состояния спутного следа, в результате которого наблюдаются: перестройка кар­тины течения в концевых жгутах затухание возмущенных скоростей в концевых жгутах и в окрестности их до величин, соизмеримых с пульсациями скорости в атмосфере изменения пространственного положения концевых жгутов и связанное с ними изменение кинемати­ческих параметров течения.

Разрушение вихря может наблюдаться и вследствие «взрыва» его ядра. Под этим понимают резкое увеличение радиуса вихря и уменьше­ние максимальных значений окружных скоростей. Физическая природа этого явления предположительно связана с определенным уровнем осевых скоростей, их изменением во времени и соотношением осевых и тангенциальных скоростей в концевом жгуте. В результате «взры­ва» ядра вихря могут образоваться тороидальные вторичные вихри и появляться обратные течения. «Взрыв» ядра характерен для одного из концевых жгутов и является локальным. Другой концєвой жгут может длительное время существовать в атмосфере.

Изменение характеристик вихревого следа происходит при интерфе­ренции вихревых потоков с различными постройками, складками мест­ности, холмами, лесными участками. В районе аэродрома благопри­ятные условия для образования локальных вихревых потоков создают большие строения, здания, сооружения, поверхность земли со слож­ным рельефом местности. Хотя высоты построек вблизи взлетно-поса­дочных полос ограничены, в совокупности они создают выраженную локальную неоднородность в виде барьера к натекающему потоку. Воздух обтекает строения сбоку и сверху, способствуя образованию локальных вихревых потоков, в том числе сдвига ветра. Изменение характеристик вихревого следа происходит интенсивнее, стирается раз­личие между зонами неустойчивого и разрушенного следа, структура следа и течение в нем носят ярко выраженный нестационарный харак­тер. Интерференция вихревого следа и вихревых потоков от зданий, сооружений и участков местности со сложным рельефом и переменной шероховатостью поверхности приводит к появлению на аэродроме зон

со сложной структурой течения, сдвигом ветра, роторами и скоростями потока, представляющими опасность для летательных аппаратов.

Приведенные сведения о вихревых следах и потоках и тенден­циях их распространения в пространстве позволяют сделать вывод о нестационарном течении в зоне вихревого следа. Нестационарность течения обусловлена временной зависимостью изменения скоростей в поперечном сечении следа и пространственных характеристик следа. Следует отметить, что изменение пространственного положения следа носит ярко выраженный нестационарный характер в случае появления волновой неустойчивости.

Указанные особенности формирования и распространения вихре­вого следа позволили наметить два подхода к моделированию. При первом подходе спутный след представляется в виде осей концевых жгутов и положением этого следа считается положение осей. Возму­щенные скорости в области спутного следа задаются либо вычисляются на основе эмпирических и полуэмпирических моделей, что влияет на точность моделирования. При втором подходе вихревой след моде­лируется в виде вихревой пелены, образующейся при моделировании обтекания ЛА. В этом случае положение вихревого следа получается непосредственно, а возмущенные скорости определяются особенностя­ми обтекания.