МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ПЛОХООБТЕКАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ

© В.В.Овчинников
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2014 г.

Работа посвящена анализу динамики колебаний плохообтекаемых инженерных конструкций в отрывном потоке газа. Сюда относятся колебания таких сооружений, как высокие фабричные трубы, мосты, а также явления типа галопирования проводов линий электропередач. Предлагаемые методики могут использоваться также для качественного исследования аэроупругих колебаний элементов конструкций некоторых летательных аппаратов (например, крылья самолетов специальной схемы типа F-117, корпуса жестких дирижаблей).

До настоящего времени динамика таких систем исследовалась либо экспериментальными методами, либо с применением полуэмпирических методик. Хотя на основе обширных экспериментальных исследований за многие годы были накоплены обширные экспериментальные данные об аэродинамических характеристиках плохообтекаемых тел, сохраняется необходимость в оперативной расчётной методике исследования их колебаний в потоке газа, так как развитие технологии строительства опережает возможности математического моделирования. Весьма актуальная задача борьбы с колебаниями и разработки аэродинамических способов управления ими в настоящий момент решается исключительно на основе трубного эксперимента.

В данной работе показано, как на основе синтеза численных методов нелинейной аэродинамики и балочной схематизации упругих свойств системы построить математическую модель для оперативного анализа аэроупругой устойчивости и колебаний в потоке газа удлинённого тела с произвольным профилем поперечного сечения.

Рассматриваются колебания удлиненной () конструкции с поперечным сечением в виде произвольного многоугольника в потоке идеальной несжимаемой жидкости. Места отрыва потока локализованы на острых кромках. Упругая система представляется в виде балки с распределёнными по её длине массой и жёсткостью. Учитываются крутильные колебания и поступательные колебания в плоскости наименьшей жёсткости, вследствие большого удлинения конструкции приняты аэродинамическая гипотеза плоских сечений и гипотеза квазистационарности нелинейных аэродинамических характеристик, которые определялись для профиля конструкции заранее методом дискретных вихрей.

Характеристики колебаний определяются путём численного эксперимента, показано применение разработанной методики для борьбы с нежелательными аэроупругими колебаниями элемента конструкции путем изменения условий обтекания.