Аннотация. Для беспилотных воздушных судов транспортного назначения ключевым вопросом является выбор характеристик движителей. Следует различать подъемные движители, которые должны обладать достаточной тягой при ограниченных размерах, и маршевые, к которым в первую очередь предъявляются требования эффективности как на режимах висения, так и в горизонтальном полете. Ниже изложены результаты разработки методики численного моделирования изолированных винтов и винтокольцовых движителей – винтов в кольце, выбор моделей турбулентности, в том числе в условиях возможного ламинарно-турбулентного перехода. В качестве объектов рассматриваются винты К184В и винтокольцевые движители ВК1, разработаные в ЦАГИ для использования в составе силовых установок судов на воздушной подушке. Исследуются однопараметрическая модель Спаларта – Алмараса и двухпараметрические модели, включающие переменные k-ε и k-ω. Модели турбулентности верифицируются на эталонных данных путем сравнения с ними результатов расчетов, в том числе для учета ламинарно-турбулентного перехода и наличия отрывных пузырей на поверхности лопастей и кольца. Один из возможных методов реализации разделения области течения на ламинарный, турбулентный и переходный участки – добавление параметра перемежаемости γ в систему уравнений модели турбулентности, который равен единице в полностью развитом турбулентном течении и нулю – в ламинарном. Одной из моделей турбулентности, которая использует параметр перемежаемости и позволяет учитывать влияние области ламинарного потока, является переходная модель κ-ω SST Re_θ-γ Лангтри – Ментера. Для решения системы разностных уравнений используется геометрический многосеточный метод. Результатами численного моделирования являются поля давления и скорости как в расчетной зоне, так и непосредственно на поверхностях лопастей и кольца, что позволяет определить аэродинамические характеристики ВКД на различных режимах. Для режимов работы на месте и при поступательном движении получены расчетным путем зависимости коэффициентов тяги и мощности, а также показателей эффективности движителей для широкого диапазона частот вращения и подведенной к винтам мощности двигателя. Результаты сравниваются с эталонными экспериментальными данными ЦАГИ. Показано, что учет такого явления, как ламинарно-турбулентный переход, и связанного с ним образования тонких ламинарных отрывных пузырей позволяет существенно улучшить совпадение результатов расчетов с данными эксперимента.

Ключевые слова: беспилотное воздушное судно, воздушный винт, винтокольцевой движитель, численное моделирование, ламинарно-турбулентный переход, модель турбулентности, энергоэффективность движителя

Для цитирования: Архипов П. А., Булат П. В., Дудников С. Ю., Кузнецов П. Н. Итоги разработки методики численного моделирования винтов и винтокольцевых движителей транспортных беспилотных воздушных судов со взлетным весом от 80 до 350 кг // Аэрокосмическая техника и технологии. 2026. Т. 4, № 2. С. 237–249. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2026-4-2-237-249; https://elibrary.ru/pothgc

Библиографический список

1. Chen J., Li L., Huang G., Xiang X. Numerical investigations of ducted fan aerodynamic performance with tip-jet // Aerospace Science and Technology. 2018. Vol. 78. Pp. 510–521. https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.05.016
2. Абалакин И. В., Аникин В. А., Бахвалов П. А., Бобков В. Г., Козубская Т. К. Численное исследование аэродинамических и акустических свойств винта в кольце // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2016. № 3. С. 130–145. https://doi.org/10.7868/S0568528116030026
3. Назаров Д. В., Кондрякова А. В. Исследование обтекания винта с применением численных иэкспериментальных методов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2018. Т. 20. № 4-1 (84). С. 70–75. https://elibrary.ru/XYKVHN
4. Lind R., Nathman J. K., Gilchrist I. Ducted Rotor Performance Calculations and Comparisons with Experimental Data // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. AIAA 2006-1069. Reno, NV, January 9–12, 2006. https://doi.org/10.2514/6.2006-1069
5. Булат П. В., Продан Н. В., Вокин Л. О. Сравнение моделей турбулентности при расчете модельного ВКД // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2022. № 4. С. 74–80. https://elibrary.ru/KGPWZU
6. Spalart P. R., Allmaras S. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, January 6–9, 1992, Reno, NV. AIAA Paper AIAA-1992-0439. https://doi.org/10.2514/6.1992-439
7. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. No. 8. P. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
8. Рыбаков Д. В., Дудников С. Ю., Булат П. В., Чернышов П. С., Вокин Л. О. Исследование численных подходов к моделированию крупномасштабных турбулентных вихревых течений на режиме вертикального взлета и посадки летательного аппарата // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 3. С. 410–417. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-3-410-417
9. Диизи Ф., Баракос Дж., Кусюмов А. Н., Кусюмов С. А., Михайлов С. А. DES-моделирование обтекания несущего винта вертолета // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2018. № 1. С. 40–46. https://elibrary.ru/YXIHMN
10. Булат М. П., Вокин Л. О., Волобуев И. А. Исследование винтокольцевых движителей. Сравнение винтокольцевых движителей с обычными однорядными и Х-образными двухрядными винтами // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2023. № 2. С. 44–48. https://elibrary.ru/ARWOBD
11. Kim H. W., Brown R. E. A comparison of coaxial and conventional rotor performance // Journal of the American Helicopter Society. 2009. Vol. 55, no. 1, pp. 012004-1. https://doi.org/10.4050/JAHS.55.012004
12. Lakshminarayan V., Baeder J. Computational investigation of small scale coaxial rotor aerodynamics in hover // 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition 2009, Orlando, Florida, 5–8 January 2009. Vol. 19, 12522 https://doi.org/10.2514/6.2009-1069
13. Shyy W., Lian Y., Tang J., Viieru D., Liu H. Aerodynamics of low Reynolds number flyers. New York: Cambridge University Press, 2008. 196 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511551154
14. Rajmohan N., Zhao J., He C. A coupled vortex particle/CFD methodology for studying coaxial rotor configurations // 5th Decennial AHS Aeromechanics Specialists’ Conference 2014, Current Challenges and Future Directions in Rotorcraft Aeromechanics, 22–24 January 2014, San Francisco, California, USA. Vol. 1, pp. 576–587.
15. Дудников С. Ю., Кузнецов П. Н., Мельникова А. И. Исследование винтокольцевых движителей. Сравнение биротативного двухрядного винта с четырехлопастным и восьмилопастными винтами // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2023. № 2. C. 60-66. https://elibrary.ru/LRHRXZ
16. Menter F. R., Langtry R., Volker S. Transition modelling for general purpose CFD codes // Flow, Turbulence and Combustion. 2006. Vol. 77. Pp. 277–303. https://doi.org/10.1007/s10494-006-9047-1
17. Остроухов С. П. Аэродинамика воздушных винтов и винтокольцевых движителей. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. 328 с. https://elibrary.ru/UGLGGP