Математическое моделирование движения осесимметричного авторотирующего тела сложной конфигурации в квазистатической среде
Аннотация
В работе построена математическая модель тела сложной конфигурации, состоящего из двух ортогональных стержней и четырех прямоугольных пластинок. Рассматриваемая конструкция представляет собой рабочий элемент ветротурбины Дарье с четырьмя лопастями. Тело совершает плоскопараллельное снижение под действием силы тяжести и аэродинамических сил. Аэродинамические силы, приложенные к пластинкам, приняты в соответствии с эмпирической теорией стационарного обтекания плоской пластины. Исследуется вопрос о существовании стационарных режимов спуска.. Наибольший интерес в работе представляет режим авторотации, при котором тело быстро вращается и осуществляет снижение по вертикали или наклонной прямой подобно свободно вращающемуся несущему винту. При помощи метода осреднения получены оценки средней угловой скорости, средней скорости центра масс и среднего угла планирования тела в режиме авторотации; доказано, что режим авторотации является притягивающим. Показано, что спуск в режиме авторотации происходит с наименьшей скоростью по сравнению с другими режимами, что позволяет применять эту конструкцию в качестве системы спуска или аэродинамического тормозного устройства, либо как систему планирования. Написаны программы, в которых проводится численное интегрирование уравнений движения рассматриваемого тела и результаты численного интегрирования сравниваются с полученными теоретическими оценками для оценки точности рассматриваемых методов.
Литература
2. Kakimpa B., Hargreaves D.M., Owen J.S. CFD Modelling of Free-Flight and Auto-Rotation of Plate-Type Debris. Wind and Structures. 2010;13(2):169-189. https://doi.org/10.12989/was.2010.13.2.169
3. Dosaev M. Interaction Between Internal and External Friction in Rotation of Vane with Viscous Filling. Applied Mathematical Modelling. 2019;68:21-28. https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.11.002
4. Valeev A., Zotov A. Study of Horizontal Aerodynamic Force Directed Against a Fluid Flow. Liquid and Gaseous Energy Resources. 2022;2(2):58-65. https://doi.org/10.21595/lger.2022.23041
5. Hargreaves D.M., Kakimpa B., Owen J.S. The Computational Fluid Dynamics Modelling of the Autorotation of Square, Flat Plates. Journal of Fluids and Structures. 2014;46:111-133. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2013.12.006
6. Su J.N., Zhu Q.T., Sun W.X., Zhang C. Autorotation of Passive Microfliers Comprising Spiral Filamentous Wings. Physics of Fluids. 2023;35:063602. https://doi.org/10.1063/5.0151713
7. Wulandana R., Foote D., Chung B.J., Vaidya A. Vortex-Induced Autorotation Potentials of Bladeless Turbine Models. International Journal of Green Energy. 2022;19(2):190-200. https://doi.org/10.1080/15435075.2021.1941044
8. Domenge P.X.C., Das T. Large-Eddy Simulations of an Autorotating Square Flat Plate. Applied Mathematical Modelling. 2016;40(13-14):6576-6587. https://doi.org/10.1016/j.apm.2016.01.058
9. Iversen J.D. Autorotating Flat-Plate Wings: The Effect of the Moment of Inertia, Geometry, and Reynolds Number. Journal of Fluid Mechanics. 1979;92(2):327-348. https://doi.org/10.1017/S0022112079000641
10. Andronov P.R., Grigorenko D.A., Guvernyuk S.V. Numerical Simulation of Plate Autorotation in a Viscous Fluid Flow. Fluid Dynamics. 2007;42:719-731. https://doi.org/10.1134/S0015462807050055
11. Bohr J., Markvorsen S. Autorotation. Physica Scripta. 2016;91(2):023005. https://doi.org/10.1088/0031-8949/91/2/023005
12. Huang P., Lin H., Gu M. Wind tunnel investigation of autorotation of plate: The effects of geometry, Reynolds number and rotation direction. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020;196:104012. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2019.104012
13. Klimina L.A., Masterova A.A., Samsonov V.A. et al. Numerical-Analytical Method for Searching for the Autorotations of a Mechanical System with Two Rotational Degrees of Freedom. Mechanics of Solids. 2021;56:392-403. https://doi.org/10.3103/S0025654421030055
14. Uchibori K., Tamura T. LES study on aerodynamics of auto-rotating square flat plate by IBM and SAMR. Journal of Fluids and Structures. 2019;89:108-122. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2019.04.013
15. Zbikowski R., Ansari S.A., Knowles K. On mathematical modelling of insect flight dynamics in the context of micro air vehicles. Bioinspiration & Biomimetics. 2006;1(2):R26. https://doi.org/10.1088/1748-3182/1/2/R02
16. Zhang Y., Cai X., Lin S., Wang Y., Guo X. CFD Simulation of Co-Planar Multi-Rotor Wind Turbine Aerodynamic Performance Based on ALM Method. Energies. 2022;15(17):6422. https://doi.org/10.3390/en15176422
17. Rezaeiha A., Montazeri H., Blocken B. On the accuracy of turbulence models for CFD simulations of vertical axis wind turbines. Energy. 2019;180:838-857. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.05.053
18. Abramov N.B., Goman M.G., Khrabrov A.N. Aerodynamic modeling for poststall flight simulation of a transport airplane. Journal of Aircraft. 2019;56(4):1427-1440. https://doi.org/10.2514/1.C034790
19. Yang Y., Ding Z., Sun G. Dynamic analysis of a skeet-inspired vehicle to achieve a spiral scanning detection motion. Physica Scripta. 2024;99:075256. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad5650
20. Lee D.h., Kim C.-j., Lee S.h. Development of Unified High-Fidelity Flight Dynamic Modeling Technique for Unmanned Compound Aircraft. International Journal of Aerospace Engineering. 2021;513337. https://doi.org/10.1155/2021/5513337
21. Castelli M.R., Englaro A., Benini E. The Darrieus wind turbine: Proposal for a new performance prediction model based on CFD. Energy. 2011;36(8):4919-4934. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.05.036
22. Lokshin B.Ya., Samsonov V.A. Features of Movement of a Rotational Body. Mechanics of Solids. 2018;53:51-59. https://doi.org/10.3103/S0025654418010065
23. Chen L., et al. Flapping rotary wing: A novel low-Reynolds number layout merging bionic features into micro rotors. Progress in Aerospace Sciences. 2024;146:100984. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2024.100984
24. Nye-Matthew T., Wang X. Modeling, design and control of middle-size tilt-rotor quadrotor. arXiv:2411.05994v2. 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.05994
25. Belyakov D.V. Simulation Model of Releasing a Symmetric Auto-rotating Body in the Air. Modern Information Technologies and IT-Education. 2019;15(3):702-711. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.25559/SITITO.15.201903.702-711
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Редакционная политика журнала основывается на традиционных этических принципах российской научной периодики и строится с учетом этических норм работы редакторов и издателей, закрепленных в Кодексе поведения и руководящих принципах наилучшей практики для редактора журнала (Code of Conduct and Best Practice Guidelines for Journal Editors) и Кодексе поведения для издателя журнала (Code of Conduct for Journal Publishers), разработанных Комитетом по публикационной этике - Committee on Publication Ethics (COPE). В процессе издательской деятельности редколлегия журнала руководствуется международными правилами охраны авторского права, нормами действующего законодательства РФ, международными издательскими стандартами и обязательной ссылке на первоисточник.
Журнал позволяет авторам сохранять авторское право без ограничений. Журнал позволяет авторам сохранить права на публикацию без ограничений.
Издательская политика в области авторского права и архивирования определяются «зеленым цветом» в базе данных SHERPA/RoMEO.
Все статьи распространяются на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная, которая позволяет другим использовать, распространять, дополнять эту работу с обязательной ссылкой на оригинальную работу и публикацию в этом журналe.
