CC BY
23
УДК 533.6.011.32 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-331-335
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА
А.И. Круглов, Д.Б. Скорлупкин, Д.В. Сладков
Рассматривается возможность исследования аэродинамических характеристик тела цилиндрической формы при дозвуковых скоростях и различных углах атаки. Также проводится сравнение полученных результатов с натурным экспериментом.
Ключевые слова: воздушный поток, рабочее тело, цилиндрическое тело, коэффициент аэродинамического сопротивления.
В настоящее время при разработке и исследовании конструкций летательных аппаратов (ЛА) все чаще применяются программные комплексы моделирования физических процессов, что обусловлено растущим количеством задач по проектированию перспективных изделий, сокращением времени разработки и удорожанием экспериментальных исследований в аэродинамических трубах и проведения прочих натурных экспериментов. В связи с этим возрастает актуальность выбора метода численного моделирования с учетом физических процессов, протекающих при функционировании изделия.
Одной из таких, на первый взгляд простых задач, является задача обтекания цилиндрического тела дозвуковым потоком при различных углах атаки. Для численного моделирования этой задачи могут быть использованы такие программные комплексы как Ansys, SolidWorks Flow Simulation и FlowVision. При этом наиболее широкие возможности для решения аэродинамических задач при относительной простоте использования дает комплекс Ansys Fluent, позволяющий использовать различные модели турбулентности, детально прорабатывать расчетную сетку и т. п.
Целью настоящей работы является оценка работоспособности и точности моделирования обтекания цилиндра в программном комплексе Ansys Fluent путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными при продувках в аэродинамической трубе.
Проведен расчета обтекания дозвуковым потоком воздуха цилиндрического тела диаметром 300 мм и удлинением 6 при скорости потока 220 м/с, температуре окружающей среды 300 К, давлении 0,1 МПа и углах атаки цилиндра от 0° до 180° в трехмерной постановке задачи.
Оценку сходимости полученных результатов с экспериментальными данными целесообразно проводить по одному из аэродинамических параметров. В данной статье таким параметром принят коэффициент лобового сопротивления Cx, вычисляемый по отношению к диаметру цилиндра. В качестве критерия сходимости использованы относительные погрешности полученных результатов по отношению к данным продувок аналогичного цилиндра в аэродинамической трубе ЦАГИ при той же скорости обтекания для различных углов атаки.
Все этапы моделирования проведены в стационарном режиме, что подразумевает обтекание потоком воздуха неподвижного тела, а также моделирование без учета частных случаев не стационарности воздушного потока. Данный подход позволяет проводить расчет в десятки раз быстрее по сравнению с нестационарной постановкой, что является крайне важным аспектом при отсутствии доступа к значительным вычислительным мощностям [1].
Первоначально для решения задачи использовалась модель турбулентности второго порядка к-а SST-вида (где к - кинетическая энергия турбулентности, а -удельная скорость диссипации). Данная модель подразумевает численное моделирование течения в объеме при помощи системы уравнений к-е, а в пристеночной области,
331
при недостаточном разрешении расчетной сетки и недостаточном минимальном размере ячейки пограничного слоя, для решения задачи обтекания применяются пристеночные модели обтекания. В случае, когда разрешении сетки в пограничном слое достаточно, численное моделирование производится непосредственно по расчетной сетке. В результате применения данной модели турбулентности получены значения Сх1, приведенные в таблице.
Коэффициенты лобового сопротивления
а, 0 Сх1 Сх2 Схэ АСХ1,% АСХ2,%
0 0,94 0,93 0,92 2,17 1,09
20 1,37 1,62 1,48 7,4 9,46
40 1,77 2,93 2,93 39,6 0
60 1,92 5,5 5,22 63,2 5,36
80 2,66 6 5,45 51,2 10,1
90 2,49 6,25 5,85 57,4 6,84
100 2,66 6,6 6,6 59,7 0
120 1,92 5,5 5,5 65,1 0
140 1,77 2,93 2,926 39,5 0,137
160 1,37 1,62 1,48 7,43 9,46
180 0,94 0,93 0,92 2,17 1,09
Следующий ряд исследований проведен с применением модели турбулентности третьего порядка к-к1-а (где к - кинетическая энергия турбулентности, а - удельная скорость диссипации, к1 - ламинарная кинетическая энергия). Принцип численного моделирования течения потока данной модели аналогичен ранее использованной, но при этом в ней добавляется уравнение и дополнительная переменная, относительно которой решается система и которая учитывает кинетическую энергию ламинарного течения. Такая модель дает лучшие результаты при решении задач внешней баллистики плохообтекаемых тел с отрывными течениями в пограничном слое и сложных течений потока в целом. В результате применения данной модели турбулентности получены значения Сх2, приведенные также в табл. 1.
Поскольку в используемых для расчета геометрических моделях положение исследуемого тела отличается лишь углом атаки, дискретизация расчетной сетки в них аналогична и ее разрешение составляет около 2,5 миллионов ячеек, с измельченным пограничным слоем в пристеночных областях. Также следует отметить, что модель цилиндра исследовалась без масштабирования, что напрямую сопряжено с минимальным размером ячейки и требует более детальной отработки выбора используемых моделей турбулентности.
Рис. 1. График зависимости Сх (а): 1 - Cxi; 2 - Сх2; 3 - Схэ
332
Из результатов, приведенных в таблице и на рис. 1, можно сделать вывод о том, что при обтекании цилиндра дозвуковым потоком полученные результаты коэффициента лобового сопротивления при углах атаки 0° до 180° достаточно близки к экспериментальным данным при использовании модели турбулентности k-kl-rn, а относительная ошибка значений не превышает 10,1 %.
В случае же с моделью вида k-rn SST приемлемая сходимость наблюдается лишь на малых углах атаки (до 20°), где относительная ошибка не превышает 7,4 %, при больших углах атаки с использованием данной модели турбулентности относительная ошибка достигает от 39,5 до 65,1 %.
Это связано с тем, что при углах атаки больше 40° и дозвуковых скоростях вблизи поверхности цилиндрического тела возникают отрывные течения воздушного потока, которые следует учитывать моделировании процесса обтекания [2]. Влияние отрыва потока учитывается уравнениями моделей турбулентности различных порядков и различного вида по-разному, что зачастую и приводит к значительному расхождению между результатами проведенного расчета и эксперимента [1]. Разница в результатах численного моделировании процесса обтекания цилиндра при наличии отрывных течений вблизи поверхности тела отчетливо видна на градиентных картинах распределения скорости потока в расчетной области, представленных на рис. 2 и 3.
■contour-1 Vsiociiv MaaniiLide • 4"4e+D2
I
3.73S+02 3.3'£-02 2305+02 2 4Эе+02 2.076+02 i se.s+02 1 245+02 3.2ЭЁ+0-1 414e+Ji ■ 0:00s+00
Рис. 2. Градиентная картина распределения скорости потока в расчетной
области для случая использования модели к-со
г
2:Э0е+02 254S+02 2.136-02 | 1 Sis+02 1 45е-Э2 1.03S+02 • 7J2Se*01 3.5 36+01
Рис. 3. Градиентная картина распределения скорости потока в расчетной области для случая использования модели к-к1-ю
333
При этом следует иметь в виду, что при выборе модели турбулентности с увеличением ее порядка время расчета и потребные вычислительные мощности возрастают, и это не всегда приводит к повышению точности получаемых результатов, поскольку у всех таких систем уравнений имеется своя специфика в части применимости к различным задачам и возможности работы с различными расчетными сетками.
Помимо прочего, необходимо отметить, что временные затраты, при аналогичной постановке задачи и мощности рабочей станции, для модели турбулентности вида k-kl-rn в 2-3 раза превышают затраты на решение задачи с применением модели вида k-о SST. Но, поскольку необходимость решения задач обтекания потоком воздуха такого вида тел, с углами атаки более 20° возникает крайне редко и в специфических задачах, то для большинства случаев решение с использованием модели турбулентности вида ко SST вполне приемлемо и позволяет сократить временные затраты на проведение исследования.
Из проведенных расчетов и анализа полученных результатов следует, что даже при неимении доступа к значительным вычислительным мощностям, таким как серверные вычислительные станции, возможно проведение моделирования обтекания воздушным потоком тел цилиндрической формы, подобрав нужную модель турбулентности, что обеспечивает программный комплекс Ansys Fluent. При этом точность получаемых значений аэродинамических характеристик будет достаточно высока, что позволяет значительно снизить финансовые затраты на проведение испытаний.
Список литературы
1. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ANSYS: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 77 с.
2. Петров К.П. Аэродинамика ракет. М.: Машиностроение, 1977. 136 с.
Круглое Александр Игоревич, инженер, [email protected], Россия, Тула, АО «НПО «Сплав» им. А.Н. Ганичева,
Скорлупкин Дмитрий Борисович, начальник отдела, daemychamail.ru, Россия, Тула, АО «НПО «Сплав» им. А.Н. Ганичева,
Сладков Дмитрий Валерьевич, магистрант, sladckov. d@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGATION OF THE AERODYNAMICS OF A CYLINDRICAL BODY IN A THREE-DIMENSIONAL PROBLEM STATEMENT. DEVELOPMENT OF THE PROCESS
MODELING METHODOLOGY
A.I. Kruglov, D.B. Skorlupkin, D. V. Sladkov
The article considers the possibility of studying the aerodynamic characteristics of a cylindrical body at subsonic speeds and different angles of attack. The obtained results are also compared with the field experiment.
Key words: air flow, working fluid, cylindrical body, coefficient of aerodynamic
drag.
Kruglov Alexander Igorevich, engineer, alklQ ayandex.ru, Russia, Tula, JSC SPA «Splav» named after A. N. Ganichev,
Skorlupkin Dmitri Borisovich, head of the department, daemychamail. ru, Russia, Tula, JSC SPA «Splav» named after A. N. Ganichev,
334
Sladkov Dmitri Valeryevich, student, sladckov. d@ yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 658.345+06 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-3-335-340
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЕЙ ШУМА ОТ ЛИНИИ РОЗЛИВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
М.В. Балинская, А.Н. Чукарин
Представлены результаты экспериментальной оценки уровня шума и вибрации линии розлива технологических жидкостей. Наиболее шумными являются машины, предназначенные для ополаскивания и наполнения бутылок, а также брокеражный автомат. Остальные машины также превышают санитарные нормы, что ни столь существенно как выше отмеченные. Полученные результаты помогут разработать рекомендации по улучшению качества труда операторов.
Ключевые слова: шум, вибрация, уровни шума, предельно допустимые значения, акустические характеристики.
Розлив технологических жидкостей (линии розлива химических и технических жидкостей) является довольно шумным производством и, кроме того, при работе линий розлива и упаковки имеют место повышенные вибрации. Необходимо отметить, что одним из наиболее значимых факторов в процессе утомляемости работников, является шумовой дискомфорт. Поэтому измерениям виброакустических факторов уделяется такое большое внимание. В нашем случае измерения уровня шума и вибраций осуществлялись по стандартным методикам с использованием анализаторов-шумомеров «Экофизика - 110 А». [1, 2]. И на основе измерений проводилась статистическая обработка результатов испытаний [3, 4]. Результаты этих исследований приведены ниже.
Линия розлива технологических жидкостей состоит из 8 автоматов и соединяющих их транспортёров [5]. Работу этой линии необходимо разделить на несколько операций. Так как технологические жидкости заливаются в бутылку под давлением, то на первой операции бутылку прежде, всего необходимо испытать под давлением воздуха. Бутылки на первый транспортёр выкладываются вручную и двигаются к автомату «Испытатель бутылок».
Результаты измерений показали, что только в первой октаве уровни звукового давления ниже предельно-допустимого значения. Уровни шума возрастают до третьей октавы, а на более высоких частотах характер спектра ниспадающий. Спад уровней звукового давления в частотном интервале 125...500 Гц составляет 5 дБ на октаву. Фактически на данном рабочем месте уровни шума превышают предельно-допустимые значения в очень широком частотном диапазоне 63. 8000 Гц.
Закономерности распределения превышений уровней звукового давления над нормативными значениями несколько иные (рис. 1, б), в интервале 63.500 Гц величины превышений возрастают по мере увеличения частоты, а в диапазоне 1000.8000 Гц наблюдается уменьшение значений превышений уровней звукового давления. Максимальные значения зафиксированы в области частот 500.1000 Гц и достигает максимума в пятой октаве - 17 дБ.
После «Испытателя», бутылка попадает в «Филблок» - это автомат, выполняющий три операции. В «Филблоке» бутылка сначала ополаскивается, далее в неё заливаются технологические жидкости под давлением и запечатывается пробкой.
