CC BY
17
DETERMINATION OF THE MAIN ENERGY EFFICIENCY CRITERIA FOR THE DESIGN
OF A BURIED BUILDING
M.Kh. Kangezova, L.B. Khakhandukova
In connection with the need to improve the energy efficiency of the projected construction object, the article considers the main categories that have the maximum impact on the quality and safety of the object. International certification standards serve as a tool for achieving the goals of safe and reliable construction of buildings, allows you to pay attention to minimizing emissions and efficient allocation of resources. The conducted studies of the complex analysis of the influence of many parameters and their combinations will increase the efficiency and safety of the building, and increase the service life.
Key words: efficiency, "Green" standards, safety, regulatory support, technical conditions, organizational and technological aspects, systematization.
Kangezova Maryanna Khadisovna, lecturer, kangezovamh@mgsu. ru, Russia, Moscow, National research Moscow state University of civil engineering,
Khakhandukova Lilia Borisovna, master, lily.khakhandukova@,yandex.ru, Russia, Moscow, National research Moscow state University of civil engineering
УДК 533.6.011.32 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-176-180
ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОХООБТЕКАЕМОГО ТЕЛА
Д.В. Сладков
В статье рассматривается определение аэродинамических характеристик устройства выброса и доворота при дозвуковых скоростях и различных углах атаки путем численного моделирования. Проводится сравнение полученных результатов с расчетными аэродинамическими характеристиками при использовании упрощенной модели объекта.
Ключевые слова: воздушный поток, устройство выброса и доворота, коэффициент аэродинамического сопротивления, цилиндр, летательный аппарат.
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. Это особенно важно при определении аэродинамических характеристик (АДХ) сложных конструкций и макетов изделий, поскольку в таком случае сложности и удорожанию проведения эксперимента способствует необходимость изготовления образца изделия.
Одной из таких задач является определение коэффициента лобового сопротивления устройства выброса и доворота (УВД) (рис. 1) при различных углах атаки. Данное устройство предназначено для выброса ЛА из контейнера, придания ему требуемой скорости и ориентации на начальном участке траектории с последующим отсоединением устройства. Актуальность данной задачи обусловлена необходимостью достаточно точного расчета области падения УВД для исключения нанесения ущерба как людям, так и различным конструкциям на поверхности, что напрямую связано с АДХ исследуемого объекта.
<1
Рис. 1. Устройство выброса и доворота (продольное сечение)
При построении геометрической модели принято допущение о заглушённой в зоне критики сопла полости устройства. Это обусловлено тем, что на дозвуковых скоростях оказываемое на ЛА давление достаточно мало и затекание воздуха в полость через критическое сечение либо исключается полностью, либо будет незначительным.
Для численного моделирования данной 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 сравнение полученных в программном комплексе Ansys Fluent коэффициентов лобового сопротивления для УВД с аналогичным результатами, полученными для упрощенной модели устройства - в виде цилиндра [1].
Расчеты проводились для обтекания дозвуковым потоком воздуха исследуемого тела с максимальным диаметром 300 мм и удлинением 6 при скорости потока 220 м/с, температуре окружающей среды 300 К, давлении 0,1 МПа и углах атаки от 0° до 180° в трехмерной постановке задачи.
Сравнение проводилось с результатами расчетов, полученных для упрощенной модели устройства в виде цилиндра с аналогичным габаритными размерами [1]. Следует отметить, что моделирование обтекания цилиндра проводилось в стационарной постановке и дало хорошее согласование с экспериментальными данными. Однако, попытки проведения расчетов для тела с полостями (рис. 1) не дали положительных результатов. В этой связи расчеты проводились в нестационарной постановке, что необходимо для более точного моделирования перемещений потока воздуха при затекании его в имеющиеся в устройстве полости и вытекания из них. При этом объект исследования находился в неподвижном состоянии, а требуемая скорость перемещения реализуется заданием скорости набегающего потока [2].
Для решения задачи использовалась модель турбулентности второго порядка k-а SST-вида (где k - кинетическая энергия турбулентности, а - удельная скорость диссипации). Данная модель подразумевает численное моделирование течения в объеме при помощи системы уравнений k-e, а в пристеночной области, при недостаточном разрешении расчетной сетки и недостаточном минимальном размере ячейки пограничного слоя, для решения задачи обтекания применяются пристеночные модели обтекания. В случае же, когда разрешении сетки в пограничном слое достаточно, численное моделирование производится непосредственно по расчетной сетке.
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 2,3 миллионов ячеек, со сгущением к поверхностям исследуемого тела. Также следует отметить, что модель УВД исследовалась в масштабе 1:40000, что необходимо для точного разрешения пограничного слоя и исключения чрезмерного увеличения числа ячеек расчетной сетки.
Результат расчета коэффициента лобового сопротивления УВД Cxi при различных углах атаки приведены в таблице и на рис. 2. Там же приведены аналогичные результаты расчетов значений Сх2 для цилиндра.
Коэффициенты лобового сопротивления
а, 0 Сх1 Сх2 АСх,%
0 2,42 0,93 61,5
45 5,53 3,4 38,5
90 6,44 6,25 3
135 5,14 3,3 36
180 2,49 0,94 62
[7L /
111
/ / \ \
/ \
/
О 45 90 135 и
Рис. 2. График зависимости Сх (а): 1 - Cxi; 2 - Сх2
Из результатов, приведенных в табл. 1 и на рис. 2, можно сделать вывод о том, что при обтекании цилиндра и УВД дозвуковым потоком значения коэффициентов лобового сопротивления при углах атаки от 0° до 180° значительно отличаются - относительная погрешность АСх= (Cxi- Сх2) -100/ Cxi достигает 62 %. Это связано с сильным влиянием внутренней полости объекта и большей площадью поверхности, на которую воздействует сила трения (рис. 3). Также возрастанию коэффициента лобового сопротивления способствует влияния сопла, за счет чего несколько возрастает донное сопротивление исследуемого устройства. При этом на промежуточных углах атаки поток воздуха затекает в данную полость не столь интенсивно, а обтекаемый профиль УВД становится ближе к профилю цилиндра, что видно на рис. 4, значения АСх уменьшаются и при а=900 составляет всего 3 %.
Рис. 3. Распределения скорости потока в расчетной области при угле атаки УВД, равном 0° 178
Ve?MTf Маопйш*
|2.мв*оа
гот+н» 1.818*02
l| 1.3O0-O2 [ 11)46+02 II ?.7®в*01 H 51*4-01
В i' УЭп-01
Рис. 4. Картина распределения скорости потока в расчетной области при угле атаки УВД, равном 45°
Таким образом, из проведенных расчетов и анализа полученных результатов следует, что при решении подобных задач упрощение геометрии исследуемого изделия приводит к появлению относительных ошибок для АДХ от 3 до 62%, что совершенно недопустимо при их использовании для решения прикладных задач. В частности, при расчете области падения УВД, получаемые зоны в случае использования АДХ цилиндра будут существенно шире реальных, что впоследствии может привести к небезопасному расположению людей, конструкций и техники.
При этом следует иметь в виду, что при численном моделировании обтекания тела сложной формы для получения достаточно точных результатов следует проводить расчеты в нестационарной постановке, что увеличивает время проведения вычислений примерно в 10 раз с учетом масштабирования геометрической модели по сравнению со временем расчета в стационарной постановке.
Список литературы
1. Круглов А.И., Скорлупкин Д.Б., Сладков Д.В. Численное моделирование дозвукового обтекания цилиндрического тела // Известия тульского государственного университета. Системный анализ, управление и обработка информации. 2021. № 3. С. 331-334.
2. Денисов М.А. Компьютерное проектирование. ANSYS: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2014. 77 с.
3. Петров К. П. Аэродинамика ракет. М.: Машиностроение, 1977. 136 с.
Сладков Дмитрий Валерьевич, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
NUMERICAL CALCULATION OF THE AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF A POORLY STREAMLINED BODY
D.V. Sladkov
The article deals with the determination of the aerodynamic characteristics of the ejection and rotation device at subsonic speeds and different angles of attack by numerical simulation. The obtained results are compared with the calculated aerodynamic characteristics when using a simplified object model.
Key words: air flow, ejection device, drag coefficient, cylinder, aircraft.
Sladkov Dmitrii Valeryevich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
