CC BY
96
Международный информационно-аналитический журнал «CredeExperto: транспорт, общество, образование, язык». № 1 (03). Март 2015 (http://ce.if-mstuca.ru)
УДК 629.7.016 ББК 39.5 В909
Ю. Ф. Вшивков Иркутск, Россия Е. А. Галушко Иркутск, Россия С. М. Кривель Иркутск, Россия
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ РАСЧЁТА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ANSYS
В статье приводятся основные результаты оценки достоверности расчёта аэродинамических характеристик несущей системы вблизи подстилающей поверхности. Оценка выполнена на основе сопоставления результатов расчёта с экспериментальными данными и результатами расчётов других авторов с использованием альтернативных методик.
Ключевые слова: аэродинамические характеристики; экраноплан.
UDC 629.7.016 BBК 39.5
Y. F. Vshivkov Irkutsk, Russia E. A. Galushko Irkutsk, Russia S. M. Krivel' Irkutsk, Russia
© Вшивков Ю. Ф., Галушко Е. А., Кривель С. М., 2015
COMPREHENSIVE RELIABILITY ASSESSMENT OF AERODYNAMIC CHARACTERISTICS COMPUTED WITH ANSYS FOR COMPOUND OBJECTS
The article presents the main assessment results of calculating reliability of aerodynamic characteristics of a support system near the underlying surface. The assessment is based on comparing the calculation results with the experimental data and the results obtained by other authors using alternative methods.
Key words: aerodynamic characteristics; a WIG vehicle.
Вычислительная аэродинамика в настоящее время интенсивно внедряется в практику аэродинамического проектирования благодаря бурному развитию компьютерных технологий. Одним из общепризнанных лидеров в этой области является программный пакет конечно-элементного анализа ANSYS Inc.
Пакет ANSYS является обширной и сложной CAD или CFD системой, ориентированной на решение широчайшего круга задач конечно-элементного анализа. Его приложение к конкретным практическим задачам требует серьезного анализа результатов моделирования на предмет достоверности и применимости результатов. Настоящая работа посвящена оценке достоверности расчёта аэродинамических характеристик экраноплана с использованием ANSYS CFX и ANSYS FLUENT, проведению методических исследований по выбору параметров программ ANSYS для расчёта, определению допустимых кинематических параметров обтекания (области применимости пакета программ). Существенной особенностью работы является предмет её исследования - экраноплан (несущая система экраноплана) с реализацией на некоторых режимах отрывного обтекания с интенсивным вихреобразованием.
Для оценки достоверности были выбраны экспериментальные данные работы [Барщев, Андреенко, Холявко, Усик, 1978, с. 80]. Эта работа была выполнена специально для оценки достоверности различных методов расчёта аэродинамических характеристик, в частности, метода дискретных вихрей. Исследуе-
мое тело представляет собой крыло квадратной формы с тонким симметричным профилем (рис. 1).
Такая форма крыла предполагает наличие мощных, оказывающих значительное влияние на аэродинамические характеристики, перетеканий через боковые кромки и отрыв потока с передней кромки крыла уже на относительно небольших углах атаки.
W)
гч
Рис. 1. Модель крыла малого удлинения
Задание геометрии и построение сетки модели производились в ANSYS IcemCFD, расчёт выполнялся в ANSYS FLUENT, а для создания визуализации обтекания, полей давления и скоростей использовался ANSYS CFDPost. Исследуемая 3D модель была помещена в специально смоделированное ограниченное пространство в виде канала прямоугольного сечения (математический аналог аэродинамической трубы). Начало и конец этой трубы являлись, соответственно, входом и выходом потока. Расчёты выполнялись для всего спектра расчётных сеток, представляемых ANSYS. Максимальное число конечных элементов достигало примерно 2...3 миллиона (рис. 2). Материальное тело - AIR (воздух). В качестве модели турбулентности была выбрана k-s-модель (кинетическая энергия турбулентности к и скорость её диссипации s). Скорость невозмущенного потока задавалась реальной из условий эксперимента (40 м/c).
Рис. 2. Расчётная сетка модели
В работе [Барщев, Андреенко, Холявко, Усик, 1978, с. 80] экран моделировался при помощи зеркально-отображенных моделей крыльев, которые с помощью специального устройства крепились к ферме аэродинамических весов и при изменении угла атаки основного крыла синхронно поворачивались на зеркально-отображенный угол при сохранении заданного зазора между кромками схода.
ANSYS предлагает наиболее корректный метод моделирования экрана подвижный экран. Это обеспечивается заданием на экране граничного условия подвижной стенки (movingwall). В этом типе граничного условия стенка движется со скоростью невозмущенного потока. Проводились расчёты для всего спектра возможностей ANSYS по заданию поверхности экрана (экран задавался как: стенка трубы с реальными свойствами и идеальная стенка трубы без трения воздушной среды).
Следует отметить, что на создание сетки и на сам расчёт для компьютера с процессором AMD Phenom II X6 1090T (6 ядер), оперативной памятью 8 ГБ и операционной системой Windows 7 64-bit SP1, требуется, в среднем, около 1 ч 30 мин.
Пример сопоставления результатов расчёта и экспериментальных данных приведен на рис. 3, 4, 5, 6.
с
1,8 1.6 1.4
1 2 1 0,8
0,6 0,4 0.2 0 -0.2 -0.4
Эсперимент i Расчет
10 15
а
20
25
30
Рис. 3. Зависимость коэффициента подъёмной силы сУа от угла атаки а
при относительном отстоянии от поверхности раздела Ь= 0,05
а
1.8
1.6 1.4
1.2 1
с
Уа
0.6 0.4
ОД О
-0,2 •0.4
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Рис. 4. Поляра крыла при относительном отстоянии от поверхности
раздела Ъ= 0,05
Расчет Эсперимент
с
1.6 1.4
и 1 0.8
0.4 0,2 0 «.2
Эсперимент %
Расчет
10
1$ 20
а
25
30
Рис. 5. Зависимость коэффициента подъёмной силы сУа от угла атаки а при относительном отстоянии от поверхности раздела Ь= 0,2
1.6 М
1
г 1 н
Ч
0,6 0,4 0,2 О 0,2
Расчет
Эсперимент
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0.6
0.7
с,.
Рис. 6. Поляра крыла при относительном отстоянии от поверхности
раздела Ь= 0,2
Следует обратить внимание, что при общем удовлетворительном совпадении результатов расчёта, существует существенное качественное расхождение при нулевом угле атаки а по значению коэффициента подъёмной силы с^ . Данный вопрос подвергся самому серьёзному изучению и явился одним из
а
а
примеров преимущества применения ANSYS даже в сравнении с физическим экспериментом. Моделирование экрана подвижной поверхностью с достаточно полным описанием реального взаимодействия воздуха и экрана позволило описать известные и подтвержденные специальными исследованиями эффекты взаимодействия экрана и несущей системы. В качестве примера на рис.7 показано наличие зоны разряжения в окрестности задней кромки на угле атаки 5 градусов и отсутствие этой зоны при дальнейшем увеличении угла атаки. Причина состоит в изменении формы канала в окрестности задней кромки и поджатие струек.
б
Рис. 7. Поле местных скоростей и давлений в плоскости симметрии крыла: а - угол атаки а = 5 градусов; б - угол атаки а = 10 градусов
Переход к моделированию обтекания более сложных компоновок так же требует постоянного или промежуточного контроля достоверности результатов (качественного и количественного). Так, высокая инженерная ответственность исследования, представленная на рис.8 несущей системы экраноплана, потребовала проведения специальных, достаточно сложных экспериментальных работ.
Рис. 8. Несущая система экраноплана схемы тандем
Было выполнено три комплекса экспериментальных работ: параметрические исследования компоновки; визуализация обтекания; исследования распределенных аэродинамических характеристик.
Проведены параметрические экспериментальные исследования компоновки экраноплана с целью получения аэродинамических характеристик и выбора оптимальных (рациональных) параметров аэродинамической компоновки [Акулов, Курганский, Кривель, 2009, с. 256]. Наибольший интерес представляют экспериментальные данные визуализации обтекания исследуемой компоновки в вертикальной гидродинамической трубе [Горяинов, Заволженский, Кривель, 2008, с. 568] и исследование распределенных по поверхности компоновки местных давлений (коэффициентов давления).
Вертикальная гидродинамическая труба (рис.9) позволяет визуализировать обтекание модели методом красок или водородных пузырьков. Метод водородных пузырьков заключается в следующем. Экспериментальная модель исполняется из диэлектрического материала с выводом электропроводящих элементов в местах, где необходимо организовать выход мельчайших пузырьков водо-
рода. Обычно это передние, задние и боковые кромки несущих поверхностей. За счет организованной разницы потенциалов импульсного постоянного тока между моделью и корпусом трубы явление электролиза воды приводит к образованию поверхностей водородных пузырьков, движущихся вместе с жидкостью. Скорость всплытия мелких пузырьков пренебрежимо мала. Использование различных способов организованных подсветок и использование фото- и видеофиксации позволяет изучать и документировать особенности обтекания (в том числе, с интенсивным вихреобразованием) различных неподвижных и подвижных объектов (рис.10).
Рис. 9. Схема вертикальной гидродинамической трубы
Рис. 10. Спектр обтекания несущей системы на виде в плане при угле атаки а= 10 градусов
На рис.11 представлены результаты расчётов, демонстрирующие совпадения с результатами описанного выше эксперимента.Метод сопоставления результатов расчётов с экспериментальными данными, безусловно, является самым надежным методом оценки достоверности расчётов.
б
Рис. 11. Результаты расчёта для угла атаки а= 10 градусов: а - спектр распределения местного давления по поверхности компоновки и трубы; б - линии тока и схема образования вихревой пелены на передней несущей поверхности
В рамках настоящей работы была выполнена экспериментальная работа по исследованию распределенных по поверхности несущей системы местных давлений. Поверхность модели дренирована (рис. 12). Измерение давления производится батарейным манометром высокой точности.
9 - -- ъ •
Г— Ч
—» • • 1
— *
Рис. 12. Экспериментальная модель несущей системы с моделью экрана со сливом собственного пограничного слоя
Сравнение экспериментальных данных с результатами расчётов позволило сделать вывод о высокой достоверности численного моделирования во всем диапазоне востребованных параметров расчёта (углов атаки и скольжения, отстояний от поверхности раздела, углов отклонения органов управления и т.д.). Полученные оценки достоверности результатов расчёта позволяют обеспечить высокую надежность исследований динамики движения, устойчивости и управляемости экраноплана [Вшивков, Галушко, Кривель, 2013, с. 522].
Библиографический список
1. Акулов О.В., Курганский В.Г., Кривель С.М. Аэродинамическое проектирование экраноплана схемы «утка» оригинальной компоновки с обеспечением рациональных летно-технических и пилотажных характеристик / О. В.Акулов, В. Г. Курганский,С. М. Кривель // Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России: сборник науч-
ных трудов по материалам 1 -й Научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов. 6 ноября 2009 г. - Иркутск: ИФ МГТУ ГА, 2009. - 256 с.: ил.
2. Барщев И.В. Аэродинамические характеристики частей летательных аппаратов вблизи земли и в ограниченных потоках/ И. В. Барщев [и др.] //Влияние формы в плане на аэродинамические характеристики крыла малого удлинения в ограниченном потоке. Отчет по НИР, номер государственной регистрации 78075544. Ч. 2. Харьков: Харьковский авиационный институт, 1978. 80 с.: ил.
3. Вшивков Ю.Ф. Синтез эффективной автоматической системы управления экранопла-нов / Ю. Ф. Вшивков, Е. А. Галушко, С. М. Кривель // Решетневские чтения: материалы 17 Международной научной конференции, посвященной памяти генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева (12...14 нояб. 2013 г., Красноярск): в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. - Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2013. Ч. 1. - 522 с.: ил.
4. Горяинов А.М. Опыт визуализации течений в гидродинамических исследованиях методами водородных пузырьков и красок / А.М.Горяинов, А.Е.Заволженский, С.М.Кривель// Голография: фундаментальные исследования, инновационные проекты и нанотехноло-гии:материалы 26 школы по когерентной оптике и голографии. Иркутск: Издательство «Папирус», 2008. 568 с.: ил.
