CC BY
58
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В ПАССАЖИРСКИХ ЗОНАХ БЛИЖНЕ-СРЕДНЕМАГИСТРАЛЬНОГО САМОЛЕТА ПУТЕМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОДНОМЕРНОГО (SimlnTech) И ТРЕХМЕРНОГО (ЛОГОС) ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Стрелец Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, начальник НИО-Ю1 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия. E-mail: [email protected] Смагин Денис Игоревич, начальник лаборатории 5 НИО-101 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Старостин Константин Игоревич, ведущий инженер, старший преподаватель факультета № 8 «Прикладная математика и физика» ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Савельев Роман Сергеевич, ведущий инженер НИО-101 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Напреенко Константин Сергеевич, инженер НИО-101 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Сокулер Максим Симонович, ведущий инженер НИО-101 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Паронькин Сергей Владимирович, ведущий инженер НИО-101 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Сатин Анатолий Анатольевич, ведущий инженер НИО-101 ФГБОУ ВО Московского авиационного института (Научно-исследовательский университет). Москва, Россия
Аннотация. Рассмотрена задача взаимодействия отечественных программных комплексов: одномерного SimInTech и трехмерного ЛОГОС на примере расчета параметров воздуха в пассажирских зонах ближне-среднемагистрального самолета. Представлены результаты моделирования системы кондиционирования воздуха, продемонстрированы особенности математического моделирования системы.
Ключевые слова: математическая модель, система кондиционирования воздуха, перспективный самолет, микроклимат, теплокомфорт.
IMPROVING THE QUALITY OF AIR PARAMETERS CALCULATION IN PASSENGER ZONES OF SHORT-MEDIUM-RANGE AIRCRAFT BY MEANS OF INTERACTION OF ONE-DIMENSIONAL (SimlnTech) AND THREE-DIMENSIONAL (LOGOS) SOFTWARE SYSTEMS
Strelets Dmitry Yu., candidate of technical Sciences the head of the NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Smagin Denis I., head of laboratory 5 NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia Starostin Konstantin I., principal engineer senior lecturer of the faculty № 8 «Applied mathematics and physics» of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Savelyev Roman S., lead engineer NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia Napreenko Konstantin S., engineer NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia Sokuler Maxim S., lead engineer NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia Paronkin Sergey V., lead engineer NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia Satin Anatoly A., lead engineer NIO-101 of the Moscow Aviation Institute (Research University). Moscow, Russia
Abstract. The paper Deals with the problem of interaction of domestic software systems: one-dimensional SimInTech and three-dimensional LOGOS on the example of calculation of air parameters in passenger areas of short-medium-range aircraft. The results of air conditioning system modeling are presented, the features of mathematical modeling of the system are demonstrated. Key words: mathematical model, air conditioning system, perspective aircraft, microclimate, thermal comfort.
Введение
Полеты современных летательных аппаратов происходят на больших высотах и скоростях, что формирует высокие требования к безопасности и комфорту экипажа и пассажиров. Одним из способов достижения показателей безопасности и комфорта является улучшение бортовых систем кондиционирования воздуха (СКВ). Авиационные СКВ предназначены для создания и поддержания в объеме гермокабины нормируемых параметров воздуха (давления, температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха и т.д.), обеспечивающих комфортные условия для экипажа и пассажиров в полете и на земле, а также необходимые тепловые режимы работы бортового оборудования.
Качественное определение параметров подаваемого воздуха в пассажирские зоны перспективного ближнесред-немагистрального самолета оказывает влияние на повышение комфорта пассажиров, приводит к снижению вероятности последующих конструкторских доработок. Однако, добиться этого можно путем повышения качества теплоги-дравлических расчетов на стадии проектирования разводки труб и СКВ в целом.
Зачастую такие системы как СКВ, топливная система, система нейтрального газа и др. включают в себя сложнораз-ветвленную сеть трубопроводов, большое количество агрегатов, а также элементов, завязанных на систему управления (например, заслонки, насосы и др.). Расчет таких систем с использованием современных программных комплексов вычислительной гидродинамики требует значительных вычислительных ресурсов, трудоемкости. Также зачастую требуется моделирование отказных ситуаций для определения поведения системы в заданных условиях (отказ заслонок, насосов и т.д.)
Для решения подобных задач при совместном гидравлическом и тепловом расчетах применяются специальные программные комплексы, позволяющие заменить реальные сложные системы и конструкции структурными схемами соответствующих им математических моделей. Одним из таких программных комплексов является российский программный комплекс SimlnTech (аналоги: LMS Amesim, Matlab Simulink, Easy 5, Flowmaster и др.). Программный комплекс SimlnTech относится к системам автоматизированного проектирования (САПР) логико-динамических систем, описываемых во входо-выходных отношениях, и обладает достаточным функционалом для решения задач проектирования и оптимизации под заданные характеристики на всех стадиях жизненного цикла системы.
Однако, надо учитывать, что одномерные программные комплексы не могут учитывать эффекты распределения температуры, давления воздуха с учетом трехмерной геометрии пассажирского салона или кабины пилотов. Также возможно появление застойных зон, или ухудшение условий комфорта из-за неравномерного распределения параметров воздуха вблизи пассажира.
Для решения корректной оценки распределения параметров воздуха вблизи пассажиров используются методы вычислительной гидродинамики (ЛОГОС, ANYS CFX, Fluent, Star CCM+), которые позволяют получить пространственное распределение искомых параметров и улучшить комфорт пассажиров.
Таким образом, для повышения качества проведения расчетов, оптимизации конструкции требуется взаимодействие одномерного и трехмерного программных комплексов.
Примером задачи взаимодействия может быть регулирование температуры в пассажирских зонах, которое осуществляется за счет подмеса горячего воздуха/ Взаимодействие программных комплексов Для реализации взаимодействия программных комплексов был рассмотрен пример обмена данных (расход, температура) для поддержания заданной температуры в салоне.
В программном комплексе SimInTech была реализована модель установки охлаждения воздуха с возможностью изменения параметров и прописана автоматика для задания режима полета и алгоритмов работы заслонок. В трехмерном программном комплексе «ЛОГОС» была подготовлена расчетная модель части салона.
На рис. 1 показано схематичное изображение динамической модели системы ЛА.
Рис. 1. Схема динамической модели системы ЛА
Структурно каждая система подразделяется на схему автоматики и схему теплогидравлики, которые обмениваются данными между собой через базу данных сигналов.
Схема автоматики содержит алгоритмы управления, принимает сигналы датчиков, преобразовывает сигналы по заданным законам и формирует сигналы (например, на изменение проходного сечения заслонки).
Схема теплогидравлики представляет собой принципиальную схему системы и включает основные агрегаты, такие как теплообменники, турбомашина, трубопроводы, заслонки и т.д.
База данных сигналов - программный модуль, который организует подключение к проекту файла базы данных сигналов, содержащего в структурированном виде глобальные сигналы (переменные) проекта.
На рис. 2 показана модель теплогидравлики установки охлаждения воздуха.
Схема теплогидравлики установки охлаждения воздуха (см. рис. 2) включает в себя следующие модели: ячеистый теплообменник, ступень компрессора идеальная, ступень турбины идеальная, обратный клапан и ручная задвижка. Также в состав входят и другие стандартные элементы расчетного кода HS: канал, граничный узел, внутренний узел.
На рис. 3 показана модель автоматики установки охлаждения воздуха. На рисунке 4 показаны пульты управления для упрощения задания параметров.
В программном комплексе SimlnTech были разработаны алгоритмы управления установками охлаждения воздуха (УОВ). Также в состав моделей схемы автоматики ближ-не-среднемагистрального самолета входят блоки задания профиля полета, позволяющие проводить моделирование системы при работе по профилю полета.
На рис. 5 показан алгоритм работы блока взаимодействия ПК ЛОГОС и ПК SimlnTech.
Блок производит двунаправленный обмен данными по протоколу TCP-IP. Формат пакета для данного блока, а также блока Сервер TCP-IP следующий (как на прием так и на передачу).
Рис. 2. Схема теплогидравлики УОВ
ГА
Профиль полета
Задатчик профиля полета
Полет HI
Параметры полета
Т=20 Р= 1,01 ES V = 0 rf =17,6
> Скорость потока воздуха, м/с
Полет Tatm
Полет Patm
> Влатасодержание, г/кг
Полет ТО
Полет РО
> Температура восстановления Тг, °С
Полет Ml
Logos T1
□¿о
ZI State
Tout Temp~|»-|^|*-
Расход Gill
Расход G
TCP-IP
Logos T1
[¿ь-
Z2 state
Рис. 3. Схема автоматики УОВ
Параметры на входе в УОВ Параметры турбоагрегатов Параметры полета
Давление, эти 5 Степени сжатия компрессоре 1 43 Высоте. V 0
Температура, С 200 Степей t. расширения турбины т 1.44 Число Мака □
Расход, кг/н 1200 Степень сжатия вентилятора 1 03 Па правка по температуре, С 5
Параметры на выходе из УОВ Степень рэсщирвния Турбины 2 2 84
Давление, етм 11 4
Температура. С |15
Рис. 4. Пульты управления
Tout Temp
Расход Gill
TCP-IP
у ч PL Logos T1
Рис. 5. Алгоритм работы взаимодействия ПК ЛОГОС и ПК SimInTech
При отправке в SimInTech (для передачи данных в модель, если в ней стоит блок TCP-сервер).
1. ID-команды (4-х байтовый int) cm_Stop = 1; //команда - стоп сервера cm_Exchange = 2; //команда - записать данные на сервер и прочитать данные с сервера cm_ExchangeWait = 3; //команда - дождаться пока не достигнет заданное время и обменяться данными cm_Disconnect = 4; //команда - отсоединение клиента
2. Модельное время клиента - 8-ми-байтовое число с плавающей запятой (double).
3. Размерность посылаемых данных (InBufLen) - 4-х-бай-товое целое число (суммарное количество чисел в посылке).
4. Массив чисел типа double размерностью InBufLen (т.е. размер в байтах будет InBufl_en*8)
При приеме от SimInTech (от модели):
1. Размерность массива принятых данных cnt (4-х байтовое целое число).
2. Модельное время сервера (модели) - (8-ми байтовое число с плавающей запятой типа double).
3. Если cnt > 0, то далее считываем массив чисел с плавающей запятой размерностью cnt (т.е. 8*cnt байт).
На вход блока приходят сигнал расхода [кг/с] и значение температуры [K], рассчитанные в схеме теплогидравлики УОВ (данные из ПК SimInTech); на выходе из блока получаем значения из ПК ЛОГОС - значения температур по датчикам в соответствии с трехмерным расчетом салона ближне-сред-немагистрального самолета. В блоке «язык программирования» происходит усреднение сигналов от датчиков; полученный обработанный сигнал поступает на алгоритм работы заслонки подмеса горячего воздуха.
Проведение взаимодействия программных комплексов осуществлялось в два этапа: расчет небольшого участка (части салона с пассажиром) и расчет всего салона пассажирского самолета.
На рисунке 6 показаны результаты моделирования температуры в пассажирских зонах ближне-среднемаги-стрального самолета путем взаимодействия одномерного (SimInTech) и трехмерного (ЛОГОС) программных комплексов для участка салона.
На пульте управления задавалась температура 15 °С; температура воздуха по сенсорам (датчикам) при этом изменялась в соответствии с расчетом в программном комплексе ЛОГОС и передавалась на алгоритм корректировки температуры в программный комплекс SimInTech. На графике представлены две кривые, соответствующие усредненной температуре сенсоров, при этом расчеты проводились с рестартом и без рестарта. Под понятием «рестарт» подразумевается проведение предварительного расчета без включения обмена данными между программными комплексами, т.е. предварительное уменьшение погрешности температуры сенсоров от итерации к итерации расчета, в каждом программном комплексе. Соответственно после получения предварительного решения - рестарта, включается обмен данными между программными комплексами. Как видно из графика
в данном случае погрешность температуры значительно меньше и составляет ±2 °С через 50 с. Объясняется это тем, что при решении без рестарта происходит нарастание погрешности в одном из программных комплексов, которое передается другому программному комплексу - итог очевиден, увеличение общей погрешности определения параметров, получение колебаний изменения температуры.
На рис. 6 показано распределение температуры воздуха [К] вблизи пассажира. Область расположения сенсоров показана стрелкой; как видно из рисунка заданная температура воздуха достигается.
— Заданная температура
Температура сенсоров (без рестарта)
20 30
Время, с
Рис. 6. Изменение температур в расчетной области
На рис. 7 показано распределение температуры воздуха [К] вблизи пассажира. Область расположения сенсоров показана стрелкой; как видно из рисунка заданная температура воздуха достигается.
Рис. 7. Распределение температуры воздуха вблизи пассажиров
На рис. 8 показаны распределения температуры воздуха [К] в салоне по сечениям в начальный момент времени и по прошествии некоторого времени.
На рис. 9 представлена визуализация дыхания пассажиров путём применения фильтра СК_С02, определения концентраций углекислого газа, содержащегося в выдыхаемом воздухе. Данный фильтр, кроме всего прочего, позволяет определять застойные области в салоне.
После анализа работы взаимодействия программных комплексов и получения положительного результата на участке салона пассажирского самолета, был проведен расчет всего салона. На рис. 10 показана расчетная модель салона пассажирского самолета.
CXJXß
13 CGOOQOe-903 2.900000|МШ 2.800000H)03
ШИМ
2 вОООООв-ООЗ 2 SOOllODe-Ш 3JODDOOe-003 2.300000e-003 2.200000e-003 2 1000Me-003 И2.ООООООМЮЗ
■ 1 ИИКОе-ГО .1.SOOOWHM3 ,1.7000008-003 J1 вОООООе-ООЗ
Lj 1 5О00Ме-Ш
■ 1 лоопмт 11 ЗОООЙМОЗ 11 2ЯШМОЗ НмОООООе-ООЗ
.ОООООММ
Распределение температуры в салоне в продольных сечениях
Рис. 8. Распределение температуры в салоне
Рис. 9. Визуализация дыхания пассажиров
Рис. 11. Результаты моделирования температуры салона ближнесреднемагистрального самолета
На рис. 11 и 12 представлены графики с результатами расчета полной компоновки салона пассажирского самолета. В расчете салона учитывается дыхание, пото- и тепловыделение от пассажиров и изменение параметров влажного воздуха; таким образом происходит детализация интересующей области расчета с уменьшением затрат по времени и снижением затрат вычислительных ресурсов. График содержит линию заданной температуры для пассажирских зон, кривую осредненной температуры по сенсорам и кривую значения температуры воздуха, подаваемого в салон. Как видно из результатов расчета, отклонения осредненной температуры воздуха по значениям сенсоров от заданной составляют составляет ±2 °С через 46 с. На втором графике изображено изменение средней температуры в салоне по времени.
Заключение
Взаимодействие одномерного и трехмерного программных комплексов показало возможность повышения быстроты и качества расчетов за счет детализации результатов в интересуемых областях с помощью применения трехмерного кода (ЛОГОС) и сокращения времени расчета сложных схем за счет применения одномерного кода (SimInTech). Применение одномерного и трехмерного комплексов целесообразно для моделирования и других бортовых систем летательных аппаратов, например, топливной системы. Решение этой задачи позволит повысить качество производимых расчетов, что необходимо для оптимизации конструкции бортовых систем ЛА.
Рис. 12. Изменение средней температуры в салоне самолета по времени
Литература
1. Справка по SimInTech: http://simintech.ru.
2. Шустров Ю.М., Булаевский М.М. Авиационные системы кондиционирования воздуха: Уч. пос. для студентов авиационных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1978. 160 с.; ил.
3. Старостин К.И., Шустров Ю.М. Исследование работы петлевой схемы влагоотделения на влажном воздухе // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 1. С. 7-15.
4. Шустров Ю.М., Старостин К.И. Решение задач проектирования авиационных систем кондиционирования воздуха на ПЭВМ: Учеб. пос. М.: Изд-во МАИ, 1998. 136 с.: ил.
5. Старостин К.И. Математическое моделирование авиационных систем кондиционирования воздуха с учетом влажности // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 2. С. 141-145.
6. Козлов О.С., Тимофеев К.А., Ходаковский В.В. и др. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем. М.: Информационные технологии, № 9, 2005.
7. Колесов Ю.Б. Объектно-ориентированное моделирование сложных динамических систем. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004.
8. Паршиков И.А., Петухов В.Н. и др. Программный комплекс SimInTech для моделирования сложных технических систем // Труды международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2013.
9. Матвеенко А.М. Системы механического оборудования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 2005. 558 с.
10. Погосян М.А., Савельевских Е.П., Шагалиев Р.М., Козелков А.С. и др. Применение отечественных суперкомпьютерных технологий для создания перспективных образцов авиационной техники // Журнал ВАНТ. Сер. «Математическое моделирование физических процессов». 2013. Вып. 2. С. 3-17.
