Аэродинамика — путь к победе!
Актуальные проблемы
Во многих областях науки и техники, которые связаны со скоростью, часто возникает необходимость расчета сил, действующих на объект. Современный автомобиль, истребитель, подводная лодка или скоростной электропоезд — все они испытывают на себе влияние аэродинамических сил. Точность определения величины этих сил напрямую влияет на технические характеристики указанных объектов и на их способность выполнять те или иные задачи. В общем случае силы трения определяют уровень мощности двигательной установки, а поперечные силы влияют на управляемость объекта.
При традиционной схеме проектирования для определения сил используются продувки в аэродинамических трубах (как правило, уменьшенных моделей), испытания в бассейнах и натурные испытания. Однако все экспериментальные исследования — это достаточно дорогой способ получения подобных знаний. Для того чтобы испытать модельное устройство, необходимо сначала его изготовить, затем составить программу испытаний, подготовить стенд и, наконец, провести серию замеров. При этом в большинстве случаев на достоверность результатов испытаний будут влиять допущения, вызванные отступлением от реальных условий эксплуатации объекта.
 |
|
Эксперимент или расчет?
Рассмотрим более подробно причины несовпадения результатов экспериментов с реальным поведением объекта.
При исследовании моделей в условиях ограниченного пространства, например в аэродинамических трубах, граничные поверхности оказывают существенное влияние на структуру течения около объекта. Уменьшение масштаба модели позволяет решить данную проблему, однако при этом следует учитывать изменение числа Рейнольдса (так называемый масштабный эффект).
В отдельных случаях искажения могут быть вызваны принципиальным несоответствием реальных условий обтекания тела и моделируемых в трубе. Например, при продувке скоростных автомобилей или поездов отсутствие в аэродинамической трубе подвижной горизонтальной поверхности серьезным образом изменяет общую картину обтекания, а также влияет на баланс аэродинамических сил. Данный эффект связан с нарастанием пограничного слоя.
Способы измерения также вносят погрешности в измеряемые величины. Неправильная схема размещения датчиков на объекте или неверная ориентация их рабочих частей, может привести к получению некорректных результатов.
Рис. 1. Обтекание полной модели пассажирского самолета
Рис. 2. Форсунка и участок эрозии (Robert Bosch Gmbh)
|
|
Ускорение проектирования
В настоящее время ведущие отраслевые компании на этапе эскизного проектирования широко используют технологии компьютерного моделирования CAE. Это позволяет рассмотреть большее количество вариантов при поиске оптимальной конструкции.
Современный уровень развития программного комплекса ANSYS CFX значительно расширяет область его применения: от моделирования ламинарных течений до турбулентных потоков с сильной анизотропией параметров.
Широкий набор используемых моделей турбулентности включает традиционные модели RANS (Reynolds Averaged Navie-Stoks), обладающие лучшим соотношением «скорость—точность», модель турбулентности SST (Shear Stress Transport) (двухслойная модель Ментера), удачно сочетающая в себе достоинства моделей турбулентности «k-e» и «k-w». Для потоков с развитой анизотропией больше подходят модели RSM (Reynolds Stress Model) типа. Прямой расчет параметров турбулентности по направлениям позволяет точнее определять характеристики вихревого движения потока.
В отдельных случаях рекомендуется применять модели, построенные на вихревых теориях: DES (Detachable Eddy Simulation) и LES (Large Eddy Simulation). Специально для случаев, где особенно важен учет процессов ламинарно-турбулентного перехода, разработана модель Transition Turbulence Model, созданная на основе хорошо зарекомендовавшей себя SST-технологии. Модель прошла обширную программу тестирования на различных объектах (от лопаточных машин до пассажирских самолетов) и показала прекрасную корреляцию с экспериментальными данными.
|
|
Авиация
Создание современных боевых и гражданских самолетов невозможно без глубокого анализа всех его характеристик еще на начальном этапе проектирования. От тщательной проработки формы несущих поверхностей и обводов напрямую зависит экономичность самолета, его скорость и маневренность.
Сегодня все крупные самолетостроительные компании в той или иной степени применяют компьютерный анализ при разработке новых изделий.
Большие возможности по анализу сложных течений открывает перед исследователями переходная модель турбулентности, которая корректно анализирует режимы течения, близкие к ламинарным, течения с развитыми зонами отрыва и присоединения потока. Это еще больше сокращает разницу между результатами численных расчетов и реальной картиной течения.
Рис. 3. Камера сгорания ДВС (BMW AG)
|
|
Автомобилестроение
Современный автомобиль должен обладать повышенной экономичностью при высокой эффективности использования мощности. И конечно, основными определяющими компонентами являются двигатель и кузов.
Для обеспечения эффективности всех систем двигателя ведущие западные компании уже давно используют технологии компьютерного моделирования. Например, компания Robert Bosch Gmbh (Германия), производитель широкого спектра узлов для современных дизельных автомобилей, при разработке системы подачи топлива Common Rail использовала ANSYS CFX (для усовершенствования характеристик впрыска).
Компания BMW, двигатели которой уже несколько лет подряд завоевывают звание «Лучший двигатель года» (International Engine of the Year), применяет ANSYS CFX для моделирования процессов в камерах сгорания ДВС.
Внешняя аэродинамика также является средством повышения эффективности использования мощности двигателя. Обычно речь идет не только о снижении коэффициента сопротивления, но и о балансе прижимной силы, необходимом любому скоростному автомобилю.
В качестве предельного выражения этих характеристик выступают гоночные автомобили различных классов. Все без исключения участники чемпионата F1 используют компьютерный анализ аэродинамики своих болидов. Спортивные достижения наглядным образом доказывают преимущества этих технологий, многие из которых уже применяются и при создании серийных автомобилей.
В России пионером в этой области является команда Active-Pro Racing: гоночный автомобиль класса «Формула-1600» развивает скорость свыше 250 км/ч и является вершиной российского кольцевого автоспорта. Использование комплекса ANSYS CFX (рис. 4) для проектирования нового аэродинамического оперения болида позволило значительно сократить количество вариантов конструкции при поиске оптимального решения.
Сравнение расчетных данных и результатов продувок в аэродинамической трубе показало ожидаемую разницу. Она объясняется неподвижным полом в трубе, который вызывал рост толщины пограничного слоя. Поэтому аэродинамические элементы, расположенные достаточно низко, работали в непривычных для себя условиях.
Однако компьютерная модель полностью соответствовала реальным условиям движения, что позволило значительно улучшить эффективность оперения болида.
Рис. 4. Обтекание гоночного автомобиля «Формула-1600»
|
|
Строительство
Сегодня архитекторы более свободно подходят к внешнему облику проектируемых зданий, чем 20 или 30 лет назад. Футуристические творения современных архитекторов, как правило, имеют сложные геометрические формы, для которых неизвестны значения аэродинамических коэффициентов (необходимых для назначения расчетных ветровых нагрузок на несущие конструкции).
В этом случае для получения аэродинамических характеристик здания (и силовых факторов воздействия), помимо традиционных испытаний в аэродинамических трубах, все чаще используются средства CAE. Пример такого расчета в ANSYS CFX показан на рис. 5.
Кроме того, ANSYS CFX традиционно используется для моделирования систем вентиляции и отопления производственных помещений, административных зданий, офисных и спортивно-развлекательных комплексов.
Для анализа температурного режима и характера воздушных потоков в помещении ледовой арены СК «Крылатское» (г. Москва) инженеры Olof Granlund Oy (Финляндия) использовали программный комплекс ANSYS CFX. Трибуны стадиона вмещают в себя около 10 тыс. зрителей, а тепловая нагрузка от них может составить более 1 МВт (из расчета 100-120 Вт/чел). Для сравнения: чтобы нагреть 1 л воды от 0 до 100 °С требуется чуть больше 4 кВт энергии.
Рис. 5. Распределение давления на поверхности сооружений
Рис. 6. Ледовая арена СК «Крылатское» (OLOF GRANLUND OY)
|
|
Подводя итоги
Как можно видеть, вычислительные технологии в аэродинамике достигли такого уровня, о котором мы могли только мечтать 10 лет назад. В то же время не стоит противопоставлять компьютерное моделирование экспериментальным исследованиям — гораздо лучше, если эти методы будут дополнять друг друга.
Комплекс ANSYS CFX позволяет инженерам решать и такие сложные задачи, как, например, определение деформаций конструкции при воздействии на нее аэродинамических нагрузок. Это способствует более корректной постановке многих задач как внутренней, так и внешней аэродинамики: от задач флаттера лопаточных машин до ветрового и волнового воздействия на морские сооружения.
Все расчетные возможности комплекса ANSYS CFX доступны и в среде ANSYS Workbench.
Дополнительные материалы с описанием моделей турбулентности, примерами расчетов в ANSYS CFX и многое другое вы найдете на сайтах компании ЗАО «ЕМТ Р»: www.ansys.msk.ru www.ansyssolutions.ru.
|
|
