11 - 2016

Технологии ANSYS для улучшения работы автоматической системы кондиционирования воздуха в самолете

В своей традиционной рубрике Группа компаний «ПЛМ Урал» продолжает знакомить читателей с интересными примерами применения программного комплекса ANSYS для решения задач проектирования в различных отраслях. В этом выпуске мы публикуем результаты совместной работы сотрудников китайского и американского университетов над разработкой и совершенствованием системы кондиционирования пассажирского самолета. Данная работа уникальна тем, что в ней сочетается подробное численное аэродинамическое моделирование с набирающими в настоящее время популярность системными моделями и моделями пониженного порядка (ROM — Redused Order Model).

Ольга Новаковская, технический специалист по ANSYS CFD, ГК «ПЛМ Урал».

ANSYS

Бай Сюн Шень (By Xiong Shen)
Лаборатория контроля качества воздуха в салоне, Школа экологической науки и техники, Университет Тяньцзиня (Тяньцзинь, Китай)
Цинянь Чэнь (Qingyan Chen)
Профессор в технологии машиностроения, Университет Пурдю (Уэст-Лафейетт, США)

Экстремальные температуры и перепады давления снаружи самолета во время полета и на земле осложняют решение многофакторной задачи обес­печения комфорта и безопасности пассажиров. В данной статье рассказано, как моделирование на системном уровне и детальный тепловой анализ способствовали доводке проекта до высоких стандартов гражданской авиации.

Для надежных, комфортных и безопасных коммерческих авиаперевозок необходимо создать салон самолета, который является благоприятной средой в широком диапазоне внешних экстремальных климатических условий. Для успешного проектирования салона, комфортного для пассажиров, система компонентов самолета должна работать согласованно в рамках промышленных стандартов автоматической системы кондиционирования воздуха (климат­контроля) и поддерживать подходящую температуру и давление внутри самолета. Система кондиционирования самолета (ECS) состоит из нескольких основных частей, включая теплообменники, трубопроводы, компрессоры, вентиляторы, турбины и влагоотделитель. На высоте от 9 до 12 тыс. м температура наружного воздуха находится в диапазоне от –50 до –60 °С, а давление — от 0,3 до 0,2 атм. Очевидно, что такие условия являются неприемлемыми для безопасности и комфорта путешественника и внутри салона должны быть улучшены. Для этого требуется эффективная совместная работа нескольких систем. Например (рис. 1), в двухконтурной системе кондиционирования самолета (ECS) горячий воздух высокого давления, поступаемый из двигателя, охлаждается за счет набегающего потока воздуха в теплообменнике. Затем компрессор дополнительно создает давление воздуха для получения необходимого давления, но при высокой температуре. Горячий воздух снова охлаждается в основном теплообменнике, а затем, проходя через турбину, он охлаждается до требуемой температуры и соответствующего давления. Процесс охлаждения приводит к конденсации водяных паров, поэтому сконденсированная вода удаляется с помощью влагоотделителя. В итоге охлажденный воздух смешивается с отфильтрованным рециркуляционным воздухом из салона для получения соответствующей температуры и давления. Далее система кондиционирования распределяет воздух из смесительного коллектора в салон и выполняет отвод тепла, поступающего от пассажиров, экипажа и оборудования, а также поддерживает в салоне давление, соответствующее 1800 м над уровнем моря.

Рис. 1. Схема перемещения воздушного потока от двигателя 
в салон самолета через компоненты системы кондиционирования

Рис. 1. Схема перемещения воздушного потока от двигателя в салон самолета через компоненты системы кондиционирования

Системное моделирование

При проектировании системы кондиционирования самолета (ECS) важно понимать принцип взаимодействия ее компонентов задолго до их тестирования во время реального полета. Специалисты из университета Тяньцзиня в Китае и университета Пурдю в США исследовали поведение системы кондиционирования самолета (ECS), используя инструменты моделирования ANSYS системного уровня и вычислительной гидродинамики (CFD). Два университета работали совместно, используя программный комплекс ANSYS для исследования проблем, связанных со здоровьем человека, безопасностью и комфортом в сфере транспорта и перевозок. Для организации исследований в этой области ранее был создан консорциум Cabin Air Reformative Environment (CARE), членами которого являются многие авиастроительные компании, такие как Boeing, коммерческая авиастроительная корпорация Китая (COMAC), а также компания ANSYS.

На общем системном уровне тепловые условия в салоне самолета управляются регулятором температуры, в котором сигналы обратной связи из салона самолета используются для изменения расхода подаваемого воздуха, который отбирается от двигателя. Контроллер содержит пропорционально­интегрально­дифференциальную (ПИД) логическую схему регулирования, которую команда разработчиков учла в модели системного уровня с помощью встроенного модуля PID в ANSYS Simplorer. На детальном уровне разработчики создали 3D­модель салона первого класса самолета MD­82 в программном продукте ANSYS Fluent, используя геометрическую 3D­модель, полученную от лазерной системы сканирования, и сеточную модель с 6,4 млн ячеек (рис. 2).

Рис. 2. Геометрическая (слева) и сеточная модель 
для CFD-расчета салона первого класса самолета MD-82

Рис. 2. Геометрическая (слева) и сеточная модель для CFD-расчета салона первого класса самолета MD-82

Затем исследователи выполнили сопряжение моделей из Simplorer и Fluent для анализа нестационарного воздействия системы кондиционирования самолета на тепловой режим в салоне. В процессе сопряженного моделирования температура подаваемого в салон воздуха, рассчитываемая в Simplorer, передавалась в виде граничных условиях в подробную CFD­модель салона. Поле температур по салону, вычисленное в ANSYS Fluent, сравнивалось с заданным уровнем температуры, и любые обнаруженные отклонения направлялись в Simplorer, в модель температурного контроллера для корректировки расхода воздуха, отбираемого от двигателя. Новое значение расхода использовалось в качестве граничных условий в модели системы кондиционирования самолета Simplorer. Далее выполнялось несколько расчетных итераций до выполнения критерия по сходимости.

Наземная система климат­контроля

Перед началом моделирования системы кондиционирования самолета (ECS) команда разработчиков нуждалась в оценке эффективности моделирования в системе климат­контроля, которое не требует физического проведения испытаний в полете. Первый шаг представлял собой анализ установки наземного кондиционирования воздуха (GAC) — рис. 3, гибкие трубопроводы которой подают наружный воздух в самолет во время стоянки в аэропорту. Система GAC содержит нагревательный змеевик, охлаждающий змеевик и центробежный вентилятор, который может обогревать салон в холодное время года и охлаждать — в теплое.

Рис. 3. Самолет MD-82 и наземная система кондиционирования воздуха, используемая для обогрева или охлаждения салона на земле

Рис. 4. Схема перемещения потока воздуха из внешней среды в салон через систему GAC (М1 и М2 — положение двух разных исследуемых регуляторов температуры)

Рис. 4. Схема перемещения потока воздуха из внешней среды в салон через систему GAC (М1 и М2 — положение двух разных исследуемых регуляторов температуры)

Рис. 5. Результаты ANSYS Simplorer по температуре воздуха в салоне для семи моделируемых этапов полета при холодных (слева) и жарких днях. Результаты свидетельствуют, что алгоритм управления поддерживает достаточно равномерную температуру на разных высотах в салоне во время полета

Рис. 5. Результаты ANSYS Simplorer по температуре воздуха в салоне для семи моделируемых этапов полета при холодных (слева) и жарких днях. Результаты свидетельствуют, что алгоритм управления поддерживает достаточно равномерную температуру на разных высотах в салоне во время полета

Аналогично моделированию бортовой системы кондиционирования исследователи создали системную модель GAC в Simplorer, а затем провели сопряжение с CFD­моделью салона самолета MD­82.

Разработчики определили влияние разного положения датчиков, отправляющих данные на модули ПИД, которые управляют расходом. Первое исследуемое положение температурного датчика было на выходном трубопроводе GAC, который подает воздух в самолет, а второе положение было внутри салона на уровне дыхания пассажиров (рис. 4). Данные по температуре и скорости воздуха, полученные измерением в салоне самолета MD­82 в Тяньцзине в январе и июне, с наружной температурой около –5 и +35 °С соответственно, хорошо согласовались с прогнозами, полученными с помощью модели системы GAC в Simplorer и подробной CFD­модели салона самолета (рис. 5 и 6). Результаты помогли команде разработчиков понять, что размещение температурных датчиков обратной связи ближе к пассажирским сиденьям обеспечило более равномерное распределение температуры на разных высотах в салоне самолета (рис. 7).

Рис. 6. Вычисленное в ANSYS CFD поле температуры в салоне самолета на предвзлетном режиме в жаркий день

Рис. 6. Вычисленное в ANSYS CFD поле температуры в салоне самолета на предвзлетном режиме в жаркий день

Рис. 7. Полученное в ANSYS Simplorer изменение температуры воздуха в салоне, нагретом с помощью системы GAC в январе. Значения температуры хорошо согласуются с экспериментальными данными, измеренными на разных высотах внутри салона

Рис. 7. Полученное в ANSYS Simplorer изменение температуры воздуха в салоне, нагретом с помощью системы GAC в январе. Значения температуры хорошо согласуются с экспериментальными данными, измеренными на разных высотах внутри салона

Система климат­контроля в полете

Имея в наличии отработанную и подтвержденную процедуру моделирования, исследовательская группа использовала сопряженный анализ Simplorer — Fluent для моделирования поведения системы кондиционирования самолета (ECS) для условий, с которыми бы столкнулся коммерческий самолет во время обычных семи этапов короткого полета. Эти условия включали 4 минуты на руление по взлетно­посадочной полосе, 1 минуту на взлет, 15 минут на набор высоты, 5 минут крейсерского режима, 20 минут на снижение, 40 секунд для посадки и 5 минут на руление обратно к выходу на посадку. Модуль Simplorer спрогнозировал изменение массового расхода отбираемого от двигателя воздуха, необходимого для поддержания в салоне требуемой температуры, равной 23 °С, в течение всех семи этапов полета. Как и ожидалось, CFD­моделирование показало, что скорость воздуха и температура в салоне во время полета будут меняться больше при жаркой погоде у земли из­за большой разницы температур на земле и на полетной высоте. Для всех семи различных случаев сопряженного моделирования систем GAC и ECS исследователи обычно выполняли настройку модели в Simplorer и Fluent примерно за четыре часа.

Вычисления в Simplorer выполняются очень быстро (секунды — десятки секунд), в то время как для подробного нестационарного CFD­анализа воздушного потока в салоне при моделировании полета требуется около 60 часов расчетного времени на 32 процессорах. Работа по развитию CFD­модели салона пониженного порядка (ROM), выполняемая разработчиками и пользователями ANSYS, продолжается. Поэтому общее время системного моделирования может быть существенно снижено без ущерба для точности результатов моделирования. Команды разработчиков из университетов Тяньцзиня и Пурдю, в рамках участия в консорциуме CARE, поделились своими выводами с исследователями из Boeing и COMAC. Наблюдаются первые признаки того, что самолетостроители будут создавать собственные виртуальные платформы для моделирования новых систем кондиционирования самолета (ECS). В ближайшее время команда разработчиков ECS в сотрудничестве с отраслевыми партнерами CARE будет продолжать отладку расчетных моделей и сопоставление с экспериментом для дальнейшего повышения эффективности подобных систем самолета. 

Оригинал был напечатан в журнале ANYS Advantage «Best of Aerospace and Defense» (2016). http://resource.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/Climate­Control­Gets­Elevated­AA­V10­I1.pdf