Загрузить - Авиационная мобильность и авиационные технологии

Report
Разработка численного метода оптимизации параметров
взлётно-посадочной механизации крыльев перспективных самолётов
на основе нестационарных осреднённых по Рейнольдсу
уравнений Навье-Стокса
Руководитель работы:
к.т.н. А. Г. Румянцев
Введение
Особенности задачи оптимизации механизированных профилей:
1. Большое число варьируемых параметров (форма закрылка и
основного профиля в местах их сопряжения, относительные размеры
отклоняемых элементов, углы отклонения и расположение этих элементов
относительно основной части профиля).
2. Обтекание крыла с отклонённой
механизацией носит сложный характер:
взлётно-посадочной
Локальный отрыв
Локальный отрыв
— сильное взаимное влияние элементов;
— во всём диапазоне углов атаки могут возникать отрывы на верхних
поверхностях элементов, при этом отрывные зоны имеют развитый
пространственный характер;
— числа Рейнольдса на элементах механизированного крыла заметно
различаются.
3. Описание таких сложных течений возможно лишь на базе полных
уравнений аэродинамики — уравнений Навье-Стокса. В то же время
современные методы расчёта осреднённых по Рейнольдсу
уравнений Навье-Стокса с различными моделями турбулентности
имеют определённые ограничения.
Задача оптимизации разбивается на две подзадачи:
1. Валидацию используемых методов расчёта применительно к
задаче обтекания многоэлементного профиля и крыла.
2. Собственно задачу многопараметрической оптимизации.
Работа является продолжением цикла работ по теме «Механизация» выполненных в
обеспечении Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники
России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года».
2
Цели исследования
1. Обоснование выбора модели турбулентности:
— физически адекватно описывающей процессы, происходящие при обтекании
механизированного профиля и крыла;
— с достаточной точностью рассчитывающих распределённые и интегральные
аэродинамические нагрузки, особенно в области критических углов атаки и при наличии
больших отрывных зон на элементах многозвенного профиля;
2.Совершенствование
методов
оптимизации
формы
и
положения
элементов
многоэлементного профиля и крыла с использованием программных пакетов
вычислительной
аэродинамики
(а
именно,
адаптация
методов
оптимизации
применительно к данной задаче).
3
Анализ мирового уровня: методы расчёта
Методы расчёта обтекания механизированных профилей и крыльев:
стационарные и нестационарные осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса.
Применяемые модели турбулентности:
Spalart-Allmaras;
Различные варианты модели k-e (RNG, Relizable),
k-w SST — shear stress transport, Menter (модель переноса касательных напряжений)
EARSM — Explicit algebraic Reynolds Stress Models (явная алгебраическая форма уравнения
переноса Рейнольдсовых напряжений);
SAS — Scale-Adaptive Simulation;
и др.
(без и с учётом перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный)
4
Анализ мирового уровня: методы оптимизации
Методы оптимизации разбиваются на две категории:
1. Методы, использующие раздельное решение задачи обтекания и задачи
оптимизации.
В данном случае для обеих задач можно использовать различные решатели, методы и
пакеты программ (включая программы с открытым кодом или собственной
разработки).
2. Методы, использующие совместное решение задачи обтекания и задачи оптимизации
— Adjoint method (A. Jameson).
(+) Наиболее совершенный метод, обладает максимальной сходимостью, но требует
наличие собственного решателя и громоздких преобразований уравнений.
(-) Для каждой модели турбулентности необходима модификация дополнительной
(adjoint) системы уравнений.
5
Пути решения поставленной задачи
1. Проведение валидации нестационарных моделей турбулентности и моделей
учитывающий ламинарно-турбулентный переход применительно к задаче обтекания
механизированных отсеков крыльев (профилей) в широком диапазоне углов атаки и
скоростей потока на базе сопоставления с экспериментальными данными,
полученными при продувках в аэродинамических трубах.
2. Совершенствование методов оптимизации механизированных крыльев (профилей)
при наличии большого числа параметров.
Оптимизация формы поверхностей элементов механизации.
Выбор способа перестроения сеток при проведении оптимизации.
6
Потребные ресурсы
Вычислительная техника для проведения расчётов.
Высокопроизводительный кластер на 10-40 TFLOPS.
На данный момент имеется:
несколько высокопроизводительных серверов с общей производительностью
около 1-1,5 TFLOPS.
доступ к кластеру ССКЦ в Академгородке.
Экспериментальные работы.
1. Стенд для проведения испытаний отсеков крыльев
в аэродинамической трубе Т-203 СибНИА.
2. Миниатюрные датчики давления.
3. Термоанемометрические датчики.
4. Различные методы визуализация обтекания.
7
Технологии
Программное обеспечение необходимое для проведения расчётов.
1. Пакеты программ ANSYS FLUENT v14 и NUMECA.
2. Среда программирования MICROSOFT VISUAL STUDIO, компилятор INTEL VISUAL
FORTRAN, а также некоторые библиотеки и утилиты.
Экспериментальные работы.
Методика сопоставления расчётных и экспериментальных данных.
8
Основные этапы и сроки выполнения работ
1. Проведение расчётно-экспериментальных работ по валидации
моделей турбулентности, учитывающих переход ламинарного
пограничного слоя в турбулентный и нестационарных моделей
турбулентности.
2. Совершенствование методики многопараметрической оптимизации
применительно к профилям и отсекам многоэлементных крыльев.
Разработка методики оптимизации поверхностей элементов этих
крыльев. Разработка метода перестроения сеток в процессе
оптимизации.
3. Совершенствование методики многопараметрической оптимизации
применительно к проектированию механизированных крыльев
перспективных ЛА.
2013г.
2014г.
2015г.
9
Ожидаемые результаты
1. Сокращение сроков проектирования механизации крыла в 3-4 раза.
(в частности, уменьшения числа испытаний в аэродинамических трубах)
2. Уменьшение стоимости работ проектирования механизации крыла.
3. Повышение точности получаемых результатов в широком диапазоне режимов
полёта, вплоть до критических углов атаки.
Соответствие выбранной тематики Гос. программе
«Развитие гражданской авиации»
Результаты работы могут быть использованы при проведении работ
по проектированию механизации крыльев пассажирских и транспортных
самолётов:
— самолёта 2020;
— самолёта SSJ-NG;
— модификации самолёта МС-21;
— самолёта СДС;
— самолётов малой авиации.
10
Спасибо за внимание!
11

similar documents