Блог

Полёты во сне и наяву с ANSYS CFX

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Ansys CFX позволяет сократить время разработки воздушных винтов и подъемных воздухонагнетателей для судов на воздушной подушке (СВП).
Отдел разработки морских систем компании CDI (CDIM-SDD, ранее называвшийся Band, Lavis, & Associates, Inc.)  использует компьютерное моделирование для создания подъемных воздухонагнетателей и воздушных винтов для перспективных крупных судов на воздушной подушке (СВП). Использование программного комплекса ANSYS позволяет существенно сократить время проектирования в сравнении с ранее используемыми традиционными методами расчета. Разрабатываемое СВП будет использоваться для перевозки грузов и пассажиров и будет иметь в два раза большую полезную нагрузку по сравнению с существующими судами такого же типа. Перед сотрудниками CDIM-SDD была поставлена задача разработать новый воздушный винт под мощность в два раза большую, чем подводимая к винтам в настоящее время. Увеличенная в два раза полезная нагрузка также потребовала разработать новые подъемные воздухонагнетатели, способные обеспечивать большее давление и расход воздуха.

Было использовано специализированное программное обеспечение для построения геометрии лопастей и программный комплекс вычислительной гидродинамики ANSYS CFX для расчёта характеристик различных вариантов конструкции. Были определены потребная мощность, тяга, распределение скоростей на входе для воздушных винтов, а также потребная мощность, расход воздуха и повышение давления на воздухонагнетателях. ANSYS CFX позволяет выполнить практически любой расчёт динамики жидкости и газа. При этом расчёт в ANSYS CFX может быть успешно выполнен для любой задачи, в которой грамотно задана геометрия и граничные условия. Большие задачи с высоким уровнем детализации можно решать на кластере из четырёх компьютеров частотой 2,6-2,8 Гц [примечание переводчика: необходимо учесть, что статья была опубликована в 2005 году], причём ANSYS CFX автоматически распределяет вычисления между компьютерами.

Моделирование, анализ и перепроектирование

Сотрудники CDIM начали с моделирования лопастей существующего воздухонагнетателя в версии CFX-5 с использованием CFX-TurboGrid для создания сетки. Расчёт воздушного винта был проведен после расчёта системы воздухонагнетателя, когда было определено, какая доля общей установленной мощности доступна для привода на винт. Модуль CFX-TurboGrid был использован для создания сетки как вокруг лопастей винта, так и для направляющего аппарата. CFX-TurboGrid позволил сотрудникам CDIM быстро создавать сетку при изменении геометрических параметров (например, при исследовании зазора между законцовкой лопасти винта и кольцом) и для различных расчётных случаев, в которых изменяется угол установки лопастей.

Расчёт исходной конструкции показал хорошее совпадение результатов расчёта с экспериментальными данными по существующему СВП. Это позволило сотрудникам CDIM направить свои усилия на создание нового проекта. Новая геометрия лопастей была построена на основе проведенных расчётов с помощью специализированного программного обеспечения, которое позволяет работать с многочисленными параметрами геометрии лопасти. Полученная геометрия была импортирована в CFX-TurboGrid для создания сетки. Расчётная область для моделирования системы воздухонагнетателя в ANSYS CFX включала внешний объём, с которого воздух поступает во входное устройство, вращающийся вентилятор с лопастями и спиралевидный направляющий аппарат с двумя раздельными выходными устройствами различной геометрии. Для определения распределения скоростей на входном устройстве был проведен расчёт всего судна в целом, этот этап был крайне важен для определения потребной мощности и тяги воздушного винта.

Оптимизация проекта на основе итерационного анализа

Итерационный характер проектирования был реализован путём передачи результатов каждого расчёта, проведенного в ANSYS CFX, в программное обеспечение для построения геометрии лопастей. Такой подход позволил инженерам CDIM рассмотреть большое количество вариантов конструкции и, в итоге, получить оптимальную геометрию. Процесс проектирования с использованием ANSYS CFX занял на порядок меньше времени, чем потребовалось бы, как это делалось ранее, для разработки, создания прототипа и испытаний даже одного варианта конструкции. Наконец, с помощью CFX-5 сотрудники CDIM рассчитали аэродинамическую трубу для испытаний лопастей воздушного винта. Результаты  расчетов хорошо согласовывались с результатами последующих натурных испытаний.

Этот проект наглядно показывает, что ANSYS CFX – бесценный инструмент для анализа системных решений. Главное его преимущество состоит в том, что все элементы системы могут рассчитываться совместно, что позволяет оценить их взаимное влияние и определить общие характеристики системы. Даже детали простой геометрии могут представлять сложность для расчёта, если они работают в тесной взаимосвязи. Используя итерационный подход и связав специализированные инструменты и методы проектирования с ANSYS CFX, сотрудникам CDIM удалось разработать оптимальную геометрию ключевых элементов СВП. Разработка подъемного воздухонагнетателя и системы воздушного винта под требования перспективного СВП потребовала небольших временных затрат и минимального количества натурных испытаний.

 
Распределение скоростей перед входным устройством винта. Векторы скорости показывают сложность поля скоростей, в котором должен работать винт. Область высоких скоростей в левом верхнем углу вызвана работой носового подруливающего устройства.
 
Линии тока вокруг воздушного винта. Видно, что воздух засасывается в кольцо винта преимущественно из зоны, расположенной существенно выше палубы, также присутствует дополнительный поток, отражённый от заднего откидного борта.
 

 

Распределение статического давления на выходе из спиралевидного направляющего устройства воздухонагнетателя.

Распределение скоростей потока в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения винта. Видно ускорение потока перед входным устройством и распределение скоростей на выходе из кольца.

 

Источник: ANSYS Solutions, Spring 2005
Автор: John Purnell, ведущий инженер отдела разработки морских систем компании CDI

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп