Блог

Моделирование обледенения в полете: CFD-расчёты в трёхмерной постановке становятся общепринятой практикой

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Моделирование обледенения в полете: CFD-расчёты в трёхмерной постановке становятся общепринятой практикой

За последнее десятилетие трехмерное численное моделирование процесса обледенения в полёте с использованием CFD-расчётов (CFD – computational fluid dynamics, вычислительная гидрогазодинамика) достигло существенных успехов. Многие активные поставщики оборудования стали использовать моделирование для ускорения сертификации противообледенительных систем. Однако, некоторые компании остаются в стороне и продолжают использовать технологии тридцатилетней давности.

 

ANSYS Условия образования льда в различных местах воздушного судна: разве это можно рассчитать в 2D-постановке?

 

При этом те же компании используют для оптимизации аэродинамических характеристик самолетов и двигателей современные программы для CFD-расчётов, которые мало похожи на программы 30-летней давности. Высказывая опасения о недостаточной валидированности новых разработок, компании всё же твёрдо стоят на позициях использования устаревших псевдо-CFD инструментов для расчётов процесса обледенения. Время в этой отрасли словно застыло: тут до сих пор можно найти 2D и квази-3D постановки, расчёты без учёта сжимаемости, использование панельного метода, неучёт вязкости и турбулентности, использование разработок 1980 годов и т.д.

Эта неуместная неуверенность в использовании для расчётов обледенения тех самых передовых инструментов, которые они уже и так используют для расчётов аэродинамики, исходит из опасения задержать процесс обеспечения соответствия нормам летной годности.

Некоторые из используемых сегодня псевдо-CFD программ для расчёта обледенения основаны на двумерных панельных методах для расчёта воздушного потока и методе Лагранжа для расчёта частиц льда, соударяющихся с самолётом. Панельные методы не могут считаться методами вычислительной гидрогазодинамики в силу того, что ключевая характеристика CFD-методов заключается в том, что постепенное уплотнение расчётной сетки должно приводить к асимптотическому улучшению результатов. Панельные методы, основанные на методе сингулярностей, вместо асимптотической сходимости испытывают расхождения буквально взрывного характера при чрезмерном уплотнении сетки, так что они не удовлетворяют критерию сходимости, являющемуся «лакмусовой бумажкой» для помещения метода в категорию CFD.

Также следует отметить своеобразие процесса, называемого «калибровкой кода»: программы для расчёта обледенения в 2D постановке проверяются с помощью испытаний на обледенение в аэродинамических трубах на задачах, моделирующих двумерную постановку. Разработчики программ определили, что шероховатость поверхности является наиболее важным параметром, определяющим рост наледи. На основе сотен продувок профилей в трубах они формируют «эвристическую модель шероховатости», которая обеспечивает согласование результатов расчёта псевдо-CFD программ и результатов модельных испытаний. Таким образом, псевдо-CFD программы считаются валидированными по факту согласования с экспериментами по обледенению в аэродинамических трубах, что, в общем-то, является не самым лучшим способом валидации. В действительности, эти программы нельзя считать валидированными – этот процесс, по сути, является лишь калибровкой. Такой откалиброванный код после некоторых вычислений будет возвращать пользователю результат, который, если и неизвестен заранее, то уж точно в большой степени предопределен. Это словно видеоигра, в которой все возможные варианты развития событий и их последствия уже заложены в код: игрок не может вводить новую геометрию, новый маневр – игра просто не была запрограммирована для этого. Получить результат, который не был запрограммирован заранее, просто невозможно!

Моделирование обледенения в полете: CFD-расчёты в трёхмерной постановке становятся общепринятой практикой

Отрасль нуждается в программах, которые действительно делают прогноз, а не полагаются на калибровку

Единственный способ численного прогнозирования формы наледи для широкого спектра конструкций и агрегатов аэрокосмической техники (крыльев, оперения, входных устройств двигателей, гондол, датчиков, зондов – вплоть до летательного аппарата целиком) – это разработка аналитических моделей шероховатости, которые способны прогнозировать шероховатость поверхности льда, изменяющуюся как в пространстве (по всему объёмному телу), так и во времени (по мере роста льда шероховатость асимптотически сходится к некоторому локальному значению). Только в таком случае программа для расчёта обледенения будет действительно давать прогноз, а не выдавать некие откалиброванные данные.

 

ANSYS Прогнозирование изменения по времени шероховатости поверхности льда в разных местах на самолете

 

Новые трехмерные инструменты для CFD-расчёта обледенения позволяют использовать более эффективную и безопасную методику сертификации на полет в условиях обледенения для всех типов воздушных судов, уменьшая вероятность попадания в опасные ситуации, связанные с обледенением. Конечно, значительную роль всегда будут играть различные испытания: продувки в трубах без влаги и в условиях обледенения, летные испытания с искусственным обледенением и полеты в естественных условиях обледенения. Тем не менее, наличие передовых инструментов моделирования позволяет сократить процесс сертификации, заполнить важные пробелы, конкретизировать или полностью устранить испытания в аэродинамических трубах на определение формы наледи, предсказать результаты полёта в естественных условиях обледенения для различных элементов самолета: двигателей, воздушных винтов, ступеней турбореактивных двигателей, датчиков и зондов. В конечном итоге, использование современного программного обеспечения для моделирования обледенения повышает уровень безопасности.

 

ANSYS Обычный самолет на высоте 16,404 футов, скорость: 268 KTAS и AoA 3,7 градуса CFD-тестирование на время экспозиции 25 минут, в «полном» APP C

 

Позволяя расти пропасти между современными численными методами, используемыми для расчётов аэродинамики, и методами, которые используются в проектировании и сертификации противообледенительных систем, производители оборудования могут создать опасное разделение между этими двумя дисциплинами, что в результате выльется в происшествия и несчастные случаи. Фактически, их единственным результатом станет отсрочка неизбежного: трехмерное CFD-моделирование процессов обледенения рано или поздно станет общепринятой практикой. Пассивное ожидание этого момента ставит эти компании в позиции догоняющих по отношению к тем, кто раньше освоил эту технологию.

Узнайте больше на курсе по методам моделирования для сертификации на полеты в условиях обледенения

Мы приглашаем вас ознакомиться с широким охватом инструментов для CFD-расчёта обледенения на всех этапах анализа, проектирования и сертификации объектов аэрокосмической техники: от самого маленького компонента до самолета целиком.

Курс по расчету обледенения читается группой преподавателей, включающей разработчиков кода, бывших сотрудников регулирующих органов и ведущего специалиста по противообледенительным системам крупного поставщика оборудования. В числе прочего мы затронем вопросы общепринятого научного подхода к контролю версий, верификации и валидации программного обеспечения.

Курс проводится ежегодно. В 2017 году курс проводился 8-12 мая в Монреале, Канада.

Источник: www.ansys-blog.com
Автор: Wagdi Habashi

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп