ANSYS Advantage. Русская редакция 8'2008

Èñïîëüçîâàíèå modeFrontier äëÿ îïòèìèçàöèè êîíñòðóêöèè àâèàöèîííîé êàìåðû ñãîðàíèÿ

Ìîäåëèðîâàíèå ÿâëåíèé àýðîóïðóãîñòè ýëåìåíòîâ ñàìîëåòà íà òðàíñçâóêîâîé ñêîðîñòè

Ïðîåêòèðîâàíèå êîñìè÷åñêîé ïëàòôîðìû èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ

АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ

ОТРАСЛЬ

Мы вдохновляем Вас!

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками

компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками

компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или

зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно*технический

журнал

Выходит 4 раза в год

Лето 2008 (8)

Учредитель:

ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Главный редактор:

Хитрых Денис

[email protected]

Над номером работали:

Бутяга Сергей

Ларин Михаил

Чернов Александр

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Интернет�группа:

Николаев Александр

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Технологии

modeFRONTIER

Использование modeFrontier для оптимизации конструкции авиационной

камеры сгорания ................................................................................................... 2

ANSYS Multiphysics

Методика расчета напряженно-деформированного состояния

композиционных материалов .............................................................................. 11

Особенности проектирования размеростабильной космической

платформы из композиционных материалов .................................................... 15

ANSYS CFD

Моделирование явлений аэроупругости элементов самолета

на трансзвуковой скорости .................................................................................. 20

Создание и верификация CFD-модели лопатки ГТД в сопряженной

постановке ............................................................................................................ 23

Численное исследование методов повышения качества стали

с помощью CFD .................................................................................................... 26

Расчет гидродинамики искусственного сердечного насоса ............................. 28

Моделирование кавитации гребного винта в ANSYS Fluent ............................ 32

Моделирование течения многофазного потока в трубопроводе

с ловушкой для конденсата ................................................................................. 34

Мастер-класс

Обзор возможностей ANSYS ICEM CFD по исправлению дефектов

геометрии .............................................................................................................. 36

Проектирование лопаточных машин. Часть 2 ................................................... 39

Вне рубрики

Эффективное управление данными инженерного анализа

в процессе разработки новых изделий .............................................................. 44

Инновационная стратегия проектирования ANSYS применительно

к научным исследованиям и обучению в ВУЗах................................................ 47

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008www.ansyssolutions.ru

ЛЕТО 2008

© 2008 ANSYS, Inc.

© 2008 ЗАО «ЕМТ Р»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов



2

Использование

modeFrontier для

оптимизации конструкции

авиационной камеры сгорания

в рамках проекта NEWAC1

1 © Перевод и дополнения: Сергей Бутяга и Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р», 2008 г.

Ing. Lorenzo Bucchieri, EnginSoft, [email protected],

Ing. Alessandro Marini, EnginSoft, [email protected],

Ing. Fabio Turrini, AvioGroup, [email protected],

Ing. Antonio Peschiulli, AvioGroup

Пример использования средств вычис-

лительной гидродинамики (CFD) и много-

критериального генетического алгоритма

(MOGA) при разработке инновационного

фронтового устройства с предваритель-

ным частичным испарением и переме-

шиванием топлива и воздуха (Partially

Evaporated Rapid Mixing, PERM) для авиа-

ционных двигателей со средней степе-

нью повышения давления

ВведениеВ настоящее время в области создания перспек-

тивных авиационных двигателей ведутся актив-

ные работы по совершенствованию технологий

снижения выбросов вредных веществ. К таким

веществам относят в первую очередь двуокись

углерода CO2, которая способствует усилению

парникового эффекта в атмосфере Земли, ок-

сиды азота NO и NO2, оксид углерода CO и не-

сгоревшие углеводороды.

Сегодня в Европе в рамках программы

NEWAC разрабатываются прорывные высоко-

Ðèñ. 1. Ýìèññèÿ NOx ðàçëè÷íûìè äâèãàòåëÿìè

3


эффективные технологии малоэмиссионного го-

рения на основе новых вариантов компоновки

авиадвигателей. NEWAC является инициативной

программой европейской группы производите-

лей авиационных двигателей — EIMG (Engine

Industry Management Group), которая объединяет

ведущих европейских производителей авиаци-

онной техники, таких как Airbus, вместе с малы-

ми и средними предприятиями и ведущими ис-

следовательскими организациями.

Вследствие того, что уровень эмиссии

окислов азота определяется качеством подго-

товленной топливовоздушной смеси, ключевым

элементом малоэмиссионных камер сгорания

становится фронтовое устройство (горелка), вы-

полняющая функции подготовки смеси. При ис-

пользовании жидкого топлива в авиационных

двигателях задача подготовки смеси усложняет-

ся из-за необходимости организации испарения

впрыскиваемого топлива на коротком участке.

Искусство производства авиационных двигателейОбщий объем роста авиаперевозок в течение

следующих 20 лет составит в среднем около 5%

в год. Данный прогноз настоятельно требует

проработки вопросов экологической безопас-

ности: газообразные и твердые выбросы от ави-

ационных двигателей влияют на локальное ухуд-

шение состояния воздуха вблизи аэропортов и

увеличивают общее содержание в атмосфере

парниковых газов, что ведет к глобальному из-

менению климата. Таким образом, Европейская

гражданская авиация в будущем столкнется со

значительными трудностями при удовлетворе-

нии спроса на экономичные, безопасные и эко-

логически безвредные воздушные перевозки.

В Европе и США были инвестированы значи-

тельные средства на исследования по снижению

негативного влияния воздушного транспорта на

окружающую среду. На сегодняшний день су-

ществует ряд инновационных вариантов компо-

новок авиационных двигателей, способствую-

щих улучшению экологических характеристик

двигателя в целом, например схемы с вынесен-

ным вентилятором (турбовентиляторный двига-

тель — Open-Rotor Engine или Propfan) или схе-

мы с применением понижающих редукторов для

привода вентилятора (Geared Turbofan).

Собственно говоря, уже сейчас эти иссле-

дования дают доступ к технологиям, позволяю-

Ðèñ. 3a. Àâèàöèîííûé äâèãàòåëü ñ ïîíèæàþùèì ðåäóêòîðîì (Pratt & Whitney)

Ðèñ. 2. Ýêîëîãè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ðàçëè÷íûõ êîìïîíîâîê ïî ïîêàçàòåëþ «Ðàñõîä òîïëèâà/Êîíöåíòðàöèÿ CO2»



4

щим улучшить рабочие характеристики отдель-

ных узлов существующих авиационных двигате-

лей. Однако, в целом, существующие ограниче-

ния не позволяют достигнуть целей, указанных в

ACARE: снижение выбросов NOx и CO2, обеспе-

чение выполнения обязательных показателей

ACARE, разработки принципиально новых ком-

поновок и отдельных ключевых узлов авиацион-

ного двигателя, «предельного» по термодинами-

ческим показателям двигателя.

Ведущие двигателестроительные компа-

нии (Rolls-Royce, Pratt & Whitney, Snecma, General

Electric) имеют собственные программы разви-

тия технологий малоэмиссионного горения,

а также подходы к последовательности замены

одной технологии другой.

Цели и задачиACARE разработала концепцию развития евро-

пейской аэрокосмической отрасли до 2020 года,

которая включает целый перечень фундамен-

тальных исследований, необходимых для созда-

ния авиационных и космических технологий но-

вого поколения. В рамках перечня основных на-

правлений исследований по разделу «Двига-

тельные технологии» можно выделить следую-

щие, относящиеся к проекту NEWAC:

снижение на 20% эмиссии CO2 на каждый

пассажирокилометр при неизменном весе

двигателя (см. рис. 2);

значительное сокращение эмиссии NOx в

ходе цикла взлет-посадка (–80%), а также

на крейсерском режиме (–60%) относи-

тельно стандартов, установленных CAEP/2

(см. рис. 1).

Главным результатом NEWAC будет внед-

рение новых, полностью отработанных техноло-

гий, позволяющих в ходе цикла взлет-посадка

снизить на эмиссию CO2 на 6% CO2 и эмиссию

NOx на 16% относительно существующих стан-

дартов выбросов CAEP/2.

Результаты исследований будут реализо-

ваны в текущих и будущих проектах Евросоюза,

Ðèñ. 3á. GTF Pratt & Whitney

Ðèñ. 4. Òóðáîâåíòèëÿòîðíûé äâèãàòåëü (Propfan) Ä-27 (ÎÀÎ «Ìîòîð Ñè÷»)

Ðèñ. 5. Ïðîåêò VITAL (Snecma)

Ðèñ. 6. Êîíöåïöèÿ CLEAN-IRA (MTU)

5


в особенности в программах EEFAE (–11% CO2,

–60% NOx) и VITAL (–7% CO2), а также различ-

ных национальных программах. В результате

можно будет добиться снижения выбросов CO2

на 20% и NOx на 80%, что даст возможность ев-

ропейским производителям авиадвигателей до-

стигнуть главных показателей, заложенных в

ACARE SPA к 2020 году.

Программа будет способствовать одновре-

менному решению сразу нескольких конкретных

задач: компромиссному увеличению параметров

цикла рабочего процесса при сохранении высо-

кой экономичности двигателя и кардинальном

снижении выбросов вредных веществ. Слож-

ность и высокая степень взаимосвязи рабочих

процессов в авиационных двигателях приводят

к тому, что любое конструктивное решение в

двигателе является компромиссом в отношении

его основных характеристик. Количество CO2

прямо пропорционально объему сжигаемого

топлива, поэтому снижение суммарных выбро-

сов двуокиси углерода в двигателе связано с

повышением его экономичности. С другой сто-

роны, повышение кпд двигателя обуславливает

необходимость увеличения степени повышения

давления в установке и соответственно темпе-

ратуры газа перед турбиной. Это в свою очередь

сопровождается увеличением эмиссии окислов

азота NOx.

Чтобы избежать столкновения интересов

при разработке новых инновационных компоно-

вок, будут исследованы и проверены все вари-

анты компоновок и отдельные ключевые компо-

ненты авиадвигателей. Все работы будут бази-

роваться на бедной схеме с предварительным

испарением, которая, с точки зрения ограниче-

ний, наложенных на вес и стоимость двигателей,

представляет собой многообещающую концеп-

цию. С другой стороны, различные условия экс-

плуатации двигателей разных размеров потре-

буют доработки фронтового устройства и систе-

мы впрыска топлива.

На основе этих разработок каждый из

участников проекта NEWAC сможет также ра-

ботать и по собственной программе исследова-

ний. Дополнительно к техническим достижени-

ям, NEWAC позволит разработать технологию

подготовки производства и поддержки постав-

щиков различных деталей авиадвигателей,

включающую обучение и распространение ин-

формации во внутренних производственных

структурах.

Преимущества процесса интеграцииВ соответствии с целями, определенными в ходе

процесса интеграции, в рамках NEWAC прово-

дятся многодисциплинарные расчетные иссле-

дования компрессоров, камер сгорания, внут-

ренних систем охлаждения, вспомогательного

оборудования, новых материалов и пр.

Ключевым преимуществом интеграции

всех разрабатываемых технологий в один ис-

следовательский проект является то, что NEWAC

предоставляет доступ не к локальным разработ-

кам, применимым лишь к отдельным компонов-

кам двигателя, а к принципиальным решениям

на уровне целого двигателя как единой техни-

ческой системы.

Программа исследований EnginSoft в рамках проекта NEWAC на период 2006—2007 гг.Более десяти лет CFD-группа компании

EnginSoft занимается проблемами горения.

Особенно активно коллектив EnginSoft участ-

вует в финансируемых Евросоюзом исследо-

вательских проектах, специализирующихся на

исследованиях технологий малоэмиссионного

горения для авиационных двигателей, выбро-

сы от которых составляют примерно 2% от об-

щей эмиссии вредных веществ транспортных

средств, промышленных предприятий и при-

родных источников.

Ранее EnginSoft принимала участие в таких

международных проектах, как ANTLE, TATEF и

CLEAN, в которых исследовались процессы теп-

лообмена и горения. В этих исследованиях впер-

вые были применены новые методики проведе-

ния оптимизации, заложенные в программном

комплексе modeFRONTIER.

Обладая большим опытом в области CAE

(численное моделирование физических процес-

сов, оптимизация конструктивных решений)

компания EnginSoft является одним из ключевых

партнеров проекта NEWAC.

Компании EnginSoft отводится ведущая

роль в разработке низкоэмиссионной одиночной

камеры сгорания AVIO. Эта работа включает:

оптимизацию инновационной технологии

подготовки и распыла топлива, так назы-

ваемой PERM (Partially Evaporating Rapid

Mixing — частично испаренная и переме-

шанная топливовоздушная смесь). Эта

система может быть использована в дви-

гателях со средней степенью сжатия

20<πk< 30. Фронтовое устройство PERM

имеет внутренний завихритель для луч-

шего перемешивания топливовоздушной

смеси и частичного испарения топлива.

Одновременно конструкция PERM обеспе-

чивает устойчивость пламени бедных топ-

ливовоздушных смесей и оптимальное

положение факела;

детальную конструктивную проработку

фронтового устройства, с упором на опти-

мизацию ее архитектуры;



6

совершенствование других элементов сис-

темы горения, таких как системы охлажде-

ния и системы регулирования по топливу.

Инновационная система горенияКонцепция PERM основана на низкотемператур-

ном сжигании бедной топливовоздушной смеси

(ТВС). Более чем 70% воздуха, поступающего

на вход в камеру сгорания, перемешивается с

топливом и затем подводится в зону горения.

Соответственно, вынужденно снижается расход

воздуха, необходимый для охлаждения высоко-

температурных элементов камеры сгорания.

Процесс горения бедной ТВС состоит из подачи

топлива, смешения с воздухом, частичного ис-

парения топлива и, наконец, воспламенения и

выгорания ТВС. Основной недостаток подобных

систем связан с большой вероятностью само-

воспламенения ТВС и необходимостью получе-

ния условно однородной гомогенной смеси, пос-

кольку любое несовершенство процесса пере-

мешивания топлива и воздуха приводит к появ-

лению более «богатых» и, следовательно, более

горячих локальных областей в зоне горения,

увеличивающих эмиссию окислов азота. Однако

гомогенизации бедной ТВС имеет и обратную

сторону, она значительно сокращает диапазон

работы камеры сгорания. На малых и переход-

ных режимах необходима «огневая» поддержка

в зоне горения бедной гомогенной смеси путем

организации дежурного пламени. Основная сту-

пень КС по отношению к дежурной расположена

вниз по потоку.

Система впрыска топливаВпервые компания EnginSoft приняла участие в

проекте NEWAC, когда занималась расчетами

аэродинамики системы PERM, разработанной

AVIO при участии University of Karlsruhe. Фрон-

товое устройство PERM представляет собой

систему двух завихрителей с 16-ю радиальны-

ми каналами (рис. 7a): первичный завихритель

для поддержания топливной пленки на кольце-

вой поверхности разделительной перегородки,

и вторичный завихритель для дробления капель

топливовоздушной смеси. Завихрители имеют

одинаковое направление закрутки потока. Вы-

шеприведенная схема характерна для топлив-

ных форсунок с малыми перепадами давления.

Результаты численного моделирования в

ANSYS CFX использовались для оценки качества

перемешивания топлива с окислителем и разме-

ра и интенсивности рециркуляционной зоны, от

которой зависит устойчивость пламени при изме-

нении режимов работы камеры сгорания. Кроме

этого отдельно рассматривался вопрос о влиянии

геометрии рабочей области на работу фронтово-

Ðèñ. 7à. Ôðîíòîâîå óñòðîéñòâî PERM

Ðèñ. 7á. Ãåîìåòðèÿ ðàñ÷åòíîé îáëàñòè äëÿ PERM (AVIO)

Ðèñ. 8. Ôðîíòîâîå óñòðîéñòâî, ðàçðàáîòàííîå â University of Karlsruhe

7


го устройства: на рис. 7 показана расчетная об-

ласть, которая использовалась в исследованиях

компании AVIO. В Karlsruhe моделирование было

выполнено для отдельного фронтового устрой-

ства (рис. 8). В первом случае поток развивается

свободно, в задаче Karlsruhe реализуется тече-

ние, близкое к канальному течению, вследствие

того, что отношение диаметров форсунки и рабо-

чей области составляет 2. В результате, и струк-

тура зоны циркуляционного течения также отли-

чается в обоих вариантах. В расчетах AVIO она

носит выраженный осесимметричный характер и

намного уже, чем в задаче Karlsruhe. При этом в

исследования AVIO расход воздуха между пер-

вичным и вторичным завихрителями перераспре-

делился в отношении 1.12, а в Karlsruhe при тех

же граничных условиях — в отношении 0.82.

Таким образом, рабочие характеристики

форсунки очень сильно зависят геометрии рас-

четной области и исходных граничных усло-

вий.

И, наконец, анализ различных публикаций

и работ, посвященных исследованию процессов

в камерах сгорания авиационных двигателей,

показал, что эти процессы носят, как правило,

нестационарный характер, что обязательно

должно быть отражено при постановке числен-

ного эксперимента. Однако, если пренебречь

частотными характеристиками, то результаты

стационарных расчетов очень хорошо коррели-

руют с осредненными по времени результатами

нестационарных расчетов.

Также большое внимание было уделено

выбору модели турбулентности и определению

границ ее применимости: сравнивались резуль-

таты расчетов при использовании высокорей-

нольдсовой k-ε модели и модели турбулентности

Ментера.

Обтекатель-воздухозаборникВ современных авиационных двигателях воздух

после компрессора, как правило, попадает на

вход в преддиффузор или диффузор, в котором

происходит торможение потока и частичное вос-

становление полного давления. Желание сде-

лать камеру сгорания более компактной вынуж-

дает разработчиков сокращать длину диффу-

зорного участка, что ведет к увеличению сум-

марного угла его диффузорности, и, как следс-

твие, может привести к возникновению в нем

незапланированного отрыва потока. Для предо-

твращения этого явления часто используют схе-

мы диффузора со стабилизированным отрывом,

так называемые диффузоры с внезапным рас-

ширением (см. рис. 11).

Расширяющаяся струя газа делится возду-

хозаборником на три части — во фронтовое уст-

ройство и в два кольцевых канала, наружный и

внутренний. Воздух кольцевых каналов исполь-

зуется для разбития закрученных струй газа,

выравнивания температурного поля на выходе

из камеры сгорания и для охлаждения стенок

жаровых труб.

Были рассмотрены различные варианты

конструкции воздухозаборника (см. рис. 13) для

обеспечения минимально возможных гидравли-

ческих потерь давления и, соответственно, уве-

личения перепада давления на фронтовом уст-

ройстве и получения более равномерного про-

филя скорости на его входе. На рис. 14 показаны

картины течения внутри камеры сгорания для

различных вариантов конструкции обтекателей

воздухозаборника.

Для упрощения процедуры расчетов на

этой стадии проекта они выполнялись в ква-

зидвумерной постановке. При проведении этих

исследований эффективным приемом является

Ðèñ. 9. Îñåâàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ñêîðîñòè (AVIO)

Ðèñ. 10. Îñåâàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ñêîðîñòè (Karlsruhe)



8

использование технологии многокритериальной

оптимизации modeFRONTIER фирмы ESTECO.

modeFRONTIER управляет входными перемен-

ными в ходе серий расчетов. Это позволяет по-

лучить оптимальное решение, отвечающее пос-

тавленным целям и наложенным при постановке

задачи ограничениям. При данной постановке

задачи были заданы следующие ограничения:

входные геометрические характеристики,

определяющие конструкцию воздухоза-

борника (кривизна, длина, расположение);

параметрическое разбиение сетки, числен-

ное моделирование в CFX и процедура ав-

томатической обработки результатов рас-

четов;

целями и ограничениями при проведении

оптимизации являются также перепад

давления на фронтовом устройстве и

перераспределение вторичного воздуха по

кольцевым каналам.

При проведении оптимизации использо-

вался алгоритм MOGA-II. Это эффективная реа-

лизация многокритериального генетического

алгоритма (MOGA), которая при поиске решения

использует технологию поиска и отбора только

лучших оптимальных вариантов (т. н. элитизм).

Элитизм позволяет выбирать лучшие возмож-

ные решения без учета локальных взаимодейс-

твий между вариантами, т. е. без получения схо-

димости на локальном фронте оптимальных ре-

шений. MOGA-II требует определения всего

лишь нескольких параметров при работе: коли-

чество популяций, кроссовер, селекция и мута-

ция. Другие дополнительные параметры для ра-

боты алгоритма в целях надежной и эффектив-

ной работы алгоритма установлены в mode-

FRONTIER заранее. Логическая структура про-

цесса оптимизации в modeFRONTIER, в который

интегрированы скрипты ICEM CFD и ANSYS

CFX, показана на рис. 12.

После проведения оптимизации mode-

FRONTIER выдает несколько хороших кандида-

Ðèñ. 11. Ñõåìà êàìåðû ñãîðàíèÿ ñ êàíàëüíî-ñòðóéíûì äèôôóçîðîì

Ðèñ. 12. Ëîãè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà ïðîöåññà îïòèìèçàöèè â modeFRONTIER

9


тов, представленных на рис. 13. Лучшим вариан-

том конструкции воздухозаборника является

последняя конфигурация, поскольку в ней от-

сутствуют вторичные возвратные течения у сте-

нок кольцевых каналов и обтекателей (рис. 14).

Для ускорения процедуры оптимизации из рас-

четов была исключена жаровая труба и отверс-

тия перепуска вторичного воздуха.

Результаты, полученные в ходе двух мер-

ных расчетов, являются основой для моделиро-

вания течения в камере сгорания в циклической

постановке (рис. 15). Исследовалась только оп-

тимальная 2D-конфигурация.

Для корректного отображения структуры

течения в камере сгорания на завершающей

стадии проекта в расчетную область была вклю-

чена жаровая труба и отверстия подвода вто-

ричного воздуха (рис. 16).

В отличие от типичной схемы организации

процесса горения в авиационных камерах сгора-

ния, в КС AVIO 70% воздуха из компрессора

идет через фронтовое устройство, и только 30%

используется для разбавления продуктов сгора-

ния и для целей охлаждения. Кроме этого, из-за

резкого снижения расхода вторичного воздуха,

число поясов вторичных отверстий было умень-

шено до одного. Таким образом, задача оптими-

зации была сведена к выбору оптимального рас-

положения этих вторичных отверстий и их диа-

метра для обеспечения хорошего перемешива-

ния и организации мощных зон с рециркуляци-

онным движением газа.

В будущих исследованиях необходимо бу-

дет рассматривать реагирующий поток, что уве-

личит сложность модели и число ограничений,

например по эмиссии NOx и пр.

ЗаключениеПрограмма NEWAC предоставила возможность

разработки инновационной в области двигате-

лестроения расчетной технологии, основанной

на использовании modeFRONTIER. С этой ме-

тодикой можно оценить большое количество

виртуальных прототипов и выбрать лучшие из

них, не выходя из рабочей среды modeFRON-

TIER. Это позволит избежать производства

множества натурных вариантов изделий и зна-

чительно сэкономит время и стоимость разра-

боток.

В будущем планируется выполнение рас-

четных работ по следующим направлениям: оп-

тимизация конструкции фронтового устройства,

оптимизация перераспределения основного и

вторичного воздуха, оптимизация непосредс-

твенно процесса горения с точки зрения улучше-

ния экологических характеристик камеры сгора-

ния и повышения стабильности ее работы на

отдельных режимах.

Ðèñ. 13. Âàðèàíòû êîíñòðóêöèè âîçäóõîçàáîðíèêà, ðàññìîòðåííûå ïðè ìíîãîêðèòåðèàëüíîé îïòèìèçàöèè



10

Дополнительную информацию о проекте

NEWAC вы можете получить на сайте

www.newac.eu.

ÑîêðàùåíèÿACARE: Åâðîïåéñêèé êîíñóëüòàòèâíûé ñîâåò â îáëàñòè ïðîâåäåíèÿ àâèàöèîííûõ èññëåäîâàíèé (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe)ANTLE: Ìèíèìàëüíî âîçìîæíûé óðîâåíü âûáðîñîâ âðåäíûõ âåùåñòâ (Affordable Near-Term Low Emissions)CAEP: Àâèàöèîííûé êîìèòåò ïî çàùèòå îêðóæàþùåé ñðåäû (Committee for Aviation Environment Protection)EEFAE: Ýôôåêòèâíûé è ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíûé àâèàöèîííûé äâèãàòåëü (Efficient, Environmentally Friendly Aero-Engine)ESTECO: EnginSoft TECnologie per l’OttimizzazioneMOGA: Ìíîãîêðèòåðèàëüíûé ãåíåòè÷åñêèé àëãîðèòì (Multi Objective Genetic Algorithm)NEWAC: Íîâàÿ êëþ÷åâàÿ êîíöåïöèÿ àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ (NEW Aero Engine Core concept)OPR: Îáùèé ïåðåïàä äàâëåíèÿPERM: Ïðåäâàðèòåëüíîå ÷àñòè÷íîå èñïàðåíèå è ïåðåìåøèâàíèå òîïëèâà è âîçäóõà (Partially Evaporated Rapid Mixing)SRA: Ñòðàòåãè÷åñêàÿ ïðîãðàììà èññëåäîâàíèé (Strategic Research Agenda)VITAL: Ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíûé àâèàöèîííûé äâèãàòåëü (enVIronmenTALly Friendly Aero Engine)

Ðèñ. 14. Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ ïåðåä ôðîíòîâûì óñòðîéñòâîì è â êîëüöåâûõ êàíàëàõ

Ðèñ. 15. Ðàñ÷åòíàÿ îáëàñòü ÊÑ áåç æàðîâîé òðóáû

Ðèñ. 16. Ðàñ÷åò òå÷åíèÿ âî âñåé êàìåðå ñãîðàíèÿ

11



В работе рассмотрена методика создания

адекватных конечно-элементных моделей

композиционного материала КМ на осно-

ве экспериментального исследования их

механических характеристик. Данная ра-

бота проведена с использованием микро-

подхода. Особенностью которого являет-

ся то, что композит разделяют на матрицу

и армирующий материал и рассматривают

влияние внутренней структуры материала

на его поведение. Объектом исследования

выбран волокнистый стеклопластик.

Напряженно-деформированное состоя-

ние при одноосном растяжении опреде-

лено с учетом остаточных напряжений,

которые возникают при охлаждении пос-

ле отверждения.

Получены результаты распределения

напряжений и деформаций отдельно в

компонентах стеклопластика. А на осно-

вании соотношений микромеханики КМ

получена функциональная связь «напря-

жение — деформация» для исследуемо-

го композита.

Полученные решения сопоставлены с ре-

зультатами эксперимента.

В связи с интенсивным развитием вычис-

лительной техники и численных методов в пос-

леднее время существенно расширились воз-

можности исследований статической и динами-

ческой прочности сложных инженерных конс-

трукций [1]. Однако не всегда можно достигнуть

удовлетворительного решения, полагаясь лишь

на высокую производительность компьютеров.

Построение эффективных моделей сложных

конструкций может быть выполнено с наиболь-

шей достоверностью лишь с привлечением на-

турных экспериментов.

При анализе сложных конструкций одна из

центральных задач — построение на основе по-

лученных экспериментальных данных матема-

тической модели объекта, т. е. идентификация

рассматриваемого объекта. Под идентификаци-

ей обычно понимают построение математичес-

кой модели на основе экспериментальных дан-

ных, которая с достаточной степенью точности

описывает поведение исследуемого объекта.

Отметим, что идентификация включает в

себя три этапа исследования:

экспериментальное изучение поведения

объекта;

построение математической модели;

проверку соответствия поведения объекта

и модели.

В течение последних лет было опубликова-

но значительное количество работ по примене-

нию метода конечных элементов (МКЭ) к иссле-

дованию конструкций с упругопластическими

свойствами. Некоторые из этих работ непос-

редственно посвящены разработке численных

методов расчета композиционных материалов.

Эти исследования можно разделить на две груп-

пы. Для одной части расчетов применяли микро-

подход, для другой — макроподход. При микро-

подходе композит разделяли на матрицу и арми-

рующий материал и, исходя из особенностей

соединения матрицы и армирующего материа-

ла, рассматривали влияние внутренней структу-

ры материала на его поведение. В случае мак-

роподхода наполнитель и связующий материал

рассматривали как одно целое.

Методика расчета

напряженно-

деформированного

состояния композиционных

материаловЯ. М. Клебанов, А. Н. Давыдов,

Самарский государственный технический университет,

Е. В. Биткина,

Филиал Самарского государственного технического университета, г. Сызрань



12

Необходимо отметить, что микроподход —

это моделирование композиционного материа-

ла. В свою очередь, макроподход — это модели-

рование конструкций из КМ, посредством ис-

пользования усредненных характеристик слоя.

Однако очевидные возможности компози-

тов, которых можно достигнуть, используя мик-

роподход, не всегда реализуются из-за отсутс-

твия достаточной информации о компонентах

КМ и их взаимодействии.

Данная работа выполнена в рамках микро-

подхода. Её целью является отработка методики

в создании адекватных конечно-элементных мо-

делей композиционного материала на основе

экспериментального исследования их механи-

ческих характеристик.

При экспериментальном изучении и описа-

нии свойств композитов приходится сталкивать-

ся с трудностями, порожденными макроскопи-

ческой анизотропией и неоднородностью. Это

делает проблему изучения механических харак-

теристик композитов значительно более слож-

ной, чем для обычных однородных изотропных

материалов. Возникающие трудности связаны с

ростом, в зависимости от типа анизотропии,

числа определяемых независимых характерис-

тик и жесткими требованиями к выбору формы,

размеров образцов и способа нагружения.

Первый этап идентификации для стекло-

пластика был реализован с использованием из-

вестного накопленного опыта в области экспе-

риментальных исследований, хорошо отрабо-

танной методики и техники в области проведе-

ния механических испытаний этой группы ком-

позиционных материалов.

В связи с тем, что в данной работе для мо-

делирования поведения композита использо-

вался микроподход, сначала необходимо было

получить характеристики материалов, совокуп-

ность которых образует композит.

Получение таких данных представляет со-

бой довольно трудоемкую задачу, что обычно

является существенным препятствием при про-

ведении большого числа расчетных работ. Она

связана, в частности, с испытанием фенольно-

формальдегидного связующего на растяжение с

целью получения функциональной зависимости

«напряжение — деформация», которая исполь-

зовалась для дальнейшего определения необхо-

димых для расчета механических характеристик.

Значительная трудоёмкость связана и с испыта-

нием самого стеклопластика на растяжение, так-

же выполняемая с целью получения функцио-

нальной зависимости «напряжение — деформа-

ция», которая в дальнейшем использовалась для

сопоставления с результатами расчета. Это поз-

волило авторам статьи судить об адекватности

созданной конечно-элементной модели. Испыта-

ния для определения механических характерис-

тик стеклонитей, из которых состояла стекло-

ткань, не проводились в связи с достаточной

изученностью данного вопроса и наличием об-

ширной библиографии, базирующейся на фун-

даментальных теоретических и эксперименталь-

ных исследованиях. Числовые значения этих ха-

рактеристик были взяты из работы [2].

Экспериментальное изучение механических характеристик КМОбразцы для испытаний стеклопластика на

растяжение

В качестве объекта исследования был выбран

стеклопластик из стеклоткани Т-13 на основе

бесщелочного алюмоборосиликатного стекла

(ГОСТ 19170-73) на фенольно-формальдегид-

ном связующем.

Данный композит относится к классу тер-

мореактивных полимеров, которые являются на-

иболее востребованными на рынке авиа — кос-

мических материалов вследствие своих уни-

кальных свойств, отвечающих высоким требо-

ваниям, предъявляемых космической програм-

мой.

Данные образцы стеклопластика изготав-

ливались в соответствии с технологическими

рекомендациями на изготовление стеклоплас-

тика. Образцы для испытаний изготавливались

из однонаправленного стеклопластика по ГОСТ

11262 (тип 3). Направление вырезки образцов —

450 к направлению армирования.

Образцы для испытаний фенольно-

формальдегидного связующего на

растяжение

Эксперимент проводили на образцах связующе-

го размерами в плане 250×13,2 мм и толщиной

6,3 мм, которые изготавливались в соответствии

с технологическими рекомендациями на их изго-

товление.

Образцы испытывались при нормальной

температуре в количестве 2 штук. Испытания

проводились на универсальной машине марки

1958У-10-1. В испытаниях очень большое вни-

мание уделялось основным метрологическим

характеристикам: точности приложения задан-

ной нагрузки, точности измерения деформации

растяжения. На основании проведенных испыта-

ний были получены диаграммы растяжения об-

разцов стеклопластика и фенольно-формальде-

гидного связующего.

Проведенная экспериментальная работа,

связанная с определением соответствующих

механических характеристик самого стекло-

пластика и его компонентов, позволила перейти

ко второму этапу идентификации, связанному с

построением математической модели.

13


Создание конечно-элементной модели поведения композита по свойствам материалов волокон и матрицыЗадача адекватного описания напряженно-де-

формированного состояния (НДС) ячейки КМ

решалась с использованием методов имитаци-

онного моделирования на базе метода конечных

элементов (МКЭ).

Авторами статьи была создана модель КМ,

состоящая из девяти идентичных ячеек, которые

представляют собой фрагмент КМ из стеклотка-

ни полотняного переплетения на фенольно-фор-

мальдегидном связующем. Данный выбор был

обусловлен тем, что на границе модели накла-

дываются усредненные значения напряжений

(рис. 1). Нагружение средней ячейки отвечает

условиям ее взаимодействия с соседними. Та-

ким образом, условия нагружения средней ячей-

ки в модели приближаются к условиям нагруже-

ния ячейки реального композита. Дальнейшее

увеличение количества ячеек нецелесообразно

в связи с резким возрастанием числа конечных

элементов.

Помимо этого авторы применили метод

подмоделей для получения более точных ре-

зультатов расчета. Из всей модели была выде-

лена центральная ячейка, для которой было про-

ведено перестроение сетки (в сторону ее из-

мельчения) и выполнен более подробный анализ

НДС соответствующей части конструкции. При-

менение данной методики показало хорошую

согласованность с результатами, полученными

для девяти ячеек.

В данной задаче была выбрана аппрокси-

мация 8-узловым объемным элементом с линей-

ной базисной функцией при достаточной диск-

ретизации модели. Стеклянные волокна рас-

сматривались как ортотропный материал с упру-

гими свойствами, а полимерная матрица — как

изотропный материал с упруго-пластическими

свойствами. Моделировалось растяжение дан-

ной ячейки композита (рис. 1) под углом 450 к

схеме армирования. Вид переплетения нитей

представлен на рис. 2.

На гранях рассматриваемой модели КМ

использовались специальные поверхностные

конечные элементы, которые позволили зада-

вать распределенную нагрузку в любом направ-

лении.

Одно ребро закреплялось по всем направ-

лениям во всех узлах ребра, а на диаметрально

противоположное ему ребро накладывались

специфические граничные условия, благодаря

которым перемещение узлов данного ребра

происходило только по диагонали.

Был проведен анализ существующих экс-

периментальных данных по определению влия-

ния деформаций на монолитность стеклоплас-

тиков, который показал, что для основного объ-

ема материала гипотеза сплошности сохраняет-

ся практически до разрушения. Ввиду этого для

создания методов расчета на прочность можно

считать материал сплошным на всех стадиях на-

гружения [3]. Данная гипотеза позволила решать

задачу без введения контактных элементов, что

значительно сокращает время решения.

Задача решалась двумя шагами по нагруз-

ке. Первый шаг позволил получить технологи-

ческие остаточные напряжения [4], возникаю-

щие в композите при его остывании от темпера-

туры 165 0С, при которой происходит «рожде-

ние» данного КМ, до температуры 22 0С, при ко-

торой проводились испытания данного КМ на

растяжение. Второй шаг позволил смоделиро-

вать непосредственно условия рассматриваемо-

го деформационного процесса — растяжения.

Таким образом, имеющиеся результаты эк-

спериментальных исследований стеклопластика

и численные результаты расчета позволяют про-

вести третий этап идентификации и тем самым

завершить данную процедуру идентификации.

Обсуждение результатовТак как испытания проводились на образцах КМ,

состоящего из десяти слоев, перед авторами

статьи стояла задача: беря за основу результа-

Ðèñ. 2. Ïåðåïëåòåíèå íèòåé

Ðèñ. 1. Ìîäåëü êîìïîçèòà, ñîñòîÿùàÿ èç äåâÿòè ÿ÷ååê



14

ты решения, полученные для соответствующей

модели композита, и используя известные тео-

рии и методы механики КМ, с помощью соотно-

шений, учитывающих специфические особен-

ности армированных материалов, получить

функ циональные связи между напряжениями и

деформациями для реального композитного ма-

териала [5, 6].

На основании данных соотношений микро-

механики КМ была получена функциональная

связь «напряжение — деформация» для иссле-

дуемого композита.

На рис. 3 показана зависимость деформа-

ций от соответствующих растягивающих напря-

жений. На кривую нанесены теоретические точ-

ки, полученные в результате численного реше-

ния уравнений краевой задачи. Это позволило

проследить, как согласуются опытные и теоре-

тические результаты.

Помимо этого представляют определенный

интерес результаты распределения напряжений

и деформаций отдельно в компонентах стекло-

пластика. На рис. 4 приведены некоторые ре-

зультаты расчета.

Таким образом, эксперименты обнаружили

удовлетворительное совпадение с результатами

расчета по формулам микромеханики компози-

тов, что позволяет использовать данную конеч-

но-элементную модель для оценочных расчетов.

Ðèñ. 3. Äèàãðàììà ðàñòÿæåíèÿ ñòåêëîïëàñòèêà σ-ε ïðè íîðìàëüíîé òåìïåðàòóðå

Ðèñ. 4. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà: à — èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé â ñâÿçóþùåì ìàòåðèàëå; á — èíòåíñèâíîñòü ïîëíûõ äåôîðìàöèé â àðìèðóþùåì ìàòåðèàëå; â — èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé â ÊÌ

À

Á Â

15


А результаты распределения напряжений и

деформаций, полученные с помощью расчетов

на базе МКЭ, позволяют увидеть наиболее на-

груженные и опасные места в КМ. Получить же

такие результаты с помощью натурных испыта-

ний — весьма трудоемкая и сложная задача.

А это является очень важным моментом в пони-

мании условий зарождения разрушения в КМ,

армированных волокнами.

Из приведенных расчетов видно, что

вследствие различий модулей Юнга, коэффици-

ентов Пуассона и коэффициентов термического

расширения у волокна и матрицы, когда компо-

зит в целом подвергается изменению темпера-

туры или простому одноосному нагружению, то

в силу условий неразрывности на микроуровне

возникает сложное напряженно-деформирован-

ное состояние.

Поскольку реальные слоистые пластики

имеют многонаправленное армирование, то по-

лученные результаты подтверждают точку зре-

ния, что основная причина начала разруше-

ния — расслаивание по границе раздела волок-

но — матрица от растяжения. Следует также

отметить, что изменение температуры в любую

сторону относительно равновесного состояния

тоже вызывает растягивающие напряжения на

поверхности раздела.

Таким образом, подобного рода исследо-

вания могут быть основой для анализа причин

эксплуатационных разрушений.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Íàó÷íûå îñíîâû ïðîãðåññèâíîé òåõíèêè è òåõíîëîãèè /

Ã. È. Ìàð÷óê, È. Ô. Îáðàçöîâ, Ë. È. Ñåäîâ è äð. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1986. — 376 ñ.

2. Ñòåêëÿííûå âîëîêíà / Àñëàíîâà Ì. Ñ., Êîëåñîâ Þ. È., Õàçàíîâ Â. Å. è äð.; Ïîä ðåä. Àñëàíîâîé Ì. Ñ. — Ì.: Õèìèÿ, 1979. — 256 ñ., èë.

3. Þ. Ì. Òàðíîïîëüñêèé, À. Ì. Ñêóäðà. Êîíñòðóêöèîííàÿ ïðî÷íîñòü è äåôîðìàòèâíîñòü ñòåêëîïëàñòèêîâ. Èçä-âî «Çèíàòíå», Ðèãà, 1966.

4. Ìîëîäöîâ Ã. À., Áèòêèí Â. Å., Ñèìîíîâ Â. Ô., Óðìàíñîâ Ô. Ô. Ôîðìîñòàáèëüíûå è èíòåëëåêòóàëüíûå êîíñòðóêöèè èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 2000. — 352 ñ.

5. Îñíîâû ïðîåêòèðîâàíèÿ è èçãîòîâëåíèÿ êîíñòðóêöèé ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Âàñèëüåâ Â. Â., Äîáðÿêîâ À. À., Äóä÷åíêî À. À., Ìîëîäöîâ Ã. À., Öàðàõîâ Þ. Ñ. — Ì.: ÌÀÈ, 1985. — 218 ñ., èë.

6. Ñòðîèòåëüíàÿ ìåõàíèêà ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ: Ó÷åáíèê äëÿ àâèàöèîííûõ ñïåöèàëüíîñòåé âóçîâ / È. Ô. Îáðàçöîâ, Ë. À. Áóëû÷åâ, Â. Â. Âàñèëüåâ è äð.; Ïîä ðåä. È. Ô. Îáðàçöîâà. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1986. — 536 ñ. èë.

Особенности проектирования

размеростабильной

космической платформы из

композиционных материалов,

предназначенной для установки

оптической аппаратурыЕ. В. Биткина,

Филиал Самарского государственного технического университета, г. Сызрань

О. Г. Жидкова,

ОАО «Пластик», г. Сызрань

Одним из перспективных фундаментальных на-

правлений развития науки и техники является

освоение и использование космического про-

странства для решения ряда задач: космическая

и наземная связь, энергетика, радиоастрономия,

космические исследования и производство.

Среди наиболее важных требований, предъ-

являемых к конструкциям современных летатель-

ных аппаратов, объектов космического базиро-

вания, можно назвать: минимальную массу, мак-

симальную жесткость и прочность узлов, макси-

мальный ресурс работы конструкций в условиях



16

эксплуатации, высокую надежность. В значитель-

ной мере перечисленные требования к конструк-

ции обеспечиваются техническими идеями, реа-

лизованными для создания конкретной конструк-

ции, выбором материала и совершенством техно-

логии изготовления конструкции из данного ма-

териала.

Одним из типов космических размероста-

бильных конструкций являются высокоточные

оптические приборы, которые используются для

обеспечения безопасности космических лета-

тельных аппаратов, исследования земной по-

верхности и космического пространства и в дру-

гих целях.

Оптические приборы в космосе должны со-

хранять положение своей оси с высокой степе-

нью точности, гарантирующей высокую степень

разрешения при наблюдении за объектами. Для

обеспечения этого требования используют раз-

ные типы несущих конструкций (рис. 1).

Стремление получить наивысшие эксплу-

атационные характеристики привело к разра-

ботке и использованию в космических конс-

трукциях композиционных материалов. Пре-

имущества космических конструкций из компо-

зиционных материалов по сравнению с конс-

трукциями из традиционных материалов на-

иболее оправданы в тех случаях, когда необхо-

димы низкий коэффициент теплового расши-

рения, небольшая масса, высокие прочность и

жесткость.

Однако высоких потенциальных возмож-

ностей и высокой размеростабильности КМ ста-

новится недостаточно для изготовления высоко-

точных формостабильных конструкций.

Проблема, связанная с технологией произ-

водства размеростабильных космических конс-

трукций и их основных элементов из композици-

онных материалов, заключается в получении

рабочих поверхностей конструкций, исключаю-

щих, во-первых, коробление под действием тер-

монапряжений в процессе их изготовления и,

во-вторых, удовлетворяющих деформативности

и прочности в условиях их эксплуатации.

Таким образом, для решения вопросов,

связанных с созданием размеростабильных

конструкций, работающих в условиях открытого

космоса, совместно с разработкой и оптимиза-

цией технологических процессов изготовления

необходимо проведение дополнительных иссле-

дований и разработок.

В настоящее время в области проектиро-

вания деталей и узлов из композиционных ма-

териалов происходит преодоление у разработ-

чиков «психологического барьера» недоверия к

новым материалам, разработаны основные

прин ципы оптимального проектирования кон-

струкции из композиционных материалов, осва-

иваются инженерные методы расчета конструк-

ций с использованием компьютерной техники и

современных программных комплексов.

Современный уровень требований по раз-

мерной точности и стабильности крупногабарит-

ных космических оптических систем менее

0,1 мм/м в условиях циклического изменения

температуры от минус 150 °С до плюс 150 °С не

может быть достигнут без использования специ-

ализированной системы регулирования темпе-

ратуры или анализа и синтеза свойств компози-

ционного материала, позволяющих за счет за-

данного коэффициента линейного температур-

ного расширения (КЛТР) обеспечить размерную

стабильность оптической структуры.

Традиционно задача получения размеро-

стабильной конструкции панельного типа реша-

ется посредством достижения термически ней-

тральной системы. Однако такой переход не

всегда может быть реализован для трехслойных

конструкций ввиду ограниченных возможностей

многонаправленной оптимизации схемы арми-

рования обшивок, содержащих относительно

небольшое количество слоев композиционного

материала. Для обеспечения размерной точнос-

ти такого класса конструкций требуются новые

проектные методы, основанные на нестандарт-

ном подходе к трактовке геометрической ста-

бильности изделия и определению оптимальных

по термическим деформациям композиционных

структур.

Целью данной работы является анализ

размеростабильности углепластиковой конс-

трукции, предназначенной для установки опти-

ческих элементов спецаппаратуры.

Представленная в статье трехслойная раз-

меростабильная платформа конструктивно со-

стоит из двух обшивок, замкнутых по перимет-

ру, а в качестве заполнителя используются уста-

Ðèñ. 1. Ðàçìåðîñòàáèëüíàÿ ïëàòôîðìà ñ ðàçìåùåííûìè íà íåé îïòè÷åñêèìè ýëåìåíòàìè ñïåöàïïàðàòóðû

17


новленные в определенном порядке углепласти-

ковые цилиндрические элементы (рис. 2).

Данная конструкция была предложена как

альтернативный вариант традиционным трех-

слойным конструкциям, в качестве заполнителя

которых используются алюминиевые или стек-

лопластиковые соты или решетчатый заполни-

тель с заданным размером ячейки.

Важной стороной вопроса рационального

проектирования конструкций из композитов яв-

ляется умение определять то начальное напря-

женно-деформированное состояние в элементах

конструкций из КМ, которое в них формируется

при изготовлении, поскольку в силу своей при-

роды и методов изготовления, связанных с ис-

пользованием повышенных температур (для

проведения процесса отверждения), волокнис-

тые композиты являются самонапряженными

системами. В них образуются технологические

остаточные напряжения и деформации, которые

вызываются особенностями их механических и

теплофизических свойств (анизотропия), неод-

нородностью структуры (волокно и матрица), ис-

пользованием различного материала в слоях,

взаимодействием с ограничительной (формую-

щей) технологической оснасткой, другими тех-

нологическими факторами.

При этом следует отметить, что максималь-

ные остаточные деформации складываются из

деформаций, вызванных технологическими пог-

решностями при изготовлении, т. е. короблени-

ем обшивок и сборкой, а также — из деформа-

ций, возникающих в процессе эксплуатации

конструкции.

Предложенное в данной статье конструк-

тивное решение размеростабильной платфор-

мы, с цилиндрическими элементами в качестве

заполнителя, позволяет минимизировать техно-

логические погрешности в части неплоскостнос-

ти и непараллельности наружных поверхностей

обшивок. Это обусловлено тем, что, с точки зре-

ния анализа сборки, точность, предъявляемая к

плоскостности и параллельности поверхностей

элементов заполнителя — трубкам, обработка

которых осуществляется на станке с ЧПУ, обес-

печивается точностью обработки инструмента и

составляет несколько микрон.

Образующиеся в процессе изготовления в

слоистом композиционном материале остаточ-

ные напряжения, в отдельных случаях приводя-

щие к разрушению слоев, необходимо учиты-

вать при рациональном выборе укладки слоис-

того КМ.

С учетом необходимости обеспечения вы-

соких термомеханических характеристик и с

точки зрения технологичности для изготовления

несущих слоев платформы была принята струк-

тура композита с продольной и косой укладкой

слоев (0/+50°/–50°/–50°/+50°/0)n на основе угле-

родной ленты ЛУ-П-0.1 и связующего ЭНФБ.

Анализ и расчет элементов конструкции

платформы проводится с использованием тео-

рии слоистых сред. Учитывая, что углепластико-

вые панели работают в упругой стадии, необхо-

димо назначать допуски на углы разориентации,

возникновение которых возможно при наруше-

нии углов армирования при выкладке слоев.

Результаты проведенного исследования

показывают, что для укладки (0/+50°/–50°/–50°/

+50°/0)n наиболее критичной является разори-

ентация всех косых слоев. Значительно меняет-

ся КЛТР в продольном направлении, модули уп-

ругости в продольном и поперечном направле-

ниях изменяются в пределах (1÷6)%, КЛТР в по-

перечном направлении изменяется в пределах

(9÷10)%.

При разориентации продольных слоев ком-

позита модули упругости в поперечном и про-

дольном направлениях меняются в пределах

(0,1÷0,2)%, КЛТР в продольном направлении —

в пределах 2%, КЛТР в поперечном направле-

нии меняется незначительно.

Были рассмотрены расчетные схемы раз-

личных вариантов конструкции платформы для

обшивок с выбранной схемой армирования и

трех видов заполнителя: цилиндрические эле-

менты в качестве заполнителя (с элементами и

без элементов подкрепления), решетчатый за-

полнитель, заполнитель из алюминиевых сот. За

критерий проектирования была принята ста-

бильность геометрической формы. Из многооб-

разия внешних факторов, влияющих на размер-

ную устойчивость, было выделено температур-

ное поле. Т. к. температурное воздействие при-

водит к отклонению профиля платформы от ис-

ходного состояния и быстро ухудшает ее функ-

циональные характеристики, была поставлена

задача — для данных конструктивных вариан-

Ðèñ. 2. Îáùèé âèä êîíñòðóêöèè ïëàòôîðìû



18

тов провести также анализ воздействия перепа-

да температур на размерную стабильность.

Для оценки размеростабильности плат-

формы принят перепад температур между верх-

ней и нижней обшивками ΔТ = 20 °С. Данный

перепад возникает вследствие энерговыделе-

ния приборов, установленных на одной из обши-

вок платформы.

В качестве примера рассмотрим расчет-

ный случай «конструкция с цилиндрическими

элементами в качестве заполнителя без элемен-

тов подкрепления».

В данном примере решена связанная теп-

ловая и прочностная задачи. Тепловые поля конс-

трукции платформы накладываются в качестве

узловой нагрузки при проведении анализа НДС.

Аппроксимация конструкции была прове-

дена с использованием элементов типа SHELL,

учитывающими такие внутренние силовые фак-

торы, как мембранное растяжение-сжатие и из-

гиб. Верхняя и нижняя обшивки, а также замы-

кающая их поверхность представлены элемен-

тами оболочки с толщиной 4 мм, в свою очередь,

для трубок также выбрана аппроксимация эле-

ментами SHELL, только с толщиной 1 мм. Схема

конечно-элементного разбиения платформы

представлена на рис. 3.

При решении тепловой задачи (стационар-

ный режим) для построения конечно-элементной

модели элементов конструкции платформы ис-

пользовался четырехузловой тепловой элемент

оболочки SHELL57, степенью свободы которого

является температура (в каждом узле). А при ре-

шении прочностной задачи — четырехузловой

прочностной элемент SHELL63.

Свойства материала платформы приняты

квазиизотропными.

Дискретизация модели проводилась с уче-

том некоторых правил, позволяющих обеспе-

чить эффективность расчетов. При решении

тепловой задачи конечно-элементная сетка

была более «грубой», по сравнению с сеточным

разбиением в случае прочностной задачи. Сле-

дует отметить, что минимизация числа конечных

элементов при решении тепловой задачи не

привела к количественному ухудшению картины

результатов расчета. Прочностная задача тре-

бовала более «густой» дискретной сетки. В свя-

зи с этим был применен метод субмоделирова-

ния, который позволил перенести результаты

теплового решения на новое «уточненное» се-

точное разбиение в прочностной задаче.

Граничные условия, которые накладыва-

лись на модель платформы, показаны на рис. 4.

Проведенный термопрочностной расчет

позволил получить следующие результаты,

часть из которых представлена на рис. 5—8.

В данной работе была также проведена оп-

тимизация различных вариантов исполнения

размеростабильной платформы для разных тол-

щин обшивок по критерию «прочность-масса».

Выполненный анализ показал, что с точки зре-

ния минимизации массы наиболее оптимальным

является вариант изготовления платформы с

Ðèñ. 3. Ñõåìà êîíå÷íî-ýëåìåíòíîãî ðàçáèåíèÿ ïëàòôîðìû, èñïîëüçóåìàÿ ïðè ïðîâåäåíèè òåïëîâîãî àíàëèçà

Ðèñ. 4. Êîíå÷íî-ýëåìåíòíàÿ ìîäåëü ïëàòôîðìû ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè, èñïîëüçóåìàÿ ïðè ïðîâåäåíèè ïðî÷íîñòíîãî àíàëèçà

Ðèñ. 5. Ðàñïðåäåëåíèå ñóììàðíûõ ïåðåìåùåíèé â ìîäåëè ïëàòôîðìû

19


трубчатыми элементами в качестве заполнителя

при толщине оболочек платформы 4 мм.

Проведенный анализ различных вариан-

тов конструкций размеростабильной платфор-

мы (конструкция с углепластиковыми цилинд-

рическими элементами в качестве заполнителя

без подкрепляющих ребер в заполнителе и с

использованием подкрепляющих ребер; конс-

трукция с заполнителем в виде решеток; конс-

трукция с сотовым заполнителем) показал, что

целенаправленная размеростабильность плат-

формы может быть достигнута необходимым

сочетанием термоупругих характеристик, зави-

сящих от структуры композита (характеристики

компонентов, их объемного содержания, схемы

армирования и конструктивного выполнения

(характер и дискретность расстановки цилинд-

рических элементов и ребер подкрепления — в

конструкции с цилиндрическими элементами в

качестве заполнителя; ориентация ребер ре-

шетки — в конструкции с решетчатым заполни-

телем)).

На основании данного анализа НДС раз-

личных вариантов исполнения конструкции

платформы можно сделать вывод, что наиболее

предпочтительным (по всем параметрам) вари-

антом исполнения может быть конструкция с ци-

линдрическими элементами в качестве запол-

нителя (с подкрепляющими элементами или без

них).

Данная работа была выполнена с помо-

щью программного комплекса ANSYS, исполь-

зование которого при проектировании разме-

ростабильных конструкций космического назна-

чения позволяет получать результаты высокой

точности, а мощные средства оптимизации об-

легчают проектирование оптимальной конс-

трукции по различным, в том числе комплекс-

ным, критериям.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Ìîëîäöîâ Ã. À., Áèòêèí Â. Å., Ñèìîíîâ Â. Ô.,

Óðìàíñîâ Ô. Ô. Ôîðìîñòàáèëüíûå è èíòåëëåêòóàëüíûå êîíñòðóêöèè èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 2000. — 352 ñ.

2. Îñíîâû ïðîåêòèðîâàíèÿ è èçãîòîâëåíèÿ êîíñòðóêöèé ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Âàñèëüåâ Â. Â., Äîáðÿêîâ À. À., Äóä÷åíêî À. À., Ìîëîäöîâ Ã. À., Öàðàõîâ Þ. Ñ. — Ì.: ÌÀÈ, 1985. — 218 ñ., èë.

3. Ñòðîèòåëüíàÿ ìåõàíèêà ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ: Ó÷åáíèê äëÿ àâèàöèîííûõ ñïåöèàëüíîñòåé âóçîâ / È. Ô. Îáðàçöîâ, Ë. À. Áóëû÷åâ, Â. Â. Âàñèëüåâ è äð.; Ïîä ðåä. È. Ô. Îáðàçöîâà. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1986. — 536 ñ. èë.

4. Êëèìàêîâà Ë. À., Ïîëîâûé À. Î., Ìàðêèí Î. Â. Òåðìîñòàáèëüíàÿ îïîðíàÿ ïëàòôîðìà èç ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ äëÿ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà. Æóðíàë «Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû â ïðîìûøëåííîñòè». ßëòà, 2005. Ñ 66-68.

5. Ñîâðåìåííûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû. Ïîä ðåä. Ï. Êðîêà è Ë. Áðîóìàíà. Ïåð. ñ àíãë. — Ì., 1978.

Ðèñ. 7. Èíòåíñèâíîñòü ïîëíûõ äåôîðìàöèé, âîçíèêàþùèõ â ìîäåëè ïëàòôîðìû

Ðèñ. 6. Ðàñïðåäåëåíèå ñóììàðíûõ ïåðåìåùåíèé â çàïîëíèòåëå

Ðèñ. 8. Èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ â ìîäåëè ïëàòôîðìû



20

При больших дозвуковых скоростях полёта, ус-

корении самолета и переходе с дозвуковой ско-

рости на сверхзвуковую качественно изменяет-

ся физическая картина обтекания летательного

аппарата: вблизи тела возникают скачки уплот-

нения, которые взаимодействуют с пограничным

слоем и вызывают отрыв потока от поверхности

тела. Следовательно, изменяется и распределе-

ние давления по телу. При моделировании таких

режимов обтекания практически важной стано-

вится задача о колебаниях упругой конструкции

летательного аппарата (ЛА) — флаттер. Основ-

ная цель подобных исследований состоит в оп-

ределении критической скорости флаттера, от-

деляющей устойчивые режимы колебаний от

неустойчивых.

Появление флаттера в трансзвуковых усло-

виях можно приблизительно рассчитать при по-

мощи классических потенциальных методов [1].

В рамках исследовательского проекта в

Политехническом институте Милана [2] была

разработана численная модель аэроупругости

деформируемых элементов самолета на транс-

звуковом режиме. Особое внимание было уделе-

но созданию среды, которая содержала бы все

основные физические явления, так как проекти-

рование самолета подразумевает выполнение

большого количества расчетов для разных вари-

антов его конструкции. Разработанная методика

была опробована при разработке нового поколе-

ния учебно-тренировочного самолёта M346.

Ядро решателя аэроупругости было реали-

зовано во FLUENT посредством пользователь-

ского программирования. Доступ к расчетным

переменным и работа с результатами расчетов

Моделирование явлений

аэроупругости элементов

самолета на трансзвуковой

скорости1

1 © Перевод: Денис Юрченко, ЗАО «ЕМТ Р», 2008 г.

L. Cavagna, G. Quaranta, P. Mantegazza, Politecnico di Milano, Италия,

D. Marchetti, M. Martegani, Aermacchi SpA, Италия

Ðèñ. 1. Êîíòóðû äàâëåíèÿ íà ïîâåðõíîñòè ó÷åáíî-òðåíèðîâî÷íîãî ñàìîë¸òà M346

Ðèñ. 2. Ýëåìåíòû êîíñòðóêöèè ËÀ, ïîäâåðæåííûå ôëàòòåðó (âåðõíèé ðèñóíîê) è ðåçóëüòèðóþùàÿ ñåòêà äëÿ çàäà÷è ñ âîçðàñòàíèåì àìïëèòóäû âèáðàöèé (íèæíèé ðèñóíîê)

21


также были реализованы с помощью средств

пользовательского программирования (UDF).

Расчеты напряженно-деформированного

состояния упругих элементов ЛА были выполне-

ны в программном комплексе ANSYS, который

успешно применяется в аэрокосмической отрас-

ли на протяжении многих лет. Реализация раз-

дельного решения задачи взаимодействия жид-

кости и твердого тела (FSI) требует описания

метода передачи перемещений из анализа НДС

конструкции и аэродинамических сил из аэроди-

намического расчета. При этом для каждого

анализа используется своя расчетная сетка.

Модели для расчета аэродинамики и на-

пряженно-деформируемого состояния сущест-

венно отличаются и часто являются несовмести-

мыми, это особенно проявляется в промышлен-

ности, где модели обычно идут из различных

отделов. В численной модели расчета аэроупру-

гости, разработанной в политехническом инсти-

туте Милана, процедура передачи данных из

одной модели в другую основана на методе на-

именьших квадратов [3]. Этот метод применим

для сложных геометрических конфигураций и,

в отличие от многих других методов интерполя-

ции данных, он обеспечивает сохранение коли-

чества движения и энергии, передаваемых меж-

ду CFD и конечно-элементными моделями. Это

является ключевым фактором обеспечения ста-

бильности при расчете таких явлений, как флат-

тер. В самом деле, генерация или диссипация

«паразитной» энергии, возникающей из-за при-

менения различных схем интерполяции, может

повлиять на стабильность расчета.

Оценка условий возникновений флаттера

и появления неустойчивости, основанная на

анализе линеаризованных решений, необходи-

ма для сертификации аэроупрогого состояния

фюзеляжа.

В случае существенных нелинейностей в

поле скоростей, необходимо оценить стабиль-

ность каждого перемещения, связанного с соот-

ветствующей точкой равновесия аэроупругой

системы. Следовательно, любой планер может

потенциально принять различное устойчивое

состояние. Однако, если нет резких изменений в

поле скоростей, целесообразно рассматривать

линеаризацию в окрестности отдельного режи-

ма полета, соответствующего устойчивому со-

стоянию в соседних точках, которые характери-

зуются малым отличием в массе и жесткости и,

следовательно, малыми изменениями в состоя-

нии планера.

В работе [4] для исследования стабильнос-

ти использовался численный эксперимент, в ко-

тором устойчивость определялась при помощи

анализа нарастания или затухания кривой дина-

мической реакции. Такой подход требует чрез-

вычайно много времени для реализации, так как

необходимо проводить большое число вариант-

ных расчетов, чтобы охватить весь диапазон ус-

ловий возникновения флаттера.

С другой стороны, подход, основанный на

использовании CFD для аэродинамического мо-

делирования при трансзвуковых скоростях, яв-

ляется более предпочтительным и промышлен-

но ориентированным.

В классическом расчете флаттера резуль-

таты, полученные при таком подходе, являются

линеаризированной моделью относительно час-

тоты или интервала времени, которые могут

быть использованы как эффективный инстру-

мент для оценки границы устойчивости и анали-

за реакции при динамическом нагружении.

Из соображений исключения возможных

источников ошибок должна быть реализована

также и процедура дублирующего расчета в со-

пряженной нелинейной постановке. Эта альтер-

нативная процедура может быть использована

для верификации точек неустойчивости, полу-

ченных при использовании упрощенного линеа-

ризированного подхода. Для этих целей можно

достаточно просто реализовать прямое интегри-

рование по времени на основе слабосвязанного

раздельного алгоритма.

Для моделирования структурных дефор-

маций планера расчетная сетка CFD-модели

должна модифицироваться на каждом времен-

ном шаге, чтобы соответствовать новой форме

планера. Деформация сетки существенно за-

медлет процесс CFD-расчета. Для повышения

скорости счета было решено отказаться от не-

линейных моделей деформации сетки. Вместо

этого использовалась упругая аналогия для опи-

сания деформируемой сетки. Сетка представля-

лась как некий линейный упругий континуум с

локальным модулем Юнга, пропорциональным

минимальному размеру каждого элемента.

Структурная аналогия предоставляет гиб-

кие возможности по выбору свойств материала,

которые будут влиять на характер деформации

сетки. Более того, посредством деления жидкос-

тного объема на отдельные зоны процесс де-

формации можно настроить подбором соответс-

твующих свойств материала. В результате полу-

чился очень гибкий и устойчивый алгоритм де-

формации сетки. Структурная модель представ-

ляла собой набор форм колебаний. Для ускоре-

ния счета была исследована линеаризация за-

дачи, посредством суперпозиции деформаций

сетки CFD-модели, рассчитанных для каждой

формы колебаний. Все деформации сетки, свя-

занные с каждой формой колебаний, рассчиты-

вались один раз и сохранялись в базе данных.

Особое внимание необходимо уделить

описанию движения основных поверхностей,



22

так как вращение поверхности может изменить

топологию области решения CFD-модели. Ка-

чественное описание таких условий в идеале

требует перестроения расчетной сетки в про-

цессе нестационарного счета, при этом такой

подход существенно увеличивает время счета.

Для эффективного преодоления этой трудно-

сти использовались неконформные интерфей-

сы. Это позволило отдельным ячейкам области

решения вблизи подвижных поверхностей де-

формироваться отдельно от всей расчетной

сетки.

Разработанная методика моделирования

аэроупругости была применена к крылу AGARD

445.6, которое является классической тестовой

задачей аэроупругости [5]. Результаты расчета,

полученные при помощи разработанной методи-

ки, хорошо согласуются с экспериментальными

исследованиями трансзвукового режима обте-

кания ЛА.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Isogai K.: On the Transonic-dip Mechanism of Flutter of

a Sweptback Wing. AIAA Journal, 17: 735-795, 1979.2. Cavagna L., Quaranta G., Ghiringhelli G. L. and

Mantegazza P.: Efficient Application of CFD Aeroelastic Methods Using Commercial Software. In International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics IFASD-2005, Munich, Germany, June 28 — July 1 2005.

3. Quaranta G., Masarati P. and Mantegazza P.: A Conservative Mesh-free Approach for Fluid-structure Interface Problems. Papadrakakis, M., Oñate, E. and Schrefler, B., Editors, in International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, CIMNE, Santorini, Greece, 2005.

4. Melville R.: Nonlinear Mechanisms of Aeroelastic Instability for the F-16. AIAA Paper 2002-0871, January 2002.

5. Yates E.C.: AGARD Standard Aeroelastic Configurations for Dynamic Response. I wing 445.6. R 765, AGARD,1985.

Ðèñ. 3. ßâëåíèå óìåíüøåíèÿ ñêîðîñòè ôëàòòåðà íà òðàíñçâóêå õîðîøî îïèñûâàåòñÿ ðàçðàáîòàííîé ìîäåëüþ àýðîóïðóãîñòè

Ðèñ. 4. Ðåçóëüòàòû ìîäàëüíîãî àíàëèçà äëÿ êðûëà AGARD 445.6 ïðè ÷èñëå M = 0.678 è F. I. = 0.34 (âåðõíèé ðèñóíîê) è 0.5 (íèæíèé ðèñóíîê)

Ðèñ. 5. Ôðàãìåíòû ðàñ÷åòíîé ñåòêè è ïðèìåð íåêîíôîðìíîãî èíòåðôåéñà

23



Газотурбинные двигатели (ГТД) являются

сложными и наукоемкими изделиями, в кото-

рых наиболее термонапряженным элементом

считается рабочая лопатка. Постоянное стрем-

ление к повышению кпд современных ГТД

обусловливает увеличение температуры и дав-

ления на входе в лопаточный аппарат, что в

свою очередь приводит к необходимости более

точного и подробного расчета температурного

поля лопатки. Это важно для контроля пре-

дельных локальных температур и температур-

ных градиентов, что определяет напряженно-

деформированное состояние лопатки, которая

часто работает в условиях с предельнодопус-

тимыми напряжениями.

Для расчета теплового состояния лопаток

ГТД существует ряд традиционных методик,

основанных на задании граничных условий

третьего рода на поверхностях теплообмена

лопаток, известных из экспериментальных ис-

следований и представленных в виде критери-

альных зависимостей, проведении гидравли-

ческого расчёта охлаждающего тракта при по-

мощи экспериментально известных коэффи-

циентов местного гидравлического сопротив-

ления. И, наконец, на разбиении тела лопатки

на отдельные зоны, в пределах которых для ус-

редненных теплофизических характеристик и

коэффициентов теплоотдачи рассчитываются

средние температуры. При использовании та-

ких методик тепловой и гидравлический расчё-

ты осуществляются раздельно. Коэффициенты

теплоотдачи должны быть известны или полу-

чены с помощью ряда специальных и дорого-

стоящих экспериментов для конкретной систе-

мы охлаждения в необходимом диапазоне ре-

жимных и геометрических параметров. Таким

образом, вследствие усреднения температур,

коэффициентов теплоотдачи и теплофизичес-

ких характеристик по отдельным зонам лопат-

ки традиционные методики не позволяют опре-

делять с высокой точностью локальные пере-

гревы, а также напряжения и деформации, что

часто является проблемой для инженеров-про-

ектировщиков. Это утверждение справедливо

даже при использовании критериальных зави-

симостей для расчета локального теплообмена

на поверхности лопатки, так как существует

проблема определения точки перехода режима

течения, которая может приводить к ощутимым

ошибкам при расчете теплообмена. Более

того, поскольку традиционные методики не

позволяют проводить совместный учет особен-

ностей газодинамических процессов при на-

ружном обтекании и внутреннем охлаждении

лопатки и теплопроводности в теле лопатки

(сопряженные задачи теплообмена), то при

проектировании новых изделий есть риск по-

лучения неверных решений.

В последние годы интенсивно развивают-

ся так называемые CFD (Computational Fluid

Dynamics) методы (методы вычислительной

гидродинамики), основанные на современных

компьютерных технологиях, новейших матема-

тических моделях процессов переноса, а также

эффективных и высокоточных численных алго-

ритмах. Разработанные CFD-программы поз-

воляют строить CFD-модели, которые являют-

ся физико-математическим представлением

исследуемого объекта и/или процесса, осно-

ванным на численном решении системы урав-

нений Навье-Стокса, реализованным, как пра-

вило, в среде компьютерной программы. Такие

CFD-модели разрабатываются, в том числе, и

для расчета теплового состояния лопаток ГТД

в сопряженной постановке, что подразумевает

расчет теплообмена на границе между жидкос-

тью и твердым телом при граничных условиях

четвертого рода (условиях сопряжения). Теп-

лообмен между жидкостью и твердым телом в

сопряженной постановке определятся из сов-

местного решения уравнений переноса и энер-

гии в области жидкости и уравнения теплопро-

водности в области твердого тела. Под разра-

боткой CFD-модели подразумевается процесс

компьютерного представления таких составля-

ющих CFD-модели, как геометрия исследуемо-

го объекта, расчетной сетки рассматриваемой

Создание и верификация

CFD-модели лопатки ГТД

в сопряженной постановкеДенис Юрченко, к. т. н., ЗАО «ЕМТ Р»



24

геометрии исследуемого объекта, граничных

условий и физических свойств материалов ис-

следуемого объекта, модели турбулентности,

а также параметров численного решения сис-

темы уравнений Навье-Стокса. При использо-

вании CFD-технологий появляется возмож-

ность использования полной трехмерной гео-

метрической модели лопатки без упрощений.

При этом нет необходимости упрощать физи-

ческие процессы течения и взаимодействия

газов с телом лопатки. Поля температур иссле-

дуемой лопатки, а также основанные на них

поля напряжений и деформаций могут рассчи-

тываться в любом количестве локальных точек,

необходимом инженеру-проектировщику.

Таким образом, CFD-модели теплового

состояния лопаток ГТД в сопряженной поста-

новке лишены недостатков, присущих традици-

онным методикам расчета температур отдель-

ных зон лопатки, и потенциально обладают бо-

лее высокой точностью, а также значительно

большей информативностью. Поэтому вычис-

лительный эксперимент на основе CFD-моде-

лей приближается по своим качествам к натур-

ному эксперименту, а сами модели часто назы-

вают виртуальными стендами. CFD-модели,

или виртуальные стенды, обладают потенци-

альными возможностями дополнения или заме-

ны натурных стендов или натурных экспери-

ментов для получения новых данных по тепло-

обмену, в частности в виде критериальных за-

висимостей, что является весьма важным на

практике. Однако при применении таких моде-

лей для проектирования и оптимизации пара-

метров ответственных деталей и узлов ГТД

важным является вопрос проверки и обеспече-

ния адекватности таких моделей реальным про-

цессам, происходящим в деталях и узлах. Эти

процедуры называют верификацией модели,

настройкой или идентификацией и т. д. пара-

метров модели. Обычно под идентификацией

подразумевается способ выбора такой структу-

ры и (или) значений параметров разработанной

CFD-модели, для которых расчетные характе-

ристики близки к характеристикам, известным

из натурного эксперимента или представленных

в литературе. В научной литературе для вери-

фикации модели в основном используют экспе-

риментальные данные измерений температур,

давлений, скоростей, расходов газов в каналах

и др. на моделируемых лопатках ГТД.

При отсутствии экспериментальных дан-

ных для моделируемого изделия, вопрос обес-

печения адекватности CFD-модели теплового

состояния изделия становится очень актуаль-

ным.

Использование CFD-моделей при постро-

ении новых критериальных зависимостей для

Ðèñ. 1. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà: à — ïîëå êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè ëîïàòêè; á — íà ïîâåðõíîñòè êàíàëà îõëàæäåíèÿ; â — ïîëå òåìïåðàòóð ëîïàòêè

À

Á

Â

25


расчета теплоотдачи сложных деталей также

является важным научным вопросом.

Была разработана трехмерная CFD-мо-

дель теплового состояния рабочей охлаждае-

мой лопатки ГТД при трансзвуковом течении

газа в межлопаточном канале и течении возду-

ха в оребренном канале охлаждения лопатки в

двухсторонней сопряженной постановке, кото-

рая позволила получить подробные поля тем-

ператур, давлений, скоростей в области реше-

ния, а также поля коэффициентов теплоотдачи

на теплообменных поверхностях лопатки.

Разработана методика верификации CFD-

моделей теплового состояния исследуемых

объектов в сопряженной постановке, не требу-

ющая обязательного наличия эксперименталь-

ных температурных измерений в отдель ных

точках исследуемого объекта, а позволяющая

использовать представленные в литературе

критериальные зависимости для расчета коэф-

фициента теплоотдачи на поверхностях тепло-

обмена. Разработанная методика носит общий

характер и применима к любым CFD-моделям в

сопряженной постановке.

Проведена верификация модели теплово-

го состояния охлаждаемой лопатки ГТД по теп-

лообмену в межлопаточном канале и гидрав-

лическому сопротивлению системы охлажде-

ния лопатки. Отметим, что отличие эмпиричес-

ки полученных величин коэффициентов тепло-

отдачи от полученных при помощи CFD-модели

не превышает 17%, а величина гидравлическо-

го сопротивления системы охлаждения, рас-

считанная по традиционной методике, на 3.1%

отличается от полученной в CFD-модели. Срав-

нение поля температур в среднем сечении ис-

следуемой лопатки ГТД, полученного при по-

мощи CFD-модели с экспериментальными зна-

чениями, показало, что максимальное отличие

величин температуры не превышает 1.5%

(до 11 °С). Значения расходов в канале охлаж-

дения и межлопаточном канале сравнивались

с экспериментальными данными, отличие не

превышало 1.5%.

Проведен качественный анализ гидроди-

намики в канале охлаждения и межлопаточном

канале лопатки ГТД, который показал сущест-

вование всех основных вихревых структур и

закономерностей при течении газов в модели

охлаждаемой лопатки ГТД, что также под-

тверждает адекватность разработанной мо-

дели.

При расчете напряженно-деформируемо-

го состояния рассматриваемой лопатки ис-

пользовалось полученное при помощи CFD-

модели поле температур охлаждаемой лопатки

ГТД (для учета термических расширений),

а также учитывалось действие массовых сил в

результате вращения лопатки с частотой 50000

об/мин.

Также, используя такой подход, представ-

ляется возможным учесть и гидродинамичес-

кие силы, действующие на профиль лопатки,

однако в данном расчете они не учитывались.

Таким образом, подобный подход к расче-

ту лопаток ГТД позволяет провести все этапы

расчета: гидродинамический, тепловой, проч-

ностной и, следовательно, полностью замкнуть

процесс проектирования лопатки ГТД.

Ðèñ. 2. Ïîëå òåìïåðàòóð â ñðåäíåì ñå÷åíèè îáëàñòè ðåøåíèÿ

Ðèñ. 3. Äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ëîïàòêè ÃÒÄ âñëåäñòâèå òåðìè÷åñêèõ ðàñøèðåíèé è äåéñòâèÿ ìàññîâûõ ñèë ïðè âðàùåíèè ëîïàòêè ñ ÷àñòîòîé 50000 îá/ìèí



26

Производство высококачественной стали явля-

ется многоступенчатым процессом. После на-

чального периода нагрева, перемешивания и

химической реакции в конвертерной печи рас-

плавленная смесь поступает в ковш. Далее в

смесь добавляются легирующие составляющие,

а газообразные и твердые загрязняющие аген-

ты удаляются посредством процедуры очистки.

Как правило, при легировании и очистке через

ковш пропускается аргон в виде пузырьков газа

для равномерного перемешивания смеси. Газ

поступает с днища ковша, и поднимающаяся

при этом струя пузырьков вызывает циркуляци-

онные потоки, которые играют очень важную

роль в определении качества конечного продук-

та — стали.

Вследствие высоких температур расплав-

ленного металла и отсутствия возможности не-

посредственного доступа к содержимому ковша,

вычислительная гидродинамика (CFD) является

полезным инструментом для исследования фи-

зических процессов в ковше и визуализации

структуры потока при таких условиях. В 2006

году специалисты компании Dunaferr Co. исполь-

зовали CFD для исследования процессов пере-

мешивания и очистки металла в металлургичес-

ком ковше.

Для корректного моделирования структу-

ры восходящих завихренных потоков аргона в

уравнения были введены дополнительные ис-

точники моментов, локализованные в областях

завихрения газа. Было проанализировано пове-

дение групп пузырьков в жидкости с учетом пла-

вучести. Эта сила зависит от относительного

объема пузырьков аргона в стали, т. е. от удель-

ного массового расхода газа аргона, локального

давления, вертикальной скорости стали и отно-

сительной скорости пузырьков. Разработанная

модель также учитывает нагрев газа и увеличе-

ние размеров пузырьков по мере их подъема.

Модель была верифицирована путем измерения

времени подъема пузырьков аргона как в пере-

мешиваемой, так и в неперемешиваемой (стати-

ческой) стали.

Следует отметить, что в ковше большая

часть поверхности расплавленной стали покры-

та слоем шлака. Этот слой выполняет несколько

важных функций. Он предохраняет сталь от

окисления и слишком быстрого охлаждения, а

также «захватывает» твердые загрязняющие

агенты, такие как частицы окиси алюминия.

Вследствие большей вязкости они значительно

крупнее частиц стали. Слой шлака можно смо-

Численное исследование

методов повышения

качества стали

с помощью CFDLaszlo Nagy, Tamas Regert, Tamas Lajos, Budapest University of Technology, Будапешт, Венгрия;

Arpad Szelig, Dunaferr Company, Дунауйварош, Венгрия

Ðèñ. 1. Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âíóòðè êîâøà ïðåäñòàâëåíà â âèäå öâåòíûõ òðàåêòîðèé ïîòîêà (â çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè ïðèñóòñòâèÿ). Ñèíèå çîíû îòíîñÿòñÿ ê ðàííåé òðàåêòîðèè ñòðóè àðãîíà, à êðàñíûå çîíû ïîÿâèëèñü ïîñëå íåñêîëüêèõ ïåòåëü öèðêóëÿöèè. «Ìåðòâàÿ» çîíà íàõîäèòñÿ òàì, ãäå áûë èäåíòèôèöèðîâàí ñëàáûé ïîòîê: âîçëå äíèùà êîâøà è íàïðîòèâ ñòðóè àðãîíà

27


делировать достаточно точно, представив его в

виде твердой стенки.

Однако поднимающаяся смесь аргона и

стали в области струи прорывается сквозь слой

шлака и формирует открытую зону на поверх-

ности стали. Через это отверстие в поверхности

шлака аргон уходит в прилегающий воздух,

а жидкая смесь остается открытой. Диаметр та-

кого отверстия зависит от скорости потока арго-

на, и для его определения необходимо исполь-

зовать модель свободной поверхности. Течение

со свободной поверхностью сначала было смо-

делировано в двумерной постановке, а затем

были созданы более строгие трехмерные моде-

ли, позволяющие исследовать характеристики

нестационарного потока в расплавленной стали

в присутствии струи газа, легирующих примесей

и шлаковых агентов.

Размеры открытых областей были рассчи-

таны для широкого диапазона расхода аргона.

При этом результаты вычислений достаточно хо-

рошо согласовывались с экспериментальными

данными.

По результатам первоначальных CFD-рас-

четов были локализованы «мертвые» зоны, т. е.

зоны с низкими скоростями потоков, которые

ухудшают процесс перемешивания расплавлен-

ного металла. Такие зоны были обнаружены

даже в случае, когда скорость потока аргона

была значительна увеличена.

В дополнение к исследованию траекторий

движения потоков были построены поверхнос-

ти, которые отображают различные уровни тур-

булентности в ковше. Турбулентность дает су-

щественный вклад в процесс перемешивания,

и поэтому эти характеристики помогают опре-

делить границы, в которых одиночная струя ар-

гона приводит к интенсивному перемешиванию.

Результаты CFD-моделирования также исполь-

зовались для определения времени, необходи-

Ðèñ. 2. Ïîëå âåêòîðîâ ñêîðîñòè âíóòðè êîâøà. Õîðîøî âèäíî, ÷òî öèðêóëÿöèÿ ïðîèñõîäèò äàæå íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò âõîäíîãî ñîïëà

Ðèñ. 3. Âñëåäñòâèå âûñîêèõ òåìïåðàòóð ðàñïëàâëåííîãî ìåòàëëà è îòñóòñòâèÿ âîçìîæíîñòè íåïîñðåäñòâåííîãî äîñòóïà ê ñîäåðæèìîìó êîâøà, âû÷èñëèòåëüíàÿ ãèäðîäèíàìèêà (CFD) ÿâëÿåòñÿ ïîëåçíûì èíñòðóìåíòîì äëÿ èññëåäîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â êîâøå



28

мого для достижения однородного распределе-

ния легирующих элементов, добавленных в рас-

плавленный металл из различных точек ввода.

Эти результаты позволяют сравнивать эффек-

тивность различных точек ввода легирующих

материалов.

Помимо этого, была рассмотрена еще одна

модель, позволяющая описать процесс «захва-

та» частиц окиси алюминия в период перемеши-

вания. В качестве начальных условий предпола-

галось, что крошечные частицы диаметром от 5

до 10 мкм равномерно распределены по объему

стали. Траектории этих частиц зависели от подъ-

емной силы и от степени турбулентности, вы-

званной струей аргона. Когда частицы достига-

ли нижней поверхности слоя шлака, они захва-

тывались и удалялись из расплавленного метал-

ла. На основе серии расчетов были выведены

соотношения для скорости захвата как функции

времени очистки, скорости потока газа и диа-

метра частицы. Эти соотношения в настоящее

время используются для определения важных

технологических параметров в ковшовой метал-

лургии.

Ðèñ. 4. Èçîïîâåðõíîñòè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òóðáóëåíòíîñòè âíóòðè êîâøà. Âèäíî êàê ýòà ýíåðãèÿ óìåíüøàåòñÿ ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò ñòðóè ãàçà âñëåäñòâèå ïðîöåññîâ äèôôóçèè è äèññèïàöèè. Òóðáóëåíòíîñòü äàåò ñóùåñòâåííûé âêëàä â ïðîöåññû ïåðåìåøèâàíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå â êîâøå

Расчет гидродинамики

искусственного сердечного насоса

Исследователи Кливлендского Клинического

Фонда (Cleveland Clinic Foundation) используют

ANSYS CFX для совершенствования технологии

изготовления медицинских катетеров и ротаци-

онных насосов для пациентов с заболеваниями

сердца. Подобные насосы поддерживают крово-

ток в теле пациента в период ожидания транс-

плантации сердца или во время других хирурги-

Ðèñ. 1. Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ íà âõîäå â íàñîñ

29


ческих процедур. Катетерные насосы разрабо-

таны для поддержания кровотока в течение от-

носительно ограниченного периода времени.

Для их установки обычно используют бедренную

артерию. Ротационные насосы разработаны для

постоянного поддержания кровотока, иногда в

течение месяцев, и они в буквальном смысле за-

меняют функцию сердца как кровяного насоса.

Кливлендский Клинический Фонд облада-

ет богатейшим опытом в области исследования

искусственного сердца. Фонд существует уже

более полувека. Доктор Willem J. Kolff в 1957

году впервые имплантировал искусственное

сердце собаке. Сегодня использование мето-

дов вычислительной гидродинамики (CFD) поз-

воляет разрабатывать искусственное сердце

зав трашнего дня, которое будет меньше и бе-

зопаснее для пациентов. CFD позволяет иссле-

дователям визуализировать структуру течения

крови внутри насоса и, соответственно, мини-

мизировать потенциальные проблемы с пото-

ком крови, которые могут угрожать жизни па-

циентов.

Катетерные насосыВ 2005 году в Lerner Research Institute (LRI) инже-

нер-исследователь Markus Lorenze выполнил ра-

боты по оптимизации конструкции катетерного

насоса с диаметром колеса 4 мм и частотой вра-

щения 60000 об/мин. Кроме колеса конструкция

насоса включает также статорную часть и два

постоянных магнита, работающих как подшип-

ники в передней и задней частях насоса. Кровь

поступает через переднюю часть насоса и вы-

талкивается с боков под углом около 45 граду-

сов. По мнению Lorenze такая конструкция явля-

ется наилучшей для поддержания приемлемого

уровня касательных напряжений в насосе, что-

бы избежать возможности разрушения красных

кровяных телец. Если такое происходит, то па-

циент страдает от анемии и других проблем,

связанных с повреждением клеток крови. Пов-

реждение клеток крови является функцией уров-

ней напряжений и длительности их воздействия.

Если время воздействия мало, то можно допус-

тить и более высокие уровни напряжений.

Кроме этого, разработчики насосов долж-

ны избегать любых конструкций с зонами пони-

женных скоростей или с рециркулирующими по-

токами внутри насоса. Они вызывают застой

крови, потенциально ведущий к опасному для

жизни свертыванию крови.

При проектировании Lorenze и его команда

использовали программные комплексы Blade-

Gen и ANSYS CFX, разработанные компанией

ANSYS Inc. Первая стадия проекта состояла в

разработке конструкции впускного неподвижно-

го тракта, обеспечивающего минимальное паде-

ние давления, которое могло бы повредить клет-

ки крови. Кроме этого решалась задача оптими-

зации поля течения на входе во вращающееся

колесо.

Данные, полученные при моделировании

течения в статоре, позволили разработчикам

LRI усовершенствовать лопасти миниатюрного

колеса и подобрать оптимальный угол установ-

ки лопасти.

Для оптимизации конструкции насоса ин-

женеры LRI использовали сочетание натурных

испытаний прототипа и компьютерного модели-

рования течения в насосе. Сначала специалис-

ты Parametric Technology Corp. построили объ-

Ðèñ. 2. Òðàåêòîðèè ïîòîêà âáëèçè ñòåíêè. Âèõðåîáðàçîâàíèÿ âîçëå íàðóæíîãî êðàÿ âïóñêíîãî òðàêòà



30

емную модель насоса в Pro/Engineer. Далее эта

модель была использована для создания стерео-

литографической модели прототипа насоса.

Прототип позволил исследователям получить

основные характеристики базовой конструкции

насоса. Однако испытания прототипа оказались

действительно полезными только для оценки

общей работоспособности насоса. «С помощью

CFX мы смогли визуализировать поле течения

внутри насоса, — сказал Lorenze. — Вначале мы

Ðèñ. 3. Îòîáðàæåíèå ñòðóêòóðû òå÷åíèÿ â òðàêòå íàñîñà â âèäå âåêòîðîâ. Íàñîñ áûë ñêîíñòðóèðîâàí òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ìèíèìèçèðîâàòü óðîâíè êàñàòåëüíûõ íàïðÿæåíèé è îáðàçîâàíèå âèõðåé, êîòîðûå óâåëè÷èâàþò âðåìÿ ïðåáûâàíèÿ êðîâè â íàñîñå

Ðèñ. 4. Ïîëíàÿ ìîäåëü íàñîñà, âêëþ÷àþùàÿ âïóñêíîé òðàêò è âûõîäíóþ ÷àñòü

31


обнаружили вихри ниже лопастей насоса по те-

чению. Это являлось проблемой, поскольку уве-

личивало время пребывания крови в насосе и

ухудшало общие эксплуатационные характерис-

тики».

«Результаты анализа также использова-

лись для оптимизации конструкции лопастного

колеса с тем, чтобы уровни касательного напря-

жения внутри насоса, а также время нахождения

потоков крови в насосе, были минимизирова-

ны, — добавил Lorenze. — Клетки крови, под-

верженные высоким уровням касательного на-

пряжения в течение длительного времени, могут

быть повреждены или уничтожены».

Первоначальная модель насоса включала

только статор и ротор. Общая длина модели ка-

тетера составляла около 170 мм, наружный

диаметр колеса равнялся ~4 мм. Окончатель-

ная гибридная сетка состояла примерно из

900000 узлов и более чем из 3-х миллионов тет-

раэдрических элементов. Однако для получе-

ния результатов, которые хорошо бы коррели-

ровали с экспериментальными результатами,

было важно включить в модель геометрию

впускной и выпускной частей насоса. Исполь-

зовалась SST-модель турбулентности и схема

аппроксимации высокого порядка. Для дости-

жения сходимости потребовалось 400 итераций

и 20 часов вычислений на 4-х процессорах с

частотой 2 ГГц.

Ротационные насосыНовые конструкции ротационных насосов или

насосов для долговременной поддержки работы

сердца также проектируются с использованием

CFD-технологий. В отличие от присутствующих

в настоящее время на рынке устройств, разра-

ботка LRI не требует датчиков положения или

обратной связи активного контроля. Собственно

насос состоит из лопастного колеса, имеющего

необычную конструкцию, которая содержит все

вращающиеся узлы насоса. Также имеется мо-

тор-статор, статор на магнитных подшипниках с

внутренним регулированием и спиральный кор-

пус. Два постоянных магнита внутри лопастного

колеса и шесть обмоток с медной проволокой в

статоре объединены для создания бесщёточно-

го двигателя постоянного тока для привода на-

соса.

В настоящее время испытания прототипов

обоих насосов помогают определить объем про-

исходящего гемолиза, и оба насоса подготовле-

ны для испытаний на животных, что является

первым шагом к их коммерческому использова-

нию.

Ðèñ. 5. Âíåøíèé âèä ñåòêè â ìåðèäèîíàëüíîì ñå÷åíèè âïóñêíîãî òðàêòà íàñîñà. Õîðîøî âèäíû ïðèçìàòè÷åñêèå ñëîè âîçëå ñòåíêè, íåîáõîäèìûå äëÿ êîððåêòíîãî ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê òóðáóëåíòíîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ

Ðèñ. 6. Âåêòîðû ñêîðîñòè èëëþñòðèðóþò ïîëå òå÷åíèÿ â òðåõ èçìåðåíèÿõ



32

Явление кавитации* ухудшает характеристики

движителя, повреждает поверхности гребных

винтов (кавитационная эрозия), создает шум и

вибрации корпуса судна. Однако с повышени-

ем нагрузки на винты возникновение кавита-

ции неизбежно. Поэтому определение влияния

кавитации становится даже более важной за-

дачей, чем улучшение характеристик движите-

ля в целом. Натурные испытания позволяют

получить ценные сведения о физике процесса

кавитации при различных условиях, но стои-

мость подобных работ достаточна велика.

Математические модели процесса кави-

тации разрабатываются уже на протяжении

двух десятилетий. Условно их можно разделить

на две группы: однофазное моделирование с

отслеживанием определенных критериев, оп-

ределяющих вид движения, например, числа

кавитации, и многофазное моделирование.

Модели первой группы подходят для модели-

рования течения жидкости без учета вязкости.

Модели второй группы используются при моде-

лировании вязких потоков, для которых реша-

ются осредненные по Рейнольдсу уравнения

Навье-Стокса. Они позволяют учесть эффект

сжимаемости газа, турбулентные пульсации,

расширение и сжатие кавитационного пузырь-

ка.

Кавитационная модель, заложенная в

программный комплекс Fluent, основана на по-

пулярной модели Singhal [1].

Данная модель учитывает эффекты пер-

вого порядка, такие как изменение фазы, ди-

намика кавитационного пузырька (с учетом

действия сил поверхностного натяжения) и не-

конденсируемые газы. Кроме этого существу-

ет возможность учета эффекта проскальзыва-

ния между жидкой и газообразной фазами.

В качестве объекта для верификации мо-

дели кавитации был выбран четырехлопастной

гребной винт MP 017 (рис. 1), спроектирован-

ный в University of Tokyo (Япония). Полученные

для данного винта кавитационные характерис-

тики оказались лучше технических требова-

ний, предъявляемых MAU для данного класса

гребных винтов.

Расчетная область имела следующие гео-

метрические размеры: протяженность входно-

го участка равнялась ~1.5D, где D — диаметр

пропеллера; длина выходного участка состав-

ляла ~3.5D. Моделировалась только одна ло-

пасть винта, соответственно был вырезан сек-

тор в 90° и на боковых поверхностях установ-

лено условия периодичности потока.

Гибридная сетка размерностью порядка

187 тыс. элементов была построена с помощью

сеточных генераторов GAMBIT и TGrid (рис. 2).

Моделирование

кавитации гребного

винта в ANSYS FluentShin Hyung Rhee, Huiying Li, Fluent Inc.,

Takafumi Kawamura, University of Tokyo, Токио, Япония

* Кавитация — процесс образования в движущейся жидкости парогазовых полостей с последующим их «схлопыванием». При попадании в область повышенного давления кавитационный пузырек не всегда схлопывается: он может лишь уменьшиться в размерах. Если пузырек содержит достаточно много газа, то, достигнув минимальных размеров, он начинает снова расти и, таким образом, совершает несколько циклов затухающих колебаний. Если в пузырьке мало газа, то под действием повышенно-го давления размеры пузырька быстро уменьшаются, а схлопывание пузырька сопровождается гидравлическими ударами — кавитационной эрозией.

Ðèñ. 1. 3D-ìîäåëü ãðåáíîãî âèíòà MP 017

33


Поверхность лопасти разбивалась треугольны-

ми элементами. На кромках лопасти и в облас-

ти сопряжения лопасти и втулки использова-

лась более мелкая сетка (с базовым размером

~0.001D). Остальные поверхности были разби-

ты более крупными элементами (~0.1D). Кроме

этого на поверхности лопасти и втулке были

сгенерированы четыре слоя призм. Высота пер-

вой призмы равнялась приблизительно 10-5 D,

что соответствует диапазону y+ от 3 до 50. Все

остальное пространство было разбито тетра-

эдрическими элементами с Stretching Ratio

~1.1.

Были установлены соответствующие гра-

ничные условия для моделирования течения

вокруг вращающегося винта в спокойной воде:

на входе был задан равномерный поток с ин-

тенсивностью турбулентности порядка 1%, на

поверхностях лопасти и втулки задано условие

прилипания, на выходе — условие проскальзы-

вания.

Основная цель моделирования состояла

в определении коэффициентов упора (KT) и

крутящего момента (KQ) гребного винта как

функций числа кавитации:

σ = (p — pv)/(0,5ρv2), где

p — давление в окружающей жидкости, pv —

давление газа внутри пузырька (давление на-

сыщенного пара).

Результаты расчета сведены в таблицу 1. Здесь

J — есть отношение скорости набегающего по-

тока к значению окружной скорости на конце

лопасти.

Кавитация гребного винта служит причи-

ной снижения его тяги. Значения KT, и KQ пада-

ют при росте числа кавитации выше σ = 2.0.

Что хорошо отображено на диаграмме, постро-

енной по результатам натурных испытаний и

численного эксперимента (см. рис. 3).

При значениях J = 0.2 и σ = 2.0 была полу-

чена весьма хорошая сходимость результатов

компьютерного моделирования и эксперимен-

та (рис. 4—5). Однако в численных расчетах

каверна замыкалась на профиле лопасти, тог-

да как в эксперименте каверна заканчивалась

за телом (т. н. суперкавитация) и присутство-

вали вихревые жгуты. Причиной этому может

служить недостаточный уровень дискретиза-

ции сетки в районе кромок лопастей.

Результаты натурных испытаний подтвер-

дили адекватность построенной математичес-

кой модели обтекания лопасти гребного винта

с учетом явления кавитации.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. A. K. Singhal, M. M. Athavale, H. Y. Li, Y. Jiang, J.

Fluids Eng. Trans., ASME, 2002, V. 124, p. 617-624.

Ðèñ. 2. Âíåøíèé âèä ïîâåðõíîñòíîé ñåòêè äëÿ 1/4 ìîäåëè ãðåáíîãî âèíòà

Ðèñ. 3. Ãðàôèêè çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòîâ óïîðà ãðåáíîãî âèíòà (KT) è êðóòÿùåãî ìîìåíòà (KQ) îò ÷èñëà êàâèòàöèè σ

Ðèñ. 4. Âèçóàëüíîå ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ÷èñëåííîãî ýêñïåðèìåíòà è íàòóðíûõ èñïûòàíèé

Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ìîäåëèðîâàíèÿ è íàòóðíûõ èñïûòàíèé

Óñëîâèÿ J = 0.2 è σ = 2.0

KT (èçìåð.) 0.297

KT (ñìîäåë.) 0.289

KQ (èçìåð.) 0.0376

KQ (ñìîäåë) 0.0384



34

В 2004 г. нефтяная компания BG Group обрати-

лась к специалистам Genesis Oil & Gas Consultants

с целью оценки потенциальной возможности

увеличения производства газа на ее месторож-

дении Мискар в Габесском заливе (Тунис). По

результатам комплексных исследований стало

очевидно, что главным узким местом в системе

стала ловушка для конденсата, расположенная в

конце трубопровода в Мискаре, на береговом

терминале Hannibal.

Ловушка для конденсата представляет со-

бой шесть сепарационных труб, в которых под

действием силы тяжести происходит разделение

двух фаз: добытого газа и жидкого конденсата.

Газ поступает вверх, в газовыпускной патрубок,

а более тяжелая жидкость попадает сквозь ко-

роткие стояки в длинные патрубки для жидкости,

где происходит ее накопление. Если волна газо-

жидкостной смеси за 20-минутный период после

ежедневной чистки трубопровода слишком ве-

лика, то жидкость может перелиться в газовы-

пускной патрубок, вызывая таким образом про-

блемы ниже по потоку. Поэтому сотрудникам

Genesis Oil & Gas необходимо было узнать, име-

ет ли существующая ловушка для конденсата

пропускную способность, которая позволяет

справиться с большими потоками газа и жидко-

сти. Если нет, то необходимо будет построить

новую ловушку для конденсата стоимостью бо-

лее 25 миллионов долларов.

Для оценки пропускной способности ло-

вушки для конденсата специалисты Genesis поп-

росили компанию ANSYS смоделировать пове-

дение нестационарного двухфазного потока

жидкости в системе. Для моделирования тече-

ния двухфазного потока использовалась модель

Эйлера ANSYS CFX, которая позволяет доста-

точно точно предсказать возможность перелива-

ния жидкости и проследить движение газожид-

костной поверхности раздела через трубопро-

водную систему. Обычно узким местом в подоб-

ных расчетах является размерность расчетной

сетки, которая значительно увеличивает время

Моделирование течения

многофазного потока

в трубопроводе

с ловушкой для конденсата

Justin Penrose and Phil Stopford, ANSYS, Inc.

Ðèñ. 1. Ïîñòóïàþùèé èç òðóáîïðîâîäà ïîòîê ðàñïðåäåëÿåòñÿ êîëëåêòîðîì ïî øåñòè ñåïàðàöèîííûì ïàòðóáêàì ëîâóøêè äëÿ êîíäåíñàòà. Áîëåå ëåãêèé ãàç ïîïàäàåò ââåðõ â êîëëåêòîð, ïðîõîäÿ ê âûïóñêíîìó îòâåðñòèþ, òîãäà êàê æèäêîñòü ïðîòåêàåò âíèç ÷åðåç ñòîÿêè è ïîïàäàåò â âîäÿíûå ïàòðóáêè

Ðèñ. 2. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ñåòêè äî àäàïòàöèè

35


расчета в случае нестационарного процесса. Тем

не менее, если использовать адаптацию сетки

только на границе раздела двух фаз, можно

уменьшить общий размер сетки на порядок.

Пиковые уровни жидкости рассчитывались

для скорости газожидкостного потока в сущест-

вующем трубопроводе и для скорости потока,

увеличенной на 45%. Было установлено, что

максимальная высота жидкости в сепарацион-

ных патрубках значительно возрастает при уве-

личении скорость потока, однако не было обна-

ружено катастрофического переливания жид-

кости в газовыпускной патрубок. В результате

был сделан вывод, что существующая ловушка

для конденсата сможет справиться с возросшей

пропускной способностью трубопровода.

Инновационный характер данной работы

был признан, когда тунисская команда компании

BG, включая и авторов данной статьи, получила

премию BG GROUP Chief Executive Innovation

Awards Scheme за 2004 год.

Ðèñ. 5. Íà ôîòîãðàôèè ëîâóøêè äëÿ êîíäåíñàòà íà òåðìèíàëå «Ãàííèáàë» õîðîøî âèäíà âïóñêíàÿ òðóáà è êîëëåêòîð, à òàêæå êîðîòêèå ñåïàðàöèîííûå ïàòðóáêè íàä çíà÷èòåëüíî áîëåå äëèííûìè ïàòðóáêàìè äëÿ ñáîðà æèäêîñòè

Ðèñ. 3. Ïðèìåð íåñòàöèîíàðíîé àäàïòàöèè ñåòêè íà ãðàíèöå ðàçäåëà ãàç-æèäêîñòü: ñèíèé öâåò îòîáðàæàåò ãàç, êðàñíûé — æèäêîñòü

Ðèñ. 4. Ñðàâíåíèå ìàêñèìàëüíîé âûñîòû æèäêîñòè äëÿ ñóùåñòâóþùåé ñêîðîñòè ïîòîêà è ñêîðîñòè ïîòîêà, óâåëè÷åííîé íà 45%. Â îáîèõ ñëó÷àÿõ íå ïðåäñêàçûâàåòñÿ ïåðåëèâàíèå æèäêîñòè â ãàçîâûé êàíàë


36

Мастер класс

После импорта геометрии из CAD-пакета в сеточ-

ный генератор ICEM CFD довольно часто обнару-

живаются некоторые дефекты в исходной геомет-

рии: «теряются» галтели и фаски, образуются до-

полнительные наружные клиновидные поверх-

ности или внутренние поверхности, неприсоеди-

ненные поверхности или совпадающие поверх-

ности. Большая часть этих дефектов являются

некритичными и могут быть устранены с помо-

щью специальных инструментов ICEM CFD для

лечения некачественной геометрии. Далее мы

подробно рассмотрим эти средства ICEM CFD на

примере геометрии литейной формы, полученной

посредством лазерного сканирования (рис. 1).

Для начала попробуем напрямую восстано-

вить топологию исходной геометрии с помощью

команды Geometry→Repair→Build Topology.

Результат выполнения этой операции показан на

рис. 2. Обратите внимание на появившиеся жел-

тые ребра, которые свидетельствуют о наличии

в модели разрывов (дырок) в отдельных поверх-

ностях.

Теперь очевидно, что отсканированная гео-

метрия содержит значительные дефекты и для

их устранения необходимо использовать допол-

нительные возможности ANSYS ICEM CFD, ко-

торые выделены в отдельный модуль под назва-

нием Mesh Prototyper.

Для начала сориентируем модель по осям

глобальной системы координат ICEM CFD. Для

этого создадим на поверхности основания ли-

тейной формы три точки в произвольных местах,

затем построим еще три дополнительных точки

с координатами (0,0,0), (0,0,1), (1,0,1). Теперь с

помощью команды Geometry→Transformation→Translate and Rotate привяжем модель к гло-

бальной системе координат (укажите связь меж-

ду 3 точками на модели и точками с заданными

координатами (опция 3 points→3 points)).

Обзор возможностей ANSYS

ICEM CFD по исправлению

некачественной геометрии

Kevin Dewey, ANSYS, Inc.,

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1. Èñõîäíàÿ 3D ìîäåëü ëèòåéíîé ôîðìû ñ äåôåêòàìè

Ðèñ. 2. Âèçóàëèçàöèÿ äåôåêòîâ ïîâåðõíîñòåé â ICEM CFD

Ðèñ. 3. Ðåçóëüòàò âûðàâíèâàíèÿ ìîäåëè ïî îñÿì êîîðäèíàò

37


Далее с помощью команды Facet Tools→Dynamic Tracking восстановим некоторые базо-

вые кривые (см. рис. 4). Для этого необходимо с

помощью курсора последовательно выбрать

узлы, лежащие в соответствующей плоскости, и

замкнуть полученную кривую.

Теперь следует восстановить коническую

поверхность центрального отверстия. Т. к. это

поверхность вращения, то для ее создания необ-

ходимо использовать команду Geometry→

Create Surface→Surface of Revolution (рис. 6).

Для восстановления недостающего участ-

ка конической поверхности отверстия можно ис-

пользовать альтернативный метод Facet Tools→Repair Surface→Fill Surface (рис. 7). Следует

отметить, что данная операция может быть при-

менена только к гладким поверхностям.

Кроме этого дефект поверхности, подоб-

ный тому, который изображен на рис. 8, можно

устранить с помощью операции Facet Tools→Repair Surface→Drop Surface. С помощью этой

команды мы можем создать «заплатку» в виде

четырехугольника, которая закроет разрывы в

поверхности.

Для исправления незначительных дефектов

геометрии, например отверстий небольшого диа-

метра, можно использовать комбинированный

подход. Сначала мы должны с помощью операции

Trim Surface создать контур в виде многоугольни-

ка вокруг отверстия и обрезать по контуру базо-

вую поверхность. Затем для восстановления ут-

раченной поверхности мы можем использовать

операцию Facet Tools→Repair→Fill Surface.

Довольно часто бывает необходимо выде-

лить определенные поверхности в отдельную

группу (Part). Для этого следует использовать ко-

манду Geometry→Create Faceted→Modify Sur-

face→Move to New Surface (рис. 10).

Далее рассмотрим еще один типичный де-

фект отсканированной геометрии, когда ребра

фасеток поверхностной сетки неспроецированы

на ограничивающие кривые (рис. 11).

Ðèñ. 4. Âîññòàíîâëåíèå áàçîâûõ êðèâûõ ñ ïîìîùüþ îïåðàöèè Dynamic Tracking (DT)

Ðèñ. 5. Ðåçóëüòàò âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè DT

Ðèñ. 6. Ïðèìåð ïîñòðîåíèÿ ïîâåðõíîñòè âðàùåíèÿ

Ðèñ. 7. Ïðèìåð âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Refill

Ðèñ. 8. Äåôåêò â ïëîñêîé ïîâåðõíîñòè


38


Для проецирования ребер фасеток на кри-

вую следует использовать команду Facet Tools→Smooth Edges→Align to Curve: сначала мы ука-

зываем поверхность, затем выбираем все нужные

ребра фасеток и далее указываем кривую, на ко-

торую будут спроецированы ребра (рис. 12).

После исправления всех дефектов геомет-

рии можно перейти к процессу генерации поверх-

ностной сетки. Для начала необходимо задать

глобальный размер элементов. Для этого пере-

ходим в закладку Facet Tools→Set Global Mesh

Sizes и задаем следующие значения парамет-

ров меню Global Mesh: Scale Factor = 1, Max

Element = 1, Natural Size (Enabled) = 0.25.

Теперь определим размеры элементов на

отдельных поверхностях: Facet Tools→Set Sur-

face Mesh Sizes. Сначала выделим все поверх-

ности и установим значение Maximum size = 1.

Затем выберем только маленькие отверстия и

укажем для них Maximum size = 0.25. В заключе-

ние, для центрального отверстия установим зна-

чение Maximum size = 0.5.

После выполнения всех указанных опера-

ций можно генерировать сетку. Для этого пере-

ходим в закладку Facet Tools→Create Mesh,

оставляем все значения параметров по умолча-

нию и нажимаем Apply.

В этой статье мы рассмотрели лишь не-

большую часть возможностей ANSYS Mesh

Prototyper по лечению некачественной геомет-

рии. Также следует отметить, что для указанных

целей в отдельных случаях предпочтительнее

использовать ANSYS TGrid. Выбор того или ино-

го программного средства зависит от качества

исходной геометрии, т. е. от количества дефек-

тов, которые необходимо исправить.

Рабочий файл, который использовался для

обзора базовых возможностей Mesh Prototyper

(CastCover.stl), можно скачать с сайта www.

ansys.msk.ru (раздел Демо-центр).

Для загрузки Mesh Prototyper необходимо

запустить ICEM CFD с ключом -app meshpro

(рис. 13).

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ êîìáèíèðîâàííîãî ïîäõîäà äëÿ èñïðàâëåíèÿ íåçíà÷èòåëüíûõ äåôåêòîâ

Ðèñ. 10. Ãðóïïèðîâàíèå ôàñåòîê è ïåðåíîñ èõ â îòäåëüíûé Part

Ðèñ. 12. Ðåçóëüòàò âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Align to Curve

Ðèñ. 11. Íåñïðîåöèðîâàííûå ðåáðà ôàñåòîê — åùå îäèí òèïè÷íûé äåôåêò ãåîìåòðèè

Ðèñ. 13. Çàïóñê Mesh Prototyper ÷åðåç êîìàíäíóþ ñòðî÷êó

39



В первой части статьи (см. №5, 2006) мы

рассказали об основных возможностях

специализированных модулей ANSYS

CFX для проектирования лопаточных ма-

шин: BladeModeler и TurboGrid. Во второй

части статьи мы детально рассмотрим

процесс расчета радиальной турбины в

этих программных комплексах. Кроме

этого, мы опишем процедуру построения

расчетной модели турбины в ANSYS CFX:

задание граничных условий, определе-

ние свойств рабочего тела, настройка

решателя и пр. Вопрос моделирования

задачи флаттера лопаток турбины будет

рассмотрен в следующем номере журна-

ла ANSYS Advantage.

ВведениеВ настоящей статье мы расскажем о ключевых

этапах моделирования течения в проточной час-

ти радиальной газовой турбины, а также постро-

им основные кривые, характеризующие эффек-

тивность работы турбомашины. Для работы нам

потребуются следующие программные продук-

ты: BladeGen, TurboGrid (или CFX Mesh), а также

ANSYS CFX (версии 11.0). Кроме этого, мы опи-

шем процедуру многовариантного расчета тур-

бины с использованием DesignXplorer. Расчет-

ная модель имеет размерность в 414 тыс. эле-

ментов и 192 тыс. узлов. Внешний вид турбины

показан на рис. 1.

Создание геометрии в BladeGenВ данном примере мы пропустим этап построе-

ния геометрии лопаточной машины. Мы будем

использовать уже готовую параметризованную

модель турбины. Запускаем BladeGen и откры-

ваем файл

«Radial Turbine Rotor_m.bgd». На экране

появятся 4 окна (рис. 2). В первом окне показа-

но меридиональное сечение турбины, во вто-

ром — профили лопаток, третье окно предна-

значено для задания углов установки лопаток и

четвертое окно — для задания изменения тол-

щины лопаток. Далее экспортируем созданную

геометрию в сеточный препроцессор TurboGrid:

File→Export→TurboGrid Input Files. Присваи-

ваем соответствующим файлам следующие

имена: «hub.curve», «shroud.curve» и «profile.

curve». Кроме этого в отдельный файл с расши-

рением *.inf будет сохранена информация о чис-

ле лопаток, оси вращения, размерности модели

и файлах *.curve.

Сеточный препроцессор TurboGridЗапустим TurboGrid из страницы проекта

Workbench (Start TurboGrid). И затем откроем

файл проекта TurboGrid (TG) — «Radial_Turbine_

Rotor_m_100K.tst». На экране отобразится рас-

четная сетка для одного межлопаточного канала

турбины, которая была сгенерирована в TG на

предварительном этапе (рис. 3). Черным цветом

отдельно выделена сетка в среднем сечении ра-

диальной турбины.

С левой стороны расположено дерево про-

екта (рис. 4), через которое можно получить до-

ступ ко всем поверхностям, образующим гео-

метрию проточной части турбины: к поверхности

втулки, обода, входа/выхода, поверхностям ло-

паток, границам периодичности. Кроме этого,

Проектирование

лопаточных машин

Часть 2

Денис Хитрых, к. т. н., ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1. Âíåøíèé âèä êðûëü÷àòêè


40


здесь же выбирается топология сетки (J, H, H/J/

C/L) и задается количество расчетных узлов.

Также в дереве модели можно редактировать

величину радиального зазора (рис. 5). На рис.

6а и 6б показаны варианты геометрии турбины с

разными радиальными зазорами, 0.1 и 0.3 см

соответственно.

Ðèñ. 2. Ðàáî÷åå îêíî ïðîåêòà BladeGen

Ðèñ. 3. Âíåøíèé âèä ñåòêè, ñãåíåðèðîâàííîé â TurboGrid

Ðèñ. 4. Äåðåâî ïðîåêòà TG

Ðèñ. 5. Ïàíåëü âûáîðà âåëè÷èíû ðàäèàëüíîãî çàçîðà

41


После генерации сетки необходимо сохра-

нить файл сетки (*.gtm) и файл настроек проек-

та (*.tst).

DesignModelerТеперь следует открыть в DesignModeler файл

«Radial_Turbine.agdb» с геометрией всей турби-

ны (рис. 7), включая входной направляющий ап-

парат (ВНА). Обратите внимание, что отдельные

части конструкции турбины имеют статус

suppress, т. е. исключены из расчета. Так как на

предыдущем этапе мы уже построили сетку для

проточной части крыльчатки, то её тоже следует

перевести в категорию suppress. Таким образом,

нам осталось разбить только область ВНА. Для

нее мы построим неструктурированную сетку из

тетраэдров в CFX-Mesh.

CFX-MeshОткройте файл «Radial_Turbine.cmdb». Слева в

дереве проекта выберите строчку Mesh и на-

жмите на правую кнопку мыши. В выпадающем

меню выберите пункт Edit in CFX-Mesh. На эк-

ране с левой стороны появится новое дерево,

как показано на рис. 8. Теперь рассмотрим бо-

лее подробно настройки CFX-Mesh, которые не-

обходимо использовать при генерации сетки для

проточной части ВНА. Во-первых, необходимо

указать поверхности, на которых задается гра-

ничное условие «периодичность»: Mesh→Periodicity→Insert→Periodic Pairs.

Во-вторых, для корректного использования

пристеночных функций мы должны обеспечить оп-

ределенный уровень дискретизации сетки вблизи

профиля лопаток, а также втулки и кожуха.

Сгенерировать призматический подслой в CFX-

Mesh можно с помощью команды Inflation: Mesh→ Inflation→Insert→Inflated Boundary (рис. 9).

Кроме этого, перед генерацией сетки будет

полезно «объединить» поверхности втулки и ко-

жуха в одну поверхность (операция Virtual Topol-

ogy). В этом случае мы получим на обеих повер-

хностях идентичные сетки.

CFX-PreТеперь перейдем непосредственно к работе с

препроцессором CFX-Pre в режиме Turbo ma chi-

nery (рис.10).

В панели Basic Settings в строке Machine

Type выберите Radial Turbine (рис. 11). Настройки

остальных опций оставьте по умолчанию. Нажми-

те на кнопку Next. На экране появится панель

Component Definition. Наводим курсор на пустое

белое поле и нажимаем правую кнопку мыши.

Далее в выпадающем меню New Component в

поле Name набираем IGV и выбираем тип

Stationary («статор»). В строке Mesh указываем

Ðèñ. 7. Ãåîìåòðèÿ ïðîòî÷íîé ÷àñòè êðûëü÷àòêè è ÂÍÀ

Ðèñ. 8. Äåðåâî ïðîåêòà CFX-Mesh

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ êîìàíäû Inflation â CFX-Mesh

Ðèñ. 6. Ãåîìåòðèÿ êðûëü÷àòêè ñ ðàçíûìè ðàäèàëüíûìè çàçîðàìè: σ = 0.1 ñì (à), σ = 0.3 ñì (á)

À Á


42


путь до файла с сеткой для входного направляю-

щего аппарата — файл «Radial_Turbine.cmdb».

Поскольку изначально сетки для статора и рото-

ра были смещены относительно друг друга, то

необходимо выровнять их по одной линии. Для

этого мы переходим в раздел Passages and

Alignment и нажимаем кнопку Edit. В поле Theta

Offset вбиваем –27 (градусов) и подтверждаем

выполнение операции нажатием на кнопку Done.

После этого снова нажимаем на белое поле

Component Definition и создаем новый компо-

нент под именем Turbine («ротор»). Выбираем тип

Rotating и указываем частоту вращения 30.000 об/

мин. В строке Mesh указываем путь до файла с

сеткой для крыльчатки — файл «Radial_Turbine_

m_100k.gtm». Далее нажимаем на кнопку Next.

Теперь перейдем непосредственно к зада-

нию свойств рабочего тела и расстановке гра-

ничных условий. В поле Fluid выбираем Air Ideal

Gas, в качестве модели турбулентности указы-

ваем SST-модель.

В разделе Boundary Templates ставим га-

лочку напротив P-Total Inlet Mass Flow Outlet и ус-

танавливаем следующие значения переменных:

P-Total = 6.21918e6 [Pa];

T-Total = 1033.18 [K];

Mass Flow = Per Component;

Mass Flow Rate = 12 [kg s^–1];

Flow Direction = Cylindrical Components;

Inflow direction = 0, –1, 1.

В разделе Solver Parameters в закладке

Convergence Control выбираем Physical Timestep

и устанавливаем значение 0.0001. В дальней-

шем, при решении задачи оптимизации, шаг по

времени будет у нас функцией частоты враще-

ния. Кроме этого, необходимо выбрать тип ин-

терфейса для связи неподвижной области с об-

ластью вращения. В нашем случае мы выбира-

ем тип Stage (циклическая постановка). При

циклической постановке параметры течения

осредняются в окружном направлении на грани-

це раздела статора и ротора, и изменение пара-

метров происходит только в меридиональном

сечении. Отметим, что интерфейс Stage нечувс-

твителен к положению статора относительно ро-

тора. Далее нажимаем Next. Теперь можно пе-

рейти к работе с препроцессором CFX в стан-

дартном режиме (см. рис. 13).

Создадим дополнительно несколько выра-

жений, которые нам потребуются для корректи-

ровки отдельных граничных условий:

DelP = areaAve(Pressure)@IGV Inlet —

areaAve(Pressure)@Turbine Outlet;

NumberRotorBlades = 10;

Pin = areaAve(Pressure)@IGV Inlet;

Ðèñ. 10. Çàãðóçêà CFX-Pre â ðåæèìå Turbomachinery

Ðèñ. 11. Âûáîð â CFX-Pre òèïà ëîïàòî÷íîé ìàøèíû

Ðèñ. 12. Ãåîìåòðèÿ ðàñ÷åòíîé îáëàñòè (ñëåâà ïîêàçàíà îñü âðàùåíèÿ) òèïà ëîïàòî÷íîé ìàøèíû

Ðèñ. 13. Çàãðóçêà CFX-Pre â ñòàíäàðòíîì ðåæèìå

43


Pout = areaAve(Pressure)@Turbine Outlet;

RotationalSpeed = 30000 [rev min^-1];

RotorPassOutletMassFlow = TotalMassFlow/

NumberRotorBlades;

TotalMassFlow = 120 [kg s^-1];

Tspin = (0.1*60)/((RotationalSpeed/1[rad])*(2*pi)).

Вначале отредактируем настройки домена

Turbine. В поле напротив Angular Velocity вместо

числового значения частоты вращения подста-

вим выражение Rotational Speed. Затем в на-

стройках граничного условия Turbine Outlet этой

же расчетной области в поле Mass Flow Rate

подставим выражение RotorPassOutletMassFlow

(см. рис. 14).

На этом подготовку расчетной модели для

моделирования течения в проточной части ра-

диальной турбины можно считать завершенной.

Однако для настройки модели под решение за-

дачи оптимизации необходимо выполнить еще

одно действие: мы должны определить частоту

вращения и массовый расход в качестве пере-

менных DesignXplorer. Для этого в дереве моде-

ли переходим в раздел Expressions, далее выби-

раем выражение RotationalSpeed и нажимаем на

правую кнопку мыши. Выбираем строку Use as

DX Parameter. Повторяем то же самое и для вы-

ражения TotalMassFlow. И, наконец, переходим в

раздел Solver Control и используем для задания

шага по времени выражение Tspin. Сохраняем

файл определения CFX под именем «Demo.cfx»

и загружаем постпроцессор CFX-Post.

CFX-PostВ постпроцессоре открываем панель Quantitative

и создаем новое выражение PdropTot для расче-

та перепада давления между входным и выход-

ным сечениями: PdropTot = massFlowAve(Total

Pressure )@IGV Inlet — massFlowAve(Pressure)@

Turbine Outlet. После этого наводим курсор мыши

на это выражение, нажимаем на правую кнопку

мыши и выбираем строку Use as DX Parameter.

Далее сохраняем файл настроек CFX-Post под

именем «Demo.cst». Закрываем CFX-Post.

DesignXplorerТребуется подобрать такую оптимальную часто-

ту вращения (и, соответственно, расход возду-

ха), чтобы она удовлетворяла заданному пере-

паду давления между входным и выходным се-

чениями турбины. При этом конечные значения

частоты вращения и массового расхода воздуха

не должны отличаться от начальных значений

более чем на 10%.

Вопрос решения задачи оптимизации с помо-

щью DesignXplorer мы рассмотрим в следующем

номере журнала ANSYS Advantage. Все необхо-

димые файлы, ссылки на которые приводятся в

настоящей статье, можно скачать с сайта www.

ansys.msk.ru (раздел Демо-центр).

Ðèñ. 14. Ïðèìåð ðåäàêòèðîâàíèÿ ÃÓ

Новости и события

6-я конференция пользователей ANSYS28—30 октября 2008 г. в Москве в Гостинич-

ном комплексе «Измайлово» состоится 6-я

конференция пользователей программного

обеспечения ANSYS. К участию в конферен-

ции приглашаются ведущие специалисты, ин-

женеры-расчетчики, научные работники, руко-

водители и представители компаний в области

энергомашиностроения, приборостроения, су-

достроения, авиации, аэрокосмоса, ВПК, про-

мышленного и гражданского строительства

из России, стран Балтии и СНГ. Принять учас-

тие в 6-й конференции можно как в качестве

слушателя, так и выступить с докладом об

опыте успешного применения программных

продуктов ANSYS. Докладчикам необходимо

связаться с организационным комитетом, со-

гласовать тему и предоставить тезисы доклада.

Последний срок подачи докладов — 10 октября

2008 г. Организаторы конференции: компания

«ЕМТ Р» — авторизованный дистрибьютор,

инженерно-консалтинговый и учебный центр

ANSYS в России и отделение корпорации

ANSYS по Центральной и Восточной Европе —

ANSYS Germany Gmbh. Связаться с оргкоми-

тетом конференции можно по телефону

(495) 644-06-08.


44


Развитие новых технологий численно-

го моделирования приводит к активно-

му обмену расчетными данными между

участниками проекта, поэтому предпри-

ятие заинтересовано в структурирова-

нии этих данных и организации хранения

и санкционированного доступа к этой

информации.

В последнее время стала очевидна тен-

денция эволюции систем инженерного анализа

(CAE) из средств расчетов в отдельном проект-

ном или исследовательском подразделении

предприятия в одну из частей процесса разра-

ботки нового изделия и составляющую жизнен-

ного цикла изделия. Сегодня многие компании

по всему миру активно применяют технологии

компьютерного моделирования в процессе про-

ектирования новых изделий. Инженерный ана-

лиз активно интегрируется в процесс проекти-

рования новых изделий и формируется устой-

чивая потребность не только в развитии расчет-

ных возможностей (создание математических

моделей для расчетов сложных физических

процессов, упрощение процессов расчетов), но

и в системах управления расчетными данными.

В функции этих систем входит обеспече-

ние обмена данными между расчетными под-

разделениями, разграничение прав доступа к

информации, обеспечение наполнения базы

знаний для расчетов типовых конструкций и со-

здание системы экспертного анализа проект-

ных решений. Для задач такого класса часто

применяю термин «Управление расчетными

данными и процессами» — Simulation Process

and Data Management (SPDM).

Системы управления процессами расче-

тов и управления расчетными данными SPDM

являются ответом на возникающие потребнос-

ти профессиональных инженеров-расчетчиков.

Основные усилия в развитии подобных систем

в настоящий момент направлены на обеспече-

ние прав доступа: сотрудники, обладающие

правом доступа к соответствующей информа-

ции, должны иметь возможность получить до-

ступ к нужным данным в любое время.

Достаточно часто на практике при отсле-

живании процесса проведения инженерных

расчетов данные остаются у постановщика за-

дач или инженера, которые непосредственно

занимались решением этой задачи, и поэтому

обычно по завершении проекта все данные ос-

таются на жестких дисках их рабочих компью-

теров. По данным последних исследований,

проведенных Collaborative Product Development

Associates (CPDA), 47% всех данных результа-

тов расчетов хранятся на жестких дисках рабо-

чих станций инженеров. Этот ценный объект

интеллектуальной собственности обычно без-

возвратно теряется в случае ухода специалис-

та из коллектива компании. По опыту хорошо

известно, что постороннему инженеру иногда

бывает трудно разобраться в расчетах его кол-

Эффективное управление

данными инженерного

анализа в процессе

разработки новых изделий1

1 По материалам статьи Michael Engelman (ANSYS, Inc.) «Putting Engineering Knowledge to Work». Статья подготовлена к публи-кации Алесандром Черновым.

Ìåòîäû óïðàâëåíèÿ äàííûìè

45


леги и использовать его наработки в своих це-

лях. В результате расчеты, аналогичные по

подходам и методикам, приходится делать за-

ново, вместо того, чтобы сделать небольшие

изменения и дополнения в уже существующие

расчетные модели. Все это приводит в резуль-

тате к потере производительности труда и ра-

бочего времени.

В связи с глобализацией мировой эконо-

мики в современных международных компани-

ях процесс разработки новых изделий инже-

нерными подразделениями проходит в разных

географических зонах (часовых поясах) и длит-

ся круглые сутки (все 24 часа). Вследствие это-

го очень важным аспектом деятельности стано-

вится организация эффективного взаимодейс-

твия и связи между подразделениями, работа-

ющими в разных часовых поясах. Поэтому

обеспечение эффективного взаимодействия и

обмена данными является одной из характер-

ных функций подобной модели ведения инжи-

нирингового бизнеса.

Неэффективный обмен информационны-

ми данными является существенной проблемой

для инженерных подразделений компании, на-

чиная с рядового инженера, который пытается

понять причинно-следственную связь конструк-

тивных изменений, появляющихся в техничес-

ких заданиях и технических решениях, поступа-

ющих к нему из смежных инженерных подраз-

делений компании, до руководителей.

Использование специализированных

средств позволяет обеспечить доступ всех

участников проекта (для всех уровней органи-

зационной структуры компании) к необходи-

мым им текущим данным расчета, независимо

от уровня их технической компетенции. Это мо-

жет существенно улучшить эффективность ра-

боты коллектива, оптимизировать процесс раз-

работки новых изделий и, в результате, выпус-

тить более качественное конкурентоспособное

изделие.

Корпоративная база знаний является важ-

ной частью потенциала компании для иннова-

ций и получения преимущества в конкурентной

борьбе за рынок. Создание, накопление и уп-

равление системой инженерных экспертных

знаний компании очень важно для её потенциа-

ла в инновационной деятельности.

Создание экспертной базы знаний компа-

нии позволит рядовым инженерам применять

знания, полученные специалистами-эксперта-

ми во время предыдущих разработок, в своей

работе и обеспечит преемственность обмена

знаниями и опытом между специалистами раз-

ной специализации. Реализация средств управ-

ления расчетными данными и создание базы

знаний методик решенных задач создают рабо-

чую среду управления процессами инженерно-

го анализа и минимизируют финансовые затра-

ты и трудоемкость.

Ìåòîäû îáìåíà çíàíèÿìè

Èíôîðìàöèÿ î ðàñïðåäåëåíèè äàâëåíèÿ âîêðóã ïðîôèëÿ èçâëå÷åíà ñ ïîìîùüþ ñðåäñòâ EKM èç ôàéëà ðåçóëüòàòîâ CFX

Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ íåñêîëüêèõ ðàñ÷åòîâ


46


Управление расчетными данными и про-

цессами в этом контексте является специали-

зированной частью общей концепции управле-

ния жизненным циклом изделия (PLM). Эти

специализированные возможности позволяют

управлять всеми аспектами жизненного цикла

изделия от технического задания на разработ-

ку, проектирования, выпуска конструкторской

и технологической документации, производс-

тва, технического обслуживания и сопровож-

дения.

Реализованные на текущий момент систе-

мы управления жизненным циклом изделия не

обладают инструментарием, который необхо-

дим расчетным подразделениям, в связи со

спецификой самих расчетных данных. Это свя-

зано с тем, что текущая реализация систем уп-

равления жизненным циклом изделия и как со-

ставная их часть системы технического доку-

ментооборота (PDM) ориентированы на извле-

чение атрибутов документов. Поэтому задачи

управления расчетными данными SPDM не вы-

полняются этими системами в требуемом рас-

четными подразделениями объеме.

Данные в расчетных системах более слож-

ные и содержат намного больше информации в

сравнении с обычными документами, с которы-

ми и работают текущие реализации PLM/PDM

систем. В связи с этим реализация системы уп-

равления расчетными данными SPDM в допол-

нение к реализованным системам управления

жизненным циклом изделия PLM позволит на-

иболее полно решить задачи управления всеми

данными жизненного цикла изделия.

Реализованные в первой версии програм-

много продукта ANSYS Engineering Knowledge

Manager (EKM) технологии предназначены для

полноценного решения следующих задач: хра-

нение и управление расчетными данными, учет

и аудит данных, поиск и восстановление дан-

ных, генерация отчетов и проведение сравне-

ния данных, автоматизация процессов, созда-

ние базы знаний для типовых видов расчета и

создание системы экспертного анализа проект-

ных решений.

EKM — это среда для работы с расчетны-

ми данными (SPDM). Она построена на web-

технологиях и предназначена для размещения

на web-ресурсах всей расчетной информации.

Эта среда содержит в себе средства управле-

ния и организации рабочих мест. По усмотре-

нию пользователя при развертывании сервера

приложений и хранилища данных можно ис-

пользовать как бесплатные технологи с откры-

тым кодом, так и коммерческие программные

продукты. Обеспечивается взаимодействие

между всеми ресурсами. Возможности, реали-

зованные в этой системе управления расчет-

ными данными, позволяют интегрировать про-

граммные продукты компании ANSYS, Inc. в

единую рабочую среду, включая автоматичес-

кое извлечение и управление всей атрибутив-

ной информацией из файлов данных, создан-

ных в программных продуктах ANSYS при по-

мещении их в архив хранилища. Идеология,

реализованная в ANSYS EKM, делает ее от-

крытой системой для управления любыми ти-

пами расчетных кодов собственной разработки

и других разработчиков. Более того, это масш-

табируемое решение, которое может быть эф-

фективно использовано как в рамках отдель-

ных расчетных подразделений, так и в рамках

коллективов инженеров крупных компаний.

Эта система создавалась группой разра-

ботчиков ANSYS, имеющих непосредственное

отношение к разработке систем инженерного

анализа, и поэтому учитывалась вся специфи-

ка работы с расчетными данными.

Технологии, реализованные в ANSYS

EKM, направлены на упрощение процесса про-

ведения инженерных расчетов, начиная от ин-

дивидуальных рабочих мест расчетчиков, сов-

местной работы над проектом в рамках расчет-

ных подразделений и эффективного взаимо-

действия в рамках всего предприятия. Возмож-

ности этой системы позволят коллективам раз-

работчиков новых изделий, основываясь на

многолетнем опыте профессиональных знаний

в своей области, эффективно использовать их

при создании численных моделей проектируе-

мых изделий.

Добавление возможностей ANSYS EKM в

линейку программных продуктов ANSYS позво-

лит эффективнее реализовывать цели «инно-

вационной» стратегии проектирования — Simu-

lation Driven Product Development.

Ýòàïû ïðîöåññà âûïîëíåíèÿ ðàñ÷åòà ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå ãðàôè÷åñêîé äèàãðàììû. È â äàëüíåéøåì êàæäûé èç øàãîâ ðåøåíèÿ ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí äëÿ ñîçäàíèÿ ìåòîäèêè ðåøåíèÿ çàäà÷

47



Обучающиеся сегодня в ВУЗах студенты и аспи-

ранты в будущем станут квалифицированными

инженерами и учеными. Разрабатываемое ком-

панией ANSYS, Inc. программное обеспечение

может быть использовано как специализирован-

ный инженерный курс в учебном процессе, что

позволит будущим инженерным кадрам быть го-

товым воспользоваться современным програм-

мным обеспечением для инженерного анализа

при разработке новых изделий. Это особенно

важно, если учесть, что ученым-исследователям

необходимо создавать новые технологии.

ANSYS предлагает два варианта типов ли-

цензий: коммерческие лицензии и учебно-ис-

следовательские (для ВУЗов). Основные отли-

чия между ними — это цели их использования.

Коммерческие лицензии на программные про-

дукты предназначены для использования ком-

мерческими компаниями и организациями, в

которых все результаты расчета будут являться

интеллектуальной коммерческой собственнос-

тью этих компаний.

Лицензии для ВУЗов предназначены для

обучения и некоммерческих исследований (ре-

зультаты расчетов не являются интеллектуаль-

ной собственностью ВУЗа).

Различия в целях применения позволяют

ANSYS предлагать лицензии для ВУЗов по го-

раздо более низкой цене, чем коммерческие ли-

цензии, что согласуется с мировой практикой

выделения фондов для ВУЗов.

Также отличается и состав лицензий AN-

SYS для ВУЗов от коммерческих лицензий: от-

личаются названия лицензий и содержание

файлов лицензий.

Лицензии для ВУЗов содержат комплекс

расчетных технологий, в отличие от коммерчес-

ких лицензий, в которых для большинства воз-

можностей, содержащихся в лицензиях для ВУ-

Зов, необходимо приобретать дополнительные

лицензии. В одной лицензии для ВУЗов включе-

ны возможности, предоставляемые более чем

10 коммерческими лицензиями. Число лицензий

может варьироваться, например, 5, 25, 50 ли-

цензий. Число используемых лицензий считает-

ся от числа загруженных сессий отдельными

пользователями.

За некоторыми исключениями програм-

мные продукты для ВУЗов реализованы анало-

гично коммерческой версии. Например, для 11-й

версии программных продуктов ANSYS сущест-

вует как коммерческая реализация, так и учеб-

но-исследовательская. В процессе работы рабо-

чая среда расчетных комплексов для ВУЗов вы-

глядит аналогично рабочей среде коммерческой

реализации. Например, пользователь, запустив-

ший сессию работы с использованием лицензии

для ВУЗов, включающей в себя расчетные воз-

можности комплексной коммерческой лицензии

ANSYS Multiphysics, будет работать в таком же

графическом интерфейсе, рабочей среде, инс-

трументами препроцессинга, постпроцессора и

технологиями решателей, что и в коммерческой

реализации. Такой подход в перспективе позво-

ляет легко переходить специалистам от иссле-

довательской деятельности в ВУЗах к работе в

коммерческих структурах.

В большинстве случаев пользователи ли-

цензий для ВУЗов располагают большими рас-

четными возможностями, чем среднестатисти-

ческие пользователи коммерческих лицензий.

Расчетные возможности лицензий ANSYS

11.0 для ВУЗов включают в себя возможности

коммерческих лицензий: ANSYS Multiphysics,

ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS TAS и

ANSYS AUTODYN, а также обширный набор воз-

можностей импорта геометрических моделей из

самых популярных CAD-систем.

В текущей реализации Fluent-лицензии для

ВУЗов не входят в состав лицензий для ВУЗов

версии 11.0, но часть их возможностей будет ин-

тегрирована в версии для ВУЗов программных

продуктов ANSYS 12.0. В результате этого будет

создан набор лицензий для ВУЗов, включающих

Инновационная стратегия

проектирования ANSYS

применительно к научным

исследованиям и обучению в ВУЗах1

1 По материалам статьи Paul Lethbridge «Simulation-Driven Teaching and Research», ANSYS, Inc. Статья подготовлена к публика-ции Алесандром Черновым.


48


в себя все основные расчетные технологии,

предлагаемые ANSYS.

Основная идея заключается в том, чтобы

предоставить высшей школе доступ к обширно-

му комплексу расчетных технологий, не покупая

отдельные расчетные модули для различных об-

ластей физики и средств создания расчетных

моделей, без ущерба к комплексности подхода

и возможности масштабирования решения.

Лицензии ANSYS для ВУЗов структурно

разделены на четыре основных семейства:

Teaching, Research, Associate и Toolbox. Каждая

группа лицензий имеет свою специфику исполь-

зования и расчетные возможности.

Группа лицензий для обучения (Teaching)

занимает самую низкую ценовую нишу и вклю-

чает в себя расчетные возможности програм-

мных продуктов начального уровня, которые

предназначены для обучения в учебных классах.

Лицензии для обучения (Teaching) имеют огра-

ничения на размерности решаемых задач, кото-

рые зависят от областей физики, с максималь-

ными уровнями размерности для специфических

областей физики, таких как электромагнитный

анализ и вычислительная гидродинамика.

Ïðèìå÷àíèÿ1. Ñòàíäàðòíûå «Mechanical» ýëåìåíòû äëÿ ñâÿçàííîãî

àíàëèçà èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ðåøåíèÿ ñâÿçàííûõ çàäà÷ (ÍÄÑ + òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèÿ è ò. ä.).

2. Äëÿ ëèöåíçèé DesignSpace è TAS íåò îãðàíè÷åíèé ïî ðàçìåðíîñòè.

3. Äëÿ AUTODYN îãðàíè÷åíèå ïî ðàçìåðíîñòè ñîñòàâëÿåò 10 000 óçëîâ äëÿ 2D- è 50 000 óçëîâ äëÿ 3D-ïîñòàíîâîê çàäà÷.

4. Research è Associate íå èìåþò îãðàíè÷åíèé íà ðàçìåðíîñòü çàäà÷

5. Äëÿ ýëåìåíòîâ h-type îãðàíè÷åíèÿ ýêâèâàëåíòíû îãðàíè÷åíèÿì ïî óçëàì. Òàêæå äëÿ ýëåìåíòîâ p-type åñòü îãðàíè÷åíèÿ (òîëüêî äëÿ structural è electrostatics êëàññà çàäà÷), è îíè ñîñòàâëÿþò ¼ îò îãðàíè÷åíèé ïî óçëàì.

Группы лицензий Research и Associate име-

ют различия в условиях применения и могут

быть использованы как в целях обучения, так и

для исследований. Эти группы лицензий не име-

ют ограничений на размерность решаемых за-

дач, предоставляя неограниченные вычисли-

тельные возможности исследователям для со-

искания научных степеней. Группа лицензий

Toolbox позволяет использовать решателям про-

граммных продуктов высокопроизводительные

вычисления (HPC) и специализированные воз-

можности препроцессинга.

Каждая из разновидностей лицензий для

ВУЗов может быть приобретена с определенным

количеством рабочих мест, где под рабочим

местом понимается активная сессия одного из

программных продуктов. Например, лицензия

на 25 рабочих мест (task) позволяет пользовате-

лям в локальной сети загрузить 25 сессий про-

граммных продуктов. При этом допустимы лю-

бые сочетания используемых программных про-

дуктов из доступных лицензий.

Лицензии для ВУЗов являются сетевыми

плавающими для локальной сети (LAN), с одним

сервером лицензий.

Сами программные продукты могут быть

установлены на любое число рабочих мест в ло-

кальной сети, но число одновременно загружен-

ных сеансов работы с программными продукта-

ми ограничено числом приобретенных лицензий

(1, 5, 25, 50 и т. д.).

Лицензии ANSYS широко используется в

ВУЗах по всему миру для обучения и для научных

исследований. Лицензии Academic ANSYS ис-

пользуются в тысячах университетах в более чем

60 странах мира сотнями тысяч пользователей.

Òàáëèöà îãðàíè÷åíèé ðàçìåðíîñòåé (êîëè÷åñòâî óçëîâ) äëÿ ðåøàòåëåé äëÿ ãðóïïû ëèöåíçèé Academic Teaching

Êëàññèôèêàöèÿ ANSYS Academic ëèöåíçèé

Date post:	03-Mar-2016
Category:	Documents
Upload:	denis-khitrykh
View:	259 times
Download:	0 times

ANSYS Advantage. Русская редакция 8'2008

Documents