Новости
Виртуальное проектирование позволяет взлететь революционной технологии полета
David Lasserre, ENTECHO, Australia
Компания Entecho была образована с целью коммерциализации уникальной технологии полета, которую создал Kim Schlunke, ее основатель. Мечтой Кима было создание летательного устройства, которое в перспективе частично заменит путешествия по дорогам, тем самым решив проблему пробок и загрязнения.
«Чокнутый Иван» (‘Crazy Ivan’) – морской термин для обозначения маневров субмарины, характеризуемым последовательностью резких, неожиданных поворотов, производимых экипажем для осмотра пространства впереди лодки при помощи сонара.
Вычислительная Реология расширяет границы пределов многофункциональности STAR-CCM+ и акцентирует внимание на задачах с преобладанием влияния вязкости и вязкоупругости.
Задача создания компактного самолета следующего поколения с вертикальным взлетом и посадкой (Vertical Take Off and Landing - VTOL) была изучена с использованием комбинации новейшей технологии радиального вентилятора с уникальными подъемными и управляющими поверхностями.
Рис. 01 Использование осесимметричной сетки дает лучший компромисс между качеством, густотой и размером.
CFD-методика
Процесс проектирования начался с тщательного анализа аэродинамики с целью установить наилучшее взаимодействие подъемных плоскостей с набором параметров силовой установки, удовлетворяющей требованиям взлета. В ходе стадии концептуальной проработки не строятся никакие прототипы, вся геометрия основана только на результатах CFD-расчетов. При проведении серии расчетов для модификации конструкции пишутся скрипты для автоматизации создания сеточных моделей и расчета матрицы геометрий и граничных условий.
На следующем этапе анализируются механика полета и его устойчивость. Все поверхности, существенные для управления летательным аппаратом, моделируются весьма тщательно. Тем не менее, для уменьшения сложности расчета лопатки ротора и статора моделируются с использованием источника импульса через пользовательские подпрограммы для STAR-CCM+. Радиальный импульс сходится к значению мощности, необходимому для обеспечения «зависания». Для более аккуратного моделирования тангенциального течения можно также добавить осевое вращение.
Генерация сетки и самой модели управляется скриптом, который применяется в автоматизированном построителе сеток CD-adapco в случае, когда необходимо провести серию расчетов с различными конфигурациями управляющей поверхности и направлением полета. Анализ системы управления полетом оказался существенным для оптимизации управления поведением в пространстве. Например, проведение полета платформы, с экипажем на борту в особенности, требует детального анализа поведения с учетом эффектов влияния земли. Анализ систем управления полетом позволяет получить аэродинамические силы и моменты по рысканью, тангажу и крену для получения справочных таблиц; кластер позволяет рассчитать до 4-х конфигураций за день. Одновременно, силовая установка и поднимающие поверхности анализируются гораздо подробнее. Строятся секторные сеточные модели для использования метода Moving Reference Frame (MFR) для анализа турбосистем силовой установки. Отдельное внимание уделяется взаимодействию ротора и статора с оптимизированными лопатками так, чтобы соответствовать двояким требованиям создания подъемной силы и гашения момента вращения ротора.
В ходе того же цикла проектирования рассчитываются возможности управляющих поверхностей для поддержания курса с тем, чтобы завершить формирование информации, нужной для управления полетом. Размер сетки и установочные параметры оптимизированы таким образом, чтобы просчитать за ночь хотя бы одну конфигурацию. Данный этап закрывает аэродинамический цикл проектирования, форма и динамические нагрузки становятся известными для использования командой CAD/FEM, которая имеет возможность завершить создание модели.
Рис:02 Импульсная модель, полет под наклоном
Достижения и выгода от использования
Процесс моделирования в STAR-CCM+ полностью интегрирован в процесс виртуального проектирования и согласован с CAD-проектированием и написанием программного обеспечения для системы управления. Расчет нагрузок, предсказанных в ходе CFD-анализа, определяет выбор композитных материалов для конструирования летательного аппарата и значительно уменьшает его вес, позволяет улучшить полезную нагрузку и долговечность полетной платформы.
CFD-анализ системы управления самолетом оказался мощным инструментом. Наиболее полезными являются данные, загружаемые в симулятор полета, что позволяет описать реалистичное положение в пространстве и подъемные характеристики. Также возможно оценить количественно эффект взаимодействия с землей и, тем самым, избежать риска аварии с летательным аппаратом и его персоналом. Поскольку CFD-расчеты аэродинамического поведения и управления были решены, прототип летающей платформы был сконструирован.
Успешные тестовые полеты беспилотного летательного аппарата “MuPod” подтвердили значение продукта CD-adapco для получения точных характеристик полета еще на стадии проектирования. Чрезвычайно приятно наблюдать технологию в работе, когда только что взлетевший прототип ведет себя так, как предсказано симулятором полета.
Развитие
Среда для виртуального проектирования обеспечила на ранней стадии глубокое понимание природы и возможностей инновационной технологии полета. Число вариантов для создания «в железе» было сокращено благодаря использованию правильного инструмента, правильного метода и значительно сэкономило время и денежные средства в данном проекте. Мы сейчас делаем «update» с использованием технологии STAR-CCM+, отталкиваясь от уже полученных многообещающих результатов для дальнейшего развития.
Рис:03 David Lasserre, ENTECHO, Australia MFR метод, поток через ротор
