Публикации
Исследование компанией Assystem крыльевых парусов (парус-крыло) для соревнования «Кубок Америки»
Alessandro Fiumara – Assystem France и ISAE-Supaéro
Julien Senter – Assystem France
Nicolas Gourdain и Vincent Chapin – ISAE-Supaéro
Prashanth S. Shankara – Siemens PLM Software
Кубок Америки, или как его еще называют Auld Mug, является старейшим спортивным трофеем в мире, возвращаясь своими корнями в далекий 1851 год.
В равной мере раздвигая границы парусного спорта и возможности самих мореходов, престижное соревнование в последние годы породило новый всплеск интереса к плаванию на быстрых яхтах, технологическим инновациям, спортсменам и командам, поддерживаемым миллиардерами. Катамараны, представленные на Кубке Америки в 2013 году, были быстрее ветра благодаря появлению подводных крыльев и твердых двухэлементных крыльевых парусов. Последние имеют общие черты с крыльями самолета, обладающими высокой подъемной силой. Параметры крыльевых парусов, используемых в основной гонке, были основаны на правилах, нормативах и регламентах, соответствующих классу AC72, для предварительных гонок и тренировок, классу AC45. Более новый класс катамаранов, в отличие от предыдущих, достигает скорости вдвое большей скорости ветра и, перемещаясь по воде на подводных крыльях, приводит к всплеску зрительского интереса. 35-й Кубок Америки будет проводиться в июне 2017 в местечке Great Sound of Bermuda. Соревнования будут проводиться в новом классе AC50, включающим крыльевой парус и подводные крылья. Быстрый катамаран будет меньше, чем AC72, и будет управляться шестью членами экипажа.
Слияние и дробление играют значительную роль в большинстве процессов перемешивания в различных отраслях промышленности. В подобных системах, учет объемной доли газа, его распределения и эффекта, оказываемого на массоперенос и реакции, является абсолютно необходимым.
По мере утихания страстей на Тур де Франс и пока клубы пыли еще не развеялись в Рио после Олимпийских Игр 2016, велоспорт будет присутствовать в последних сводках новостей.
Данные крыльевые паруса являются трудноуправляемыми. Исследование их стабильности в разнообразных ситуациях все еще находится в процессе. Поиск наиболее стабильной постановки паруса для нивелирования всех нежелательных ситуаций, возникающих в процессе управления, является крайне сложной задачей. Существуют примеры «переворачивания» или «опрокидывания» из-за их неустойчивости. Подобно аэродинамическому срыву с крыла самолета, эти крыльевые паруса могут вызывать срыв потока во время работы. Для констукторов ключевым является понимание поведения срывов при различных условиях ветра.
Для дальнейшего понимания поведения крыльевого паруса был запущен соответствующий исследовательский проект в рамках подготовки докторской диссертации. Заказчиками выступили компания Assystem France, занимающаяся международным инжинирингом и консалтингом, и департамент Аэродинамики, Энергетики и Поступательного Движения (the Department of Aerodynamics, Energetics and Propulsion) (DAEP) в ISAE-Supaéro, ранее известный как Французская Аэрокосмическая Инженерная Школа (French Aerospace Engineering School).
Рисунок 1: Модель яхты Assystem с крыльевым
парусом для Кубка Америки
Аэродинамическое поведение крыльевого паруса в условиях срыва потока до конца не изучено, также как, в значительной степени, еще не известны парусные характеристики данной оснастки. Таким образом, одной из целей данной работы было описать и лучше понять потоковые характеристики крыльевого паруса. Эта работа проводилась с целью определения определить соотношения между конструкцией, параметрами посадки и эксплуатационными качествами. Задача заключалась в поиске оптимальной конструкции крыльевого паруса для каждого из рабочих режимов.
Выбор метода анализа
Чтобы изучить поведение крыльевого паруса должным образом, инженеры разработали катамаран на основе класса AC72 и представили его на «Кубка Америки 2013». Испытания в аэродинамической трубе являются первоочередным этапом исследований, но их количество ограничивается эксплуатационными расходами. Оптимизация конструкции также не поддается легкому параметрическому анализу. Для изучения поведения крыльевого паруса команда решила использовать современные инструменты численного моделирования. Помимо того, чтобы быть эффективными с экономической точки зрения, и подходящими для изменения конструкции и оптимизации, исследование вычислительной гидродинамики (computational fluid dynamics (CFD)) могло может пролить свет на характеристики, которые затруднительно исследовать в аэродинамической трубе.
Следующим вопросом являлся выбор инструмента для численного моделирования. Для выполнения данного исследования был выбран программный продукт STAR-CCM+, уже широко используемый компанией Assystem France. Помимо удобства, выбор в пользу STAR-CCM+ был основан на следующих факторах:
• Построение многогранной сетки высокого качества, которая позволяла бы прекрасно передавать течение в следе;
• Способность STAR-CCM+ к адаптации при постановке нестандартных задач и нахождении индивидуальных решений в процессе оптимизации конструкции;
• Возможности академического лицензирования, которые позволяют запускать несколько расчетов в ISAE-Supaéro;
• Хорошо зарекомендовал себя в морской промышленности.
Моделирование тестов в аэродинамической трубе
Подтверждение экспериментальными данными результатов, полученных в ходе использования численного метода, является ключом к получению точного решения. Для испытаний в аэродинамической трубе (сооружение S4 в ISAE в Тулузе) была построена модель крыльевого паруса без катамарана в масштабе 1 к 20 (рисунок 2).
Рисунок 2: Тестовая модель крыльевого паруса в аэродинамической трубе S4 (слева)
Рисунок 3: Многогранная сетка STAR-CCM+ вокруг крыльевого паруса (справа)
Аэродинамическая труба является Эйфелевой (с открытой «обраткой») аэродинамической трубой с открытой испытательной секцией эллиптической формы. Геометрия является двухэлементным стреловидным крылом с главным элементом и рулем высоты, имеющим постоянный зазор между элементами вдоль размаха крыла. Угол руля высоты может изменяться путем отклонения, чтобы изменять глобальную кривизну крыла.
Испытания в аэродинамической трубе выполнялись как для численной валидации STAR-CCM+ при различных положениях крыльевого паруса, так и для получения исчерпывающей экспериментальной базы данных по течению. Целью исследовательской работы было не обнаружение наилучшего положение крыльевого паруса для упрощения навигации, а анализ механизмов течения вокруг крыльевого паруса и обеспечение наилучших показателей подъемной силы, за счет постановки акцента на исследования роли струи воздуха, проходящей в зазорах между элементами паруса.
Численный анализ в STAR-CCM+ проводился на той же самой геометрии крыльевого паруса, представляющей собой область с аэродинамической трубой. Целью было учесть взаимное влияние между крылом и расчетной областью [1]. Условия течения в аэродинамической трубе воспроизвели экспериментальные тестовые характеристики и по скорости, и по уровню турбулентности. Вычислительная область была дискретизирована в STAR-CCM+ многогранными ячейками (рисунок 3). На поверхности автоматически были построены призматические слои с тем, чтобы с большей точностью разрешить течение в пограничном слое. Итоговая сетка состояла из 32-х миллионов ячеек. Нестационарные RANS (URANS) уравнения решались для несжимаемой жидкости. Скорость течения в аэродинамической трубе была 20 м/с, результатом чего являлось число Рейнольдса для средней хорды равное 5.3x105. Эти условия течения с невысоким числом Рейнольдса были сложными, потому что они могли привести к появлению областей с ламинарным течением на поверхности крыльевого паруса. Переходная модель турбулентности k-ω SST использовалась в STAR-CCM+, чтобы рассчитать переход пограничного слоя от ламинарного к турбулентному, предсказывая срыв потока.
Выполненное моделирование показало отличное сравнение с данными аэродинамической трубы, как количественно, так и качественно. Сравнение срыва потока с крыла между данными с испытаний в аэродинамической трубе и URANS моделированием продемонстрировало, что потоковые характеристики одинаковые в обоих подходах. Поток срывается на верхних участках руля высоты, при этом остается прикрепленным на нижних.
Подобно качественным количественные результаты, полученные в моделированиях STAR-CCM+, хорошо согласуются с данными испытаний, подтверждая достоверность и точность метода исследования. Сравнение коэффициента давления на основной элемент в конструкции с большим зазором для большой и малой кривизны крыла показано на рисунке 6. В областях с прикрепленным потоком численные и экспериментальные данные для данной конфигурации совпадают очень хорошо. В областях срыва с поверхности руля высоты численные результаты отличаются от экспериментальных в пределах 10%. Этот процесс помог в обосновании численной методологии предсказаний характеристик крыльевого паруса при различных условиях [2].
Рисунок 4: Линии движения потока, окрашенные исходя из скорости вокруг крыльевого паруса, показывают коэффициент поверхностного трения
В данной задаче установка небольшой кривизны, по-видимому, является наилучшей опцией для движения против ветра, в то время как в условиях по ветру лучше проявляет себя больший угол отклонения руля высоты. Конфигурация с большей кривизной показывает определенную чувствительность к размеру зазора, разделяющего два элемента крыла. Небольшое изменение этого размера может привести к улучшению эксплуатационных характеристик.
Рисунок 5: Визуализация сравнения коэффициента поверхностного трения от вязкого масла на крыльевой парус в аэродинамической трубе (слева) и в STAR-CCM+ (справа)
Результаты показывают высокую чувствительность поведения срыва потока от угла отклонения руля высоты и размера зазора (слота, slot size) [3]. При определенных конфигурациях крыльевого паруса крыло имеет многоступенчатый срыв в секциях, в которых происходит срыв с руля высоты при различных углах атаки. В то же время срыв с главного элемента происходит при больших углах атаки [4]. Испытания в аэродинамической трубе и задачи моделирования URANS согласуются в демонстрации того, как изменение размеров данного зазора (слота) устраняют многоступенчатое поведение при линейном увеличении коэффициента подъемной силы. Этот же размер зазора (слота) может изменить конечный срыв потока с главного элемента от резкого до ровного. Понимание и достижение правильного размера зазора вдоль всего размаха крыла является принципиально важным для устойчивой работы во время гонки. Одновременно это является сложной задачей по причине аэроупругих характеристик крыльевого паруса в реальных условиях.
Моделирование катамарана С-класса
Для полного анализа поведения крыльевого паруса в условиях по ветру геометрия была отмасштабирована до размеров катамарана С-класса. Этот класс используется в гонке LITTLE CUP, испытательном полигоне для Кубка Америки, где проходят испытания, происходит сравнение и получают одобрение последние технологии для катамаранов с жестким парусом. Также эта гонка является Международным Кубком для Катамаранов С-класса, класса с открытой конструкцией и простейшими конструктивными нормами. Катамараны С-класса известны своей простотой, их площадь парусности не должна превышать 27.8 квадратных метров. Это вынуждает дизайнеров интенсивнее внедрять инновации в конструкцию.
Уменьшенная в размере геометрия крыльевого паруса была смоделирована наряду с геометрией катамарана для изучения аэродинамического взаимодействия крыло-катамаран в условиях по ветру. Граничный слой для моря был смоделирован с учетом завихрений ветра с малым углом атаки на нижние секции и большим углом атаки, направленным вверх паруса. Угол отклонения руля высоты равнялся 35°, что приближенно являлось углом, устанавливаемым мореходами в условиях по ветру. В дополнение были также рассмотрены углы отклонения руля высоты в 15° и 25°.
На рисунке 7 показано сравнение распределения давления (Cp) для различных углов отклонения руля высоты. Вопреки расхожему мнению не подтвердилось то, что угол отклонения руля высоты максимально увеличивает силу тяги в условиях по ветру. Сила тяги и кренящий момент были рассчитаны для разных углов. Наилучшие результаты были получены при максимальной силе тяги и минимальном кренящем моменте. Результаты показывают, что при типичном угле в 35° поток полностью отделяется от поверхности руля высоты, в то время как при 25° он продолжает быть приложенным, увеличивая силу тяги в пути.
В процессе моделирования было изучено поведение крыльевого паруса в ответ на порывы ветра, посредством установки в задаче моделирования скорости на входе в виде синусоиды. Как видно из рисунка 9, на поверхности руля высоты появляется «грибовидное» разделение ячеек. С порывами ветра оно распространяется в виде волны по всему размаху крыльевого паруса. Было бы интересно узнать, будет ли подобное поведение потока наблюдаться в реальных условиях плавания.
Рисунок 6: Сравнение распределения давления (Cp) для низкой и высокой кривизны профиля между аэродинамической трубой и STAR-CCM+
Рисунок 7: Сравнение распределения давления (Cp) вдоль крыла для различных углов отклонения руля высоты
Рисунок 8: Коэффициент давления на крыльевой парус и линии движения потока (слева) и величина скорости при размахе крыла в 25, 50 и 75 процентов (справа)
Рисунок 9: Коэффициент поверхностного трения на крыло, демонстрирующий «грибовидное» разделение ячеек (внизу)
Заключение
Данное исследование легло в основу понимания стабильного поведения крыльевого паруса в гонках Кубка Америки и LITTLE CUP. Это позволило конструировать более устойчивые крылья для лодок с жестким парусом. Будущие исследования будут включать конструирование и оптимизацию посадки для достижения лучшей силы тяги при ограничении максимально допустимого для катамарана кренящего момента. Также необходимо исследование происхождения и влияния «грибовидных» ячеек. Исследователи также рассматривают конструкторское сотрудничество с командой мореходов 35-й гонки Кубка Америки. Использование численного моделирования стало и будет продолжать раздвигать границы скорости и технологий в гонках Кубка Америки.
Используемая Литература
[1] Fiumara, A., Gourdain, N., Chapin, V., Senter, J. (2015), “Comparison of Wind Tunnel and Freestream Conditions on the Numerical Predictions of a Flow in a Two Element Wingsail”, 50th AAAF International Conference, Toulouse, 30 March – 1st April 2015.
[2] Fiumara, A., Gourdain, N., Chapin, V., Senter, J. (2016), “Numerical and Experimental Analysis of the Flow around a Two-Element Wingsail at Low Reynolds Number”, submitted in 2016 to the International Journal of Heat and Fluid Flow.
[3] Fiumara, A., Gourdain, N., Chapin, V., Senter, J. (2016), “Aerodynamics Analysis of 3D Multi-Elements Wings: an Application to Wingsails of Flying Boats”, RAeS Applied Aerodynamics Conference, Bristol (UK), 19th-21st July 2016.
[4] Chapin, V., Gourdain, N., Verdin, N., Fiumara, A., Senter, J. (2015), “Aerodynamic Study of a Two-Elements Wingsail for High Performance Multihull Yachts”, 5th High Performance Yacht Design Conference, Auckland, 10-12 March, 2015.
