Публикации
CFD-анализ аэродинамического взаимодействия беспилотников, летящих в плотном строю
В последнее десятилетия все более возрастает интерес к беспилотным летательным аппаратам (сокращенно БПЛА на русском и UAV на английском). Дистанционно пилотируемые или полностью автономные, они являются более безопасной и дешевой альтернативой большим, пилотируемым летательным аппаратам. Если раньше они использовались исключительно в военных целях, то в настоящее время область их применения значительно расширилась. Теперь они используются в области национальной безопасности (надзор полиции, пограничный патруль и т.д.), коммунальных услугах(противопожарные, поисково-спасательные системы, осмотр линий электропередач и газопровода, химическое зондирование, зондирование загрязнений, климатический мониторинг и т.д.), коммерческом секторе (географические исследования, опрыскивание сельскохозяйственных культур с воздуха и т.д.).
Кроме того, беспилотники служат надежными летающими платформами для аппаратуры наблюдения, посредничающими между наземными датчиками и высоколетящими спутниками. В некоторых видах деятельности (например, заправка самолета с воздуха, воздушное наблюдение и т.д.) несколько беспилотников тесно взаимодействуют друг с другом. Программное обеспечение STAR-CCM+ позволяет исследовать динамику такого взаимодействия летательных аппаратов, их влияние друг на друга в полетах в плотном строю. С целью наглядной демонстрации моделирования такого влияния был проведен расчет, с использованием STAR-CCM+, двух одинаковых бесхвостых летательных аппаратов с толкающим воздушным винтом, летящих на одной высоте. Сопровождающий летательный аппарат находится на расстоянии 0,9 размаха за крылом и 0,9 размаха правее крыла ведущего летательного аппарата. Ведущий летательный аппарат - БПЛА1 (UAV1), сопровождающий – БПЛА2 (UAV2).
Исследование рынка, проведенное компанией Raisbeck Engineering Inc., показало, что у авиакомпаний, эксплуатирующих самолет Learjet 60 возникла потребность в увеличении объема багажного отсека.
Доказано, что в местах массового скопления людей рассеянные в воздухе аллергены и загрязняющие примеси неблагоприятно влияют на людей, уменьшая продуктивность их работы...
Весь процесс моделирования, от пре-процессинга и до пост-процессинга, выполняется в STAR-CCM+. Высокий уровень автоматизации ПО позволяет пользователю сосредоточиться на техническом анализе данных, а не на повторном выполнении задач, требующем существенных временных затрат. Процесс моделирования состоит из следующих шагов:
-
Импорт геометрии первого беспилотника с толкающим воздушным винтом,UAV1, подготовка геометрии к построению сетки. Инструмент замыкания поверхности позволяет покрыть любую импортированную поверхность, независимо от её сложности и первоначального качества, чистой поверхностной сеткой. В STAR-CCM+эта операция выполняется в течение нескольких минут, тем самым позволяя инженерам CAD и CFD избежать долгие и нудные часы (если не дни) исправления поверхности, когда каждая отдельная ячейка решается самостоятельно.
-
Второй беспилотник, UAV2, создается путем простого копирования и вставки UAV1 в нужное место. Эту операцию можно повторять каждый раз, когда требуется добавить еще один БПЛА в строй.
-
Затем выбирается область взаимодействия двух беспилотников, UAV1 и UAV2, и измельчается тетраэдральными, многогранными или усеченными (шестигранными) сетками. Использование многогранной сетки STAR-CCM+ позволяет достичь такой же точности, что и типичная тетраэдральная сетка, однако при этом генерируется в 5 раз меньше ячеек. Таким образом, STAR-CCM+ повышает производительность и эффективность расчета без ущерба для точности решения.
-
Чтобы полностью захватить волновой след UAV1 и определить его влияние на UAV2, с помощью объемных контролей создается несколько уровней сеточного измельчения.
-
Затем задаются свойства физического континуума, в том числе необходимая модель, ее опорные значения и начальные условия.
После этого STAR-CCM+ выполняет расчет, по окончанию которого с помощью мощных инструментов визуализации STAR-CCM+ можно легко проанализировать полученные результаты.
Результаты пост-процессинга STAR-CCM+ четко иллюстрируют эволюцию (развитие) вихревых следов позади крыльев беспилотных аппаратов. Они подтверждают общеизвестный факт, что вихревые следы представляют собой тяжелые атмосферные возмущения, которые могут иметь как положительное, так и отрицательное опасное влияние на летательный аппарат, в зависимости от взаимного расположения воздушных транспортных средств в строю. В некоторых случаях попадание сопровождающего аппарата в вихревой след может привести к плачевным последствиям из-за сильного, а иногда и неожиданного момента вращения, вызванного высокой концентрацией ядра вихря. Если же сопровождающий беспилотник попадает в верхнее течение, создаваемое ведущим летательным аппаратом, индуктивное сопротивление летящего следом аппарата резко уменьшается, что приводит к значительной экономии топлива и/или увеличению диапазона целевой нагрузки. Это позволяет сэкономить топливные ресурсы и положительно сказывается на окружающей среде.
Оптимальное расположение летательных аппаратов, полученное инженерами CD-adapco, не является открытием: гуси и утки с начала времен использую его при миграции, выстраиваясь в V-образный клин. Тем не менее, мощные инструменты пост-процессингаSTAR-CCM+ позволили инженерам CFD представить его в наиболее красочном и реалистичном виде. Быстрая, мощная, универсальная и удобная интегрированная средаSTAR-CCM+ позволила выявить преимущества, риски и проблемы, вызванные развитием вихревого следа при полете нескольких беспилотников в плотном строю.
