Публикации
SIKORSKY AIRCRAFT: разработка втулки несущего винта средствами CDF
При разработке любого вертолёта важно учитывать вредное аэродинамическое сопротивление, поскольку оно влияет на мощность и движущую силу летательного аппарата на высоких скоростях. Общее сопротивление, действующее на вертолёт, складывается из вредного (паразитического) сопротивления, сопротивления трения и индуктивного сопротивления. Вредное сопротивление возникает в результате воздействия скоростного напора воздуха и сил трения на лобовые части и поверхности элементов конструкции, не участвующих в создании подъёмной силы, сопротивление трения является следствием трения лопастей о воздух, а индуктивное – следствием образования подъёмной силы. У вертолётов с одним несущим винтом около 33% от общего сопротивления возникает от втулки несущего винта. Поэтому основным требованием при разработке любого вертолёта является обеспечение таких условий, при котором на летательный аппарат действует как можно меньше сопротивления. Этот минимум достигается за счёт снижения сопротивления втулки несущего винта.
Обычно для снижения сопротивления втулки стандартного несущего винта используется обтекатель, который, минимизируя сопротивление, снижает эксплуатационные характеристики летательного аппарата и приводит к повышению рабочей нагрузки. Это свидетельствует о необходимости находить новые, альтернативные методы снижения сопротивления втулки. Одним из таких методов является разработка элементов втулки, которые в своей совокупности при установке во втулку создавали бы меньше вредного сопротивления.
Многие параметры играют важную роль в поведении амфибии при её вхождении в воду или выходе на сушу. Скорость транспортного средства, направление по отношению к воде и наклон берега являются наиболее важными параметрами.
При разработке любого вертолёта важно учитывать вредное аэродинамическое сопротивление, поскольку оно влияет на мощность и движущую силу летательного аппарата на высоких скоростях.
Корпорация
SIKORSKY AIRCRAFT
является мировым лидер-ом по разработке и производству военных и гражданских вертолётов, летательных аппаратов самолётной схемы и их запасных частей, а также предоставляет услуги по техническому обслужива-нию и ремонту вертолётов и летательных аппаратов самолётной схемы.
SIKORSKY AIRCRAFT нашла альтернативный метод для расчёта сопротивления втулки, основанный на численном моделировании. Этот метод даёт точные результаты за короткий промежуток времени, позволяя рассчитать сразу несколько конфигураций втулки и оптимизировать её конструкцию в производственной среде. Для анализа корпорация использовала геометрии втулок двух вертолётов: S-92A и UH-60A. Расчёт проводился в программном коде CD-adapco - STAR-CCM+ с использованием уравнений Навье-Стокса на неструктурированных сетках.
РАСЧЁТНАЯ ГЕОМЕТРИЯ
Численное моделирование позволяет не только сэкономить время разработки продукта, но и получить точные результаты в расчётах без опоры на эксперимент. Две втулки, S-92A и UH-60A, используемые для данного анализа, были испытаны в аэродинамической трубе «Объединённого технологического научно-исследовательского центра» (ОТНИЦ), США в 1994 году в масштабе ½ в рамках проекта разработки вертолёта S-92A. И хотя данные по сопротивлению отдельных элементов были доступны из этого испытания, численное моделирование проводилось без опоры на экспериментальные результаты. Расчётная модель состояла из стенок аэродинамической трубы и сборки пилона; несущая конструкция пилона не рассматривалась.
Модель аэродинамической трубы и расчётная область
Автоматы перекоса для данного расчёта не являлись функциональными, поэтому соединение между тарелками и их сервоприводами было удалено как в экспериментальных испытаниях, так и в численном моделировании. Втулка была наклонена вперёд на пять градусов, а испытательный пилон сохранял горизонтальное положение согласно испытательным условиям. На рисунках ниже показаны представления поверхностей втулок S-92A и UH-60A, геометрия пилона и расчётная область.
Представление поверхности втулки S-92A в масштабе ½
Представление поверхности втулки UH-60A в масштабе ½
СЕТОЧНАЯ МОДЕЛЬ
Геометрия втулки была дискретизирована инструментом STAR-CCM+ с использованием «враппера» (замыкатель поверхности). Этот инструмент позволяет сжимать-замыкать поверхностную сетку на геометрии и создавать чистую, непроницаемую поверхность с сохранением геометрической точности, включая мелкие детали, такие как гайки и болты. Затем была создана объёмная сетка: расчётная область была разбита на усечённые шестигранные ячейки, для потока в пограничном слое вблизи поверхности втулки была создана сетка с призматическими слоями. Пограничная сетка имела четыре слоя призматических ячеек с десятью слоями ячеек у колпака втулки для точного описания его поверхности. Для моделирования вихревого следа за втулкой применялось объёмное измельчение на основе решения крупной сетки. Вокруг сборки втулки использовалась подвижная сетка, позволяющая моделировать вращательные движения. Конечная объёмная сетка втулки S-92A состояла из 14.8М усечённых шестигранных ячеек с 8.2М ячеек в пограничных призматических слоях. Конечная объёмная сетка втулки UH-60A имела 13.1М шестигранных ячеек с 7.1М ячеек в пограничном слое.
Горизонтальная объёмная сетка вокруг втулки UH-60
Вертикальная объёмная сетка вокруг втулки S-92A
МЕТОДОЛОГИЯ РЕШЕНИЯ
Методология решения основана на современных методах расчёта движущихся тел в STAR-CCM+. На крупной сетке было получено исходное решение, которое использовалось для верификации настроек и определения зон для сеточного измельчения. Затем в модели аэродинамической трубы рассчитывалась сначала полная конфигурация втулки S-92A, затем из неё последовательно удалялись колпак, тяги, шарниры, исполнительные приводы, автомат перекоса и поводок. Аналогично с втулкой UH-60: сначала рассчитывалась полная конфигурация, затем последовательно удалялись поводок и тяги управления. Всего для втулки S-52A использовалось 6 конфигураций, а для втулки UH-60A - 3. В стационарных расчётах для обеих втулок скорость на входе составляла 150 узлов, частота вращения втулки - 500 об/мин и относительная скорость винта - 0.36, что соответствует относительной скорости полномасштабного вертолёта. В численном моделировании использовались те же числа Рейнольдса и Маха, что и в экспериментах, но в значении ½ по сравнению с условиями полёта. Чувствительность сетки не исследовалась.
Стационарные расчёты выполнялись с использованием движущейся системы координат (MRF – Moving Reference Frame) на крупной сетке, втулки физически не вращались, но при расчёте потока эффект вращения учитывался. На основе стационарного решения запускался анализ на более мелкой сетке с использованием модели «движения твёрдого тела» (Rigid Body Motion). Было выполнено два нестационарных расчёта с помощью моделей URANS (осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса) и DES (модель отсоединённых вихрей). Расчёт URANS запускался на основе стационарного решения, а DES – на основе решения URANS с k-w моделью турбулентности SST-Menter. Размер шага по времени в нестационарном расчёте изменялось при углах поворота втулки от 0.5 до 5 градуса/шаг.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Сопротивление, полученное в стационарном расчёте с использованием «движущейся системы координат» (MRF), соответствовало максимальному сопротивлению, рассчитанному методом отсоединенных вихрей (DES) с углом поворота втулки 5 градусов/шаг. На рисунках ниже показано изменение сопротивления втулки во времени при нестационарном расчёте, а также сравнение рассчитанного сопротивления с экспериментальным.
Как и ожидалось, максимальное сопротивление возникает при расположении креплений лопастей перпендикулярно (90 градусов) потоку с большим миделем, а минимальное – при расположении креплений лопастей под углом 45 градусов к потоку с минимальным миделем. Усредненное по времени сопротивление отличалось от экспериментальных данных на 4% в диапазоне временного шага между 5°и 0.5°, в то время как разница в усредненном сопротивлении между данными ОТНИЦ и DES-расчётом составляла 0.6%. Метод DES рассчитал турбулентность в волновом следе втулки лучше, но спектральный состав этой турбулентности не имел большого влияния на общее сопротивление втулки. Конечные валидационные расчёты для обеих втулок с различными конфигурациями проводились методом DES с временным шагом 5°.
Результаты DES-расчётов для втулки S-92A показали, что с добавлением элементов во втулку общее сопротивление втулки повышается, что соответствует результатам аэродинамических испытаний. Результаты численных расчётов были слегка завышены по сравнению с экспериментальными данными, самая большая погрешность составляла менее 7%. Результаты расчётов сопротивления втулки UH-60A были занижены, хотя остальные показатели совпадали с показателями втулки S-92A. Диаграмма ниже приводит сравнение вычисленного нормированного сопротивления втулки с экспериментальными данными.
Нормированное сопротивление различных конфигураций втулки S-92A
Нормированное сопротивление различных конфигураций втулки UH-60A
На рисунках ниже показано:
-
Расчёт DES: контуры поверхностного давления, втулка S-92A
-
Расчёт DES: контуры поверхностного давления, втулка UH-60A
-
Расчёт DES: контуры скорости, втулка S-92A
-
Расчёт DES: контуры скорости, втулка UH-60A
Эффект вращения хорошо просматривается на рисунках 1 и 2, а неустойчивые вихри от вращающейся втулки – на рисунках 3 и 4 в сине-зелёных областях за втулкой.
Во время испытаний втулка S-92A имела краевые эффекты на начальных стадиях полёта вследствие волнового возбуждение от автомата перекоса и соединённых деталей на втулке несущего винта. Эта проблема была устранена за счет повышения вертикального положения втулки и внесения изменений в пилон. В нестационарном расчёте втулки S-92A с помощью быстрого преобразования Фурье сравнивалось сопротивление втулки винта с и без автоматов перекоса и его соединений. Из графика ниже видно, что полная конфигурация втулки имеет большое 2р сопротивление, а конфигурация без автоматов перекоса – незначительное 2р сопротивление от соединений перекоса.
Изменение сопротивления в нестационарном режиме расчёта
Нестационарный расчёт: Гармонический спектр сопротивления для трёх конфигураций втулки S-92A
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Численное моделирование позволило корпорации SIKORSKY AIRCRAFT быстро рассчитать сопротивление втулки несущего винта на начальном этапе проектирования. Кроме того, расчёты без опоры на эксперимент показали, что программа STAR-CCM+ способна достаточно точно рассчитывать сопротивление втулки с максимальной погрешностью 7% по отношению к экспериментальным данным. Это очень хорошие результаты на начальном этапе исследования, которые будут улучшены при последующем анализе на основе сеточного измельчения и временного интервала. Время на переход из CAD к результатам составило около 14 чел-часов, на расчёт методом MRF - ~30CPU и расчёт методом DES - ~ 75CPU. Эти цифры свидетельствуют о том, что опытный пользователь может быстро, эффективно и точно справиться с задачей расчёта сопротивления втулки несущего винта на ранних этапах проектирования, обеспечивая оптимизацию конструкции в производственной среде. Проведённое исследование также наглядно продемонстрировало возможность STAR-CCM+ быстро и качественно генерировать сеточные модели для расчёта сопротивления, а также возможность программы точно рассчитывать структуру струи втулки.
Традиционно, для анализа сопротивления втулки используются эмпирические данные по сопротивлениям отдельных элементов, схожих по форме с элементами реальной втулки, которые затем суммируются для нахождения общего сопротивления втулки. В таком анализе учитывается также действие помех (интерференция). В реальной производственной среде, где важно оптимизировать формы элементов, данный метод не представляет собой особой ценности. Втулка несущего винта, разработанная с использованием такого метода, затем испытывается в аэродинамической трубе. Такие испытания являются дорогостоящими, учитывая тот факт, что при внесении каких-либо изменений или усовершенствований в конструкцию требуются повторные испытания.`
