CC BY
45
УДК 629.7.01
Амплитов П.А.
канд. тех. наук «КнААЗ им. Ю.А.Гагарина» г.Комсомольск-на-Амуре, РФ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОФЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНСТРУМЕНТАРИЯ ANSYS WORKBENCH
Аннотация
Показан способ проведения виртуального аэродинамического эксперимента в среде ANSYS Workbench по определению аэродинамических коэффициентов профиля как в неограниченном потоке, так и в близи экрана.
Ключевые слова
ANSYS Workbench, виртуальный эксперимент, экраноплан, профиль
На начальных этапах проектирования летательных аппаратов для формирования несущей системы за основу берутся данные об аэродинамических профилях (геометрия, характеристики). Но при этом необходимо пересчитывать характеристики профиля на предполагаемые условия применения (число Рейнольдса, удлинение крыла), а также производить модификацию профилей. Другой проблемой является определение характеристик профилей в специальных условиях эксплуатации, например, вблизи экранирующей поверхности. При этом предлагаемые выражения для пересчёта обычно являются эмпирическими и имеют ограничения по применению.
Таким образом, целесообразно использовать аэродинамические характеристики профиля с учётом условий фактического применения. Для их определения можно использовать современные компьютерные средства проектирования и анализа.
Недостатком такого подхода является необходимость верификации расчётной схемы. Для верификации обычно проводится сравнение с данными натурных экспериментов, для чего нужно получить значения для соответствующих сочетаний параметров.
Для снижения трудоёмкости подготовки (изменения параметров) внутри серии экспериментов необходимо использовать средства автоматизации. Широкие возможности автоматизации проведения серии экспериментов предоставляет ANSYS Workbench [1].
В ANSYS Workbench тесная интеграция между компонентами приложений дает легкость использования при подготовке и проведении расчетов, а также при решении сложных междисциплинарных задач.
Приложения, размещенные на платформе ANSYS Workbench, поддерживают изменение параметров, включая геометрические размеры, свойства материалов, граничные условия и искомые значения. Параметры, заданные внутри приложения, управляются из окна проекта, облегчая исследование множества вариаций расчета. Из окна проекта можно выстроить серии точек проекта (комбинации вариантов конструкции, свойств материалов, нагрузок и граничных условий) в виде таблицы и просчитать все варианты.
Используем некоторые возможности пакета для подготовки и проведения аэродинамического эксперимента в виртуальной аэродинамической трубе.
А
1
1 ^J IS-I Geometry v'
■3 # Mesh
4 ^ Setup
5 ^¡¿J Solution y*
5 ■ V^ Results
■7 Parameters 1-
Fluid Flow [CRi)
—_VL
■ 1 Parameter Set
Рисунок 1 - Организация проекта в ANSYS Workbench На первом этапе (Geometry) создаётся проект Fluid Flow (CFX) в среде ANSYS Workbench [2].
Рисунок 2 - Дерево построения геометрической модели расчётной области
Затем в модуле ANSYS Design происходит формирование геометрической модели рабочей области (см. рис 2):
- по координатам строится профиль крыла двумя гладкими кривыми (Curve), которые построены на
основе точек из файла (Definition = From Coordinates File). Это позволяет менять геометрию профиля без изменения построений вручную: достаточно указать новый файл и обновить проект. Файл можно подготовить в любом текстовом редакторе, см. рис. 3. Для удобства дальнейших построений считаем, что один процент хорды и толщины профиля равен 1 мм;
- выполняется операция Extrude, формирующая прямое крыло заданного удлинения, значение удлинения обозначается как внешний параметр, это нужно для доступа к нему из окна проекта ANSYS Workbench;
Й [T5AH®3.fartj - BREDD.0.3U I ст ■ 13 ДД j
Файл Правка Поиск Кодировка Настройки Инструменты Справка
ja^j^iEti -J с»
# Group 1 110 0 0 1 2 1.25 2.17 0 1 3 2.5 3.17 0 1 4 5 4.77 0 1 5 7.5 5.26 0
1 6 10 6.76 О II 7 15 8.17 0 |l S 20 9.1« 0 .1 9 30 10.13 О , 1 10 40 10. В О , 1 11 50 90.4 О
, 1 12 ее в.1 о
|1 13 70 6.23 О ,1 14 ВО 4.17 О
11 15 90 2.1 О ,1 1« 95 1.17 О .1 17 100 О О
( # Group 2 I 2 18 О О О
12 19 1.25 -1.33 О .2 20 2.5 -2 О
2 21 5 -2.Е7 О
2 22 7.5 -3.27 О
„2 23 10 -3.33 О
2 24 15 -3.1 О
| 2 25 20 -3 О
2 26 30 -2.8 О
^ 2 27 40 -2.6 О
2 2В 50 -2.33 О
2 29 60 -2.17 О
2 30 70 -2 О
2 31 ВО -1.S3 О
2 32 90 -1.17 О
2 33 95 -0.6 О
2 34 100 О О
35:13 ANSI E:\Tm p\Ansys\TSAGB93.txt
Рисунок 3 - Пример подготовленного файла с геометрией профиля
- задаётся параметрическая операция перемещения (Move) для имитации высоты полёта над поверхностью экрана. Величина перемещения определяется путём умножения относительной высоты над экраном на размер САХ. Параметр относительной высоты также обозначается как внешний;
- задаётся параметрическая операция поворота (Rotate) крыла относительно задней кромки (имитация изменения угла атаки). Параметр обозначается как внешний;
- формируются границы расчётной области: нижняя граница обязательно совпадает с плоскостью 0xz, остальные границы удалены от крыла на расстояние, равное двум хордам спереди, пяти хордам вверх и вбок и 10 хорд назад;
- формируется расчётная область путём вычитания из граничного тела объёма, занятого крылом;
- назначаются именованные группы на грани, соответствующие входу, выходу, поверхности крыла, поверхности экрана.
- расчётная область масштабируется (Scale) до нужного размера.
Пример готовой геометрической модели расчетной области приведён на рисунке 4.
Рисунок 4 - Геометрическая модель расчётной области
На следующем этапе (Mesh) генерируется расчётная сетка. Для достоверного расчёта в неограниченном пространстве достаточно стандартных настроек генератора сетки ANSYS Mesh. Для расчёта вблизи экрана даже самого простого по геометрии крыла необходима сетка, содержащая более 2 млн. элементов [3]. Также на этом этапе для удобства дальнейших расчётов выделяются группы поверхностей, которым присваиваются понятные обозначения (Named Selection). В данном примере это In, Out, Plane, Ground, см. рисунки 5 и 6. При этом в группы In, Out, Ground входят по одной поверхности, то в группу Plane все поверхности, образующие крыло.
ш
в
Рисунок 5 - Пример представления именованной группы поверхностей Plane
Затем на этапе Setup в препроцессоре решателя назначаются, граничные условия (Boundary) соответствующим именованным группам:
Boundary 1: вход (In) - Inlet с указанием величины скорости, нормальной поверхности; Boundary 2: выход (Out) - Outlet с указанием величины скорости, нормальной поверхности; Boundary 3: поверхность крыла (Plane) - Wall.
Boundary 4: поверхность экрана (Ground) - Wall, с заданием скорости вдоль поверхности Wall U, равной скорости невозмущённого потока на входе;
Рисунок 6 - Расположение групп поверхностей
Здесь Inlet, Outlet, Wall - типы граничных условий, указывающие на поверхности входа и выхода потока, а также непроницаемые для потока «стены».
Также выбираются общие расчётные условия, в частности материал среды (воздух) и модель турбулентности. По результатам исследований [4], рекомендуется использовать гибридную двухзональную модель Ментера (модель переноса сдвиговых напряжений SST), которая показывает хорошую сходимость с экспериментальными данными.
По умолчанию в препроцессоре в качестве материала есть только воздух при 25 градусов Цельсия на уровне моря. Для расчёта характеристик на нужной высоте необходимо самостоятельно изменять параметры материала на основании модели стандартной атмосферы по ГОСТ 4401-81.
Так как в препроцессор нельзя передать внешние параметры, то необходимо скорости потока и экрана задавать один раз перед серией вычислений.
После выполнения расчёта становится доступным модуль постпроцессора в разделе Result. Здесь можно настроить визуализацию, а также получить численные данные результатов расчёта (см. рис. 7).
Особенностью расчёта по методу конечных элементов является определение данных для конкретного элемента, что требует дополнительных вычислений для получения таких интегральных характеристик, как значения сил и моментов. В постпроцессоре ANSYS эти характеристики доступны через встроенные функции, например forcejx, torque z. Для перехода к коэффициентам сил и моментов необходимы дополнительные вычисления. Инструментарий постпроцессора ANSYS даёт возможность производить подобные вычисления.
Эти данные также делаются внешними, чтобы они были доступны через окно проекта ANSYS Workbench. Расчёт ведётся по формулам: S = (area()@Boundary 3)*0.5 b = maxVal(X)@Boundary 3 V = maxVal(Velocity)@Boundary 1
Cm = 2*(torque_z()@Boundary 3)/(S*1.225 [kg mA-3]*b*(V*V)) Cx = 2*force_x()@Boundary 3)/(S*1.225 [kg mA-3]*(V*V)) Cy = 2*force_y()@Boundary 3)/(S*1.225 [kg mA-3]*(V*V))
-( ' )-
Рисунок 7 - Графическое представление результатов расчёта
Outline of Schematic А 7: Parameters
' ^ X
A B С D
1 ID Parameter Name Value Unit
2 □ Input Parameters
3 □ Fluid Flow (CFX) (Al)
4 $ P2 Alfa 2 degree
5 [p P3 Scale Z.FD1 40
6 Cp P4 Lambda 6
7 $ P5 h_obi 1
1С fp New input parameter New name New expression
9 □ Output Parameters
UÜ □ ^ Fluid Flow (CFX) (A 1)
11 pi P6 Cy 0 r 26 3-19
12 pi P7 Cx 0r018265
13 pi PS Cm 0r054049
pi New output parameter New expression
15 Charts
Рисунок 8 - Окно работы с внешними параметрами проекта
В этих формулах Boundary 1 - указание на поверхность «входа» в расчётную область, Boundary 3 -указание на поверхность крыла.
Таким образом, становится возможным проведение серии вычислительных экспериментов в пакетном режиме, только изменяя входные параметры через окно проекта ANSYS Workbench (группа Input Parameters) и получая результаты после расчёта (группа Output Parameters). Также задать параметры и получить результат можно сразу для серии экспериментов (Design Point), используя табличное представление, см. рисунки 8 и 9.
Table of Design Points
■
т ¥ X
А E С D E F G H
1 Name P2 - Alfa T P3 - Scale2.FD 1 T P4 - Lambda T P5 - h_otn T P6 - Cy T P7- Си T P8 - Cm
2 Units degree T
3 Current 4 40 6 1 0,63636 0,023384 0,21986
4 DP 1 6 40 6 1 0,80279 0,033516 0,25294
5 DP 2 2 40 6 1 0,47632 0,015451 0,18739
6 DP 3 0 40 6 1 0r30741 0,010256 0,14926
7 DP 4 6 40 6 0,1 1,2388 0,032419 0,43919
3 DP 5 4 40 6 0.1 0,98273 0,021547 0,36309
9 DPS 2 40 6 0rl 0,66541 0,013967 0,26832
U0 DP 7 1 40 6 0,1 0 r464o7 0,011596 0,21057
11 DP 8 6 40 6 0,2 0,97456 0,027945 0,34096
12 DP 9 4 40 6 0,2 0,78084 0,019131 0,28743
13 DP 10 2 40 6 0,2 0,56104 0,013158 0,22709
14 DP 11 1 40 6 0,2 0,43739 0,0110 29 0,19347
15 DP 12 6 40 6 0r5 0,85289 0,0299 39 0,2S777
16 DP 13 4 40 6 0,5 0,68583 0,020568 0,24874
17 DP 14 2 40 6 0rE 0,50699 0,013926 0,20483
IS DP IE 1 40 6 0rE 0,41485 0,011346 0,18211
Рисунок 9 - Задание параметров для серии виртуальных экспериментов
В качестве примера рассмотрим результаты исследование прямого прямоугольного крыла вблизи экрана с аэродинамическим профилем ЦАГИ 876. Так как нет данных, на каких режимах проводились эксперименты, то будем рассматривать крыло полноразмерного аппарата, что соответствует коэффициенту масштаба 40, удлинение 6, скорость набегающего потока 30 м/с. Результаты сравниваем с экспериментальными данными [5], [6], и расчётом, проведённым по методике, изложенной в [7]. Результаты расчётов и экспериментов представлены на рис. 10 и показывают достаточную точность расчётов со среднеквадратическим отклонением 10%. Но сходимость тем ниже, чем меньше высота полёта.
Если же рассматривать профиль в неограниченном потоке, то точность вычислений значительно возрастает. В качестве примера повторим в виртуальной среде продувку профиля NACA-4412 со следующими параметрами удлинение крыла X = 6, число Рейнольдса Re = 3200000. При скорости набегающего потока 30 м/с такому числу Рейнольдса соответствует коэффициент масштаба 15,756. Параметр относительной высоты принимаем равным 10.
Наложение экспериментальных [8] и расчётных данных приведено на рисунке 11. Отклонение менее
10%.
Таким образом, инструментарием ANSYS Workbench можно пользоваться для автоматизированного проведения вычислительных экспериментов, направленных на получение аэродинамических характеристик простых и сложных объектов, находящихся в зоне действия экранного эффекта.
СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 10 /2020
Сх 0,04
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
■ л а = 6° у
h = 1 / у 0,5/ 0,1 /
а/ / Я J / / 0,2/ ш / *
1 / / /
А / / я / / / 4° А
■ / / У / я А
А
й —'— ■
0°
—1— —1— —1— —1— —1— —1— —1— 1
0.2 0.4 0.6 0.8
1.2
1А Су 1.6
♦ Расчёт в ANS YS ^Эксперимент (Мусатов) к Расчёт (Амплитов)
Рисунок 10 - Сравнение результатов расчёта с экспериментом для профиля ЦАГИ 876.
СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 10 /2020
Рисунок 11 - Сравнение результатов расчёта с экспериментом для профиля NACA 4412. Точками
показаны результаты расчёта в ANSYS
Список использованной литературы:
1. ANSYS Workbench [Электронный ресурс] : ANSYS . URL: http://cae-expert.ru/product/ansys-workbench (дата обращений 05.10.2020)
2. Изучение влияния качества сетки и моделей турбулентности на результаты CFD-расчета в ANSYS Fluent [Электронный ресурс] : электрон. метод. указания к лаб. работам / М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т); сост.: А. В. Кривцов, Л. С. Шаблий. - Электрон. текстовые и граф. дан. (1,6 Мбайт). - Самара, 2013. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
3. Комплексная оценка достоверности расчёта аэродинамических характеристик сложных объектов с
использованием ANSYS \ Ю.Ф.Вшивков, Е.А.Галушко, С.М.Кривель // Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык - 2015. - № 1
4. Вождаев, В.В. Влияние модели турбулентности на точность расчета аэродинамических характеристик механизированного крыла // Техника воздушного флота - 2011. - № 3. С. 16-22
5. Атлас аэродинамических характеристик профилей крыльевых, испытанных в трубе Т-1 ЦАГИ / под ред. Б.А.Ушакова - Труды ЦАГИ. Выпуск 193. - М.: Издание ЦАГИ, 1935.
6. Мусатов, Р.А. Особенности влияния удлинения прямоугольных крыльев на аэродинамические характеристики вблизи экрана / Р.А. Мусатов // Сборник докладов конференции Геленджик-2002. - М.: Типография ЦАГИ, 2002. - С. 273-280
7. Амплитов, П.А. Влияние геометрических параметров экраноплана типа А на его весовые и экономические характеристики: дис. ... канд. тех. наук: 05.07.02 / Амплитов Павел Андреевич. -Комсомольск-на-Амуре., 2013 - 213 с.
8. Кравец, А.С. Характеристики авиационных профилей \ А.С.Кравец. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1939. - 86 с.
© Амплитов П.А., 2020
УДК 656
В.А. Савинов
студент 4 курса МГАВТ, г. Москва, РФ Научный руководитель: Г.И. Шепелин
канд. экон. наук, доцент МГАВТ, г. Москва, РФ
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТРАНСПОРТНОЙ ЛОГИСТИКИ НА ПРЕДПРИЯТИИ
Аннотация
Задача транспортной логистики трактуется целью логистики предприятия: необходимый груз обязан быть доставлен в нужное время в нужное место в нужном количестве в нужном качестве и с наименьшими расходами. Процесс планирования и учета перевозок реально сделать более эффективным при помощи современных IT приспособлений - с ними все будет работать автоматически и быстро.
Ключевые слова:
логистика, перевозки, автоматизированные системы, планирование, учет.
Annotation
The task of transport logistics is interpreted by the purpose of enterprise logistics: the necessary cargo must be delivered at the right time to the right place in the right quantity, in the right quality and at the lowest cost. The process of planning and accounting for transportation can really be made more efficient with the help of modern IT devices - everything will work with them automatically and quickly.
Key words:
logistics, transportation, automated systems, planning, accounting.
В наши дни успешное функционирование фирмы нуждается в применении новейших
