CC BY
68
Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»
УДК 629.7.01
ПРИМЕНЕНИЕ CFD-ТЕХНОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САЕ-СИСТЕМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
АГРЕГАТОВ ЖРД
М. А. Орешков, В. Б. Злобин Научный руководитель - Д. А. Жуйков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: moreshkov@yandex.ru
Рассматривается применение CFD-технологии с использованием CAE-систем при проведении гидрогазодинамического расчета ЖРД. Сделан вывод о целесообразности применения классического подхода с использованием CFD-технологии.
Ключевые слова: CFD-технология, CAE-системы.
THE APPLICATION OF THE CFD-TECHNOLOGY USING CAE-SYSTEM AT THE HYDROGASDYNAMIC COMPUTATION OF LRE PARTS
M. A. Oreshkov, V. B. Zlobin Scientific Supervisor - D. A. Zhuikov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: moreshkov@yandex.ru
The article describes the application of the CFD-technology using CAE-systems at the hydro-gasdynamic computation of LRE. The conclusion about advisability of using the classical approach with help of the CFD-technology is made.
Keywords: CFD-technology, CAE-systems.
Проектирование жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) является по своей сути достаточно сложным процессом, включающим решение множества расчетных и графических задач. Одной из таких задач является гидрогазодинамический расчет двигательной установки. На данный момент более распространен так называемый классический подход ее решения, подразумевающий интегральные вычисления с выводом поправок, называемых коэффициентами потерь. Преимуществом такого подхода является его «физичность» и, как следствие, использование относительно простых моделей. Существует и другой метод расчета, подразумевающий использование CFD-технологии. Это технология численного моделирования задач газовой динамики (CFD-Computational Fluid Dynamic), основой которого является численное решение уравнений Навье - Стокса с граничными и начальными условиями, характерными для конкретной задачи. CFD подразумевает использование CAE-систем на всех этапах проектировочного расчет [1].
Как известно, CAE-системы применяются для решения целого комплекса инженерных задач, а именно: расчетов, анализа и симуляции физических процессов. CAE-системы могут быть классифицированы по следующим типам:
• Системы полнофункционального инженерного анализа, обладающие мощными средствами, большими хранилищами типов для сеток конечных элементов, а также всевозможных физических процессов;
• Системы инженерного анализа, встроенные в тяжелые САПР(Системы автоматизированного проектировании), имеют значительно менее мощные средства анализа, но они ассоциативны с геометрией, поэтому отслеживают изменения модели. Расчетные данные структурированы и интегрированы в общую CT^^e проектирования тяжелой САПР;
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
• Системы инженерного анализа среднего уровня не имеют мощных расчетных возможностей и хранят данные в собственных форматах. Некоторые их них включают в состав встраиваемый интерфейс в CAD-системы(Computer-Aided Design - с англ. САПР), другие считывают геометрию из CAD [2-5].
Как видно из классификации, в зависимости от круга решаемых задач и возможностей предприятия применяются те или иные CAE-системы. От оптимального выбора программы зависит сложность и продолжительность расчетов. Для гидрогазодинамического расчета могут быть использованы такие программы как SolidWorks Flow Simulation, Ansys CFX, Ansys Fluent, Star CCM+. Основными преимуществами использования данных программ являются:
- повышение производительности и эффективности;
- снижение расходов и задержек, связанных с подготовкой физических прототипов;
- ускорение выхода изделий на рынок [5-7].
При этом, выбрав определенную CAE-систему, в CFD-технологии придерживаются следующих этапов:
1. Подготовительный этап. На данном этапе формируется геометрия модели, формулируются необходимые физические условия, геометрия дискретизируется, задаются начальные и граничные условия дифференциальных уравнений.
2. Расчёт. На данном этапе машина, подчиняясь заданному алгоритму, численно решает основные уравнения с точки зрения базовых физических параметров (скорость, давление, плотность, температура, энтальпия и т. д.), а также записывает результаты решения в память.
3. Анализ. Результаты решения отображаются в виде графиков, таблиц, а также контурных/векторных схем, привязанных к исходной геометрии [2-3].
В основу CFD-технологии положено описание течении с одной стороны, в «целом» (в пределах выбранной рабочей области), с другой - на микроуровне, при котором основные результаты расчета представляют собой не интегральные параметры типа коэффициентов потерь в рамках классического подхода, а поля параметров различных физических величин (температуры, давления, скорости, концентрации и т. д).
Преимущество такого подхода по сравнению с классическим подходом заключается в возможности получения детальной физической картины изучаемого рабочего процесса с учетом взаимосвязи всех существенных факторов, включенных в модель.
Недостатки CFD-технологии:
- сложность формулировки начальных и граничных условий, отражающих, с одной, с одной стороны, физическую сущность моделируемых процессов, и, с другой стороны, ограниченность наших знаний о физической природе этих процессов;
- сложность проверки адекватности полученных результатов, а также их интерпретации в соответствии с терминологией, сложившейся в определенной предметной области, например, в теории ракетных двигателей [1].
На основе всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что более оптимальным решением, является гибридное использование классического подхода и CFD-технологии, которое позволит взаимно дополнить два метода и добиться лучших результатов.
Библиографические ссылки
1. Численное моделирование внутрикамерных рабочих процессов жидкостных ракетных двигателей на базе НК-33 с использованием CAE/PDM-систем [Электронный ресурс] : электрон, учеб. пособие / Н. В. Безменова, М. Е. Проданов, М. В. Силютин и др. ; Самар, гос. аэрокосм. ун-т. им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). URL: http://www.ssau.ru/files/education/uch_posob/Числен-ное%20моделирование-Безменова%20HB.pdf (дата обращения: 09.03.2016).
2. Портал выбора технологий и поставщиков TAdviser: CAE Системы инженерного анализа [Электронный ресурс]. URL: http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:CAE_Системы_инженерно-го_анализа (дата обращения: 09.03.2016).
3. Портал Википедия. Вычислительная гидродинамика [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Вычислительная_гидродинамика (дата обращения: 11.03.2016).
4. Портал Студопедия. История [Электронный ресурс]. URL: http://studopedia.su/5_164_ istoriya.html (дата обращения: 11.03.2016).
Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»
5. Васильев А. С., Суханов Ю. В. Некоторые тенденции развития систем моделирования эксплуатационных качеств изделий на ЭВМ и рынка этих систем [Электронный ресурс]. URL: http://ivdon.ru/uploads/article/doc/IVD_51_Vasiliev.doc_2366.doc (дата обращения: 11.03.2016).
6. Портал PLM Group Russia: SolidWorks Flow Simulation [Электронный ресурс]. URL: https://plm-group.ru/товары/программа/solidworks-flow-simulation (дата обращения: 11.03.2016).
7. Тимошева М. А. Имитационная модель гидродинамического радиального уплотнения. Актуальные проблемы авиации и космонавтики [Электронный ресурс] : тезисы А43 X Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2014 г., Красноярск): в 2 т. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии. Сообщения школьников / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2014. URL: http://www.sibsau.ru/index.php/nauka-i-innovatsii/nauchnye-meropriyatiya/materialynauchnykh-meropriyatij (дата обращения: 11.03.2016).
© Орешков М. А., Злобин В. Б., 2016
