Разработка численного метода оптимизации параметров взлётно-посадочной механизации крыльев перспективных самолётов

на основе нестационарных осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса

Руководитель работы: к.т.н. А. Г. Румянцев

2

Введение

Задача оптимизации разбивается на две подзадачи:1. Валидацию используемых методов расчёта применительно к задаче обтекания многоэлементного профиля и крыла.2. Собственно задачу многопараметрической оптимизации.

Особенности задачи оптимизации механизированных профилей:1. Большое число варьируемых параметров (форма закрылка и основного профиля в местах их сопряжения, относительные размеры отклоняемых элементов, углы отклонения и расположение этих элементов относительно основной части профиля).2. Обтекание крыла с отклонённой взлётно-посадочной механизацией носит сложный характер:— сильное взаимное влияние элементов;— во всём диапазоне углов атаки могут возникать отрывы на верхних поверхностях элементов, при этом отрывные зоны имеют развитый пространственный характер;— числа Рейнольдса на элементах механизированного крыла заметно различаются.3. Описание таких сложных течений возможно лишь на базе полных уравнений аэродинамики — уравнений Навье-Стокса. В то же время современные методы расчёта осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса с различными моделями турбулентности имеют определённые ограничения.

Работа является продолжением цикла работ по теме «Механизация» выполненных в обеспечении Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года».

Локальный отрыв

Локальный отрыв

3

Цели исследования

1. Обоснование выбора модели турбулентности:

— физически адекватно описывающей процессы, происходящие при обтекании

механизированного профиля и крыла;

— с достаточной точностью рассчитывающих распределённые и интегральные

аэродинамические нагрузки, особенно в области критических углов атаки и при наличии

больших отрывных зон на элементах многозвенного профиля;

2.Совершенствование методов оптимизации формы и положения элементов

многоэлементного профиля и крыла с использованием программных пакетов

вычислительной аэродинамики (а именно, адаптация методов оптимизации

применительно к данной задаче).

4

Анализ мирового уровня: методы расчёта

Методы расчёта обтекания механизированных профилей и крыльев:

стационарные и нестационарные осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса.

Применяемые модели турбулентности:

Spalart-Allmaras;

Различные варианты модели k-e (RNG, Relizable),

k- w SST — shear stress transport, Menter (модель переноса касательных напряжений)

EARSM — Explicit algebraic Reynolds Stress Models (явная алгебраическая форма уравнения

переноса Рейнольдсовых напряжений);

SAS — Scale-Adaptive Simulation;

и др.

(без и с учётом перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный)

5

Анализ мирового уровня: методы оптимизации

Методы оптимизации разбиваются на две категории:

1. Методы, использующие раздельное решение задачи обтекания и задачи оптимизации.

В данном случае для обеих задач можно использовать различные решатели, методы и

пакеты программ (включая программы с открытым кодом или собственной

разработки).

2. Методы, использующие совместное решение задачи обтекания и задачи оптимизации

— Adjoint method (A. Jameson).

(+) Наиболее совершенный метод, обладает максимальной сходимостью, но требует

наличие собственного решателя и громоздких преобразований уравнений.

(-) Для каждой модели турбулентности необходима модификация дополнительной

(adjoint) системы уравнений.

6

Пути решения поставленной задачи

1. Проведение валидации нестационарных моделей турбулентности и моделей

учитывающий ламинарно-турбулентный переход применительно к задаче обтекания

механизированных отсеков крыльев (профилей) в широком диапазоне углов атаки и

скоростей потока на базе сопоставления с экспериментальными данными,

полученными при продувках в аэродинамических трубах.

2. Совершенствование методов оптимизации механизированных крыльев (профилей)

при наличии большого числа параметров.

Оптимизация формы поверхностей элементов механизации.

Выбор способа перестроения сеток при проведении оптимизации.

7

Потребные ресурсы

Вычислительная техника для проведения расчётов.

Высокопроизводительный кластер на 10-40 TFLOPS.

На данный момент имеется:

несколько высокопроизводительных серверов с общей производительностью

около 1-1,5 TFLOPS.

доступ к кластеру ССКЦ в Академгородке.

Экспериментальные работы.

1. Стенд для проведения испытаний отсеков крыльев

в аэродинамической трубе Т-203 СибНИА.

2. Миниатюрные датчики давления.

3. Термоанемометрические датчики.

4. Различные методы визуализация обтекания.

8

Технологии

Программное обеспечение необходимое для проведения расчётов.

1. Пакеты программ ANSYS FLUENT v14 и NUMECA.

2. Среда программирования MICROSOFT VISUAL STUDIO, компилятор INTEL VISUAL

FORTRAN, а также некоторые библиотеки и утилиты.

Экспериментальные работы.

Методика сопоставления расчётных и экспериментальных данных.

9

Основные этапы и сроки выполнения работ

1. Проведение расчётно-экспериментальных работ по валидации моделей турбулентности, учитывающих переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный и нестационарных моделей турбулентности.

2. Совершенствование методики многопараметрической оптимизации применительно к профилям и отсекам многоэлементных крыльев. Разработка методики оптимизации поверхностей элементов этих крыльев. Разработка метода перестроения сеток в процессе оптимизации.

3. Совершенствование методики многопараметрической оптимизации применительно к проектированию механизированных крыльев перспективных ЛА.

2013г.

2014г.

2015г.

10

Ожидаемые результаты

1. Сокращение сроков проектирования механизации крыла в 3-4 раза.(в частности, уменьшения числа испытаний в аэродинамических трубах)

2. Уменьшение стоимости работ проектирования механизации крыла.

3. Повышение точности получаемых результатов в широком диапазоне режимов полёта, вплоть до критических углов атаки.

Соответствие выбранной тематики Гос. программе «Развитие гражданской авиации»

Результаты работы могут быть использованы при проведении работ по проектированию механизации крыльев пассажирских и транспортных самолётов:— самолёта 2020;— самолёта SSJ-NG;— модификации самолёта МС-21;— самолёта СДС;— самолётов малой авиации.

11

Спасибо за внимание!