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

Введение

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.

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

2. Собственно задачу многопараметрической оптимизации.

Локальный отрыв Локальный отрыв 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». 2

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 применительно к данной задаче).

(а именно, адаптация методов оптимизации 3

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) 4

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.

5

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.

6

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.

7

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 .

8

Основные этапы и сроки выполнения работ

1. Проведение расчётно-экспериментальных работ по валидации моделей турбулентности, турбулентности.

учитывающих переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный и нестационарных моделей 2. Совершенствование методики многопараметрической оптимизации применительно к профилям и отсекам многоэлементных крыльев.

Разработка методики оптимизации поверхностей элементов этих крыльев. Разработка метода перестроения сеток в оптимизации.

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

2013г.

2014г.

2015г.

9

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.

10

Спасибо за внимание!

11