Аэродинамический расчет тела вращения при помощи программных продуктов ANSYS для ГК "Ростехнологии"

Задача: Проведение аэродинамического расчета тела вращения в ANSYS:  определение параметров аэродинамического нагружения для каждой заданной точки траектории, распределения температуры и давления по поверхности изделия, интегральных характеристик: продольная и поперечная составляющие аэродинамической силы, а также изгибающий момент. Исходными данными являлись координаты контрольных точек образующей изделия; траекторные данные в виде точек, соответствующих заданному моменту времени, высоте, числу Маха и углу атаки; степень черноты поверхности изделия; температура и давление атмосферного воздуха для заданных значений высоты определены в соответствии с ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная»

Решение: Расчетная область течения, окружающая поверхность изделия, представляет собой параболоид, усеченный двумя плоскостями. Для дискретизации расчетной области использовалась сетка (см. Рис.1), состоящая из гексаэдров. Сетка была построена блочным методом при помощи программного продукта ANSYS ICEM CFD. По сравнению с сеткой из тетраэдров и призм с аналогичным шагом такая сетка:

  • Снижает численную диффузию, повышая точность расчета
  • Улучшает сходимость, снижая время счета
  • Более трудоемкая при построении

В некоторых точках траектории было применено автоматическое сгущение в области скачка уплотнения.

  • Критерий сгущения – абсолютная величина градиента статического давления
  • Сетка «адаптируется» под решение, что позволяет сократить исходную размерность модели

 
Рис. 1. Сеточная модель расчетной области
 

Для определения интересующих данных производился расчет невязкого сжимаемого течения с теплообменом. С увеличением числа Маха влияние вязкой составляющей аэродинамической силы уменьшается по сравнению с составляющей от давления (волновым сопротивлением). Для данной задачи нецелесообразно моделировать вязкое течение, поскольку такой расчет требует значительно более подробной сетки, но не даст заметных отличий в результатах.

Математические модели:

  • Уравнения движения в консервативной форме
    • уравнения Эйлера (при расчете ламинарного течения – уравнения Навье-Стокса)
    • уравнение неразрывности
    • уравнение энергии
  • Уравнение состояния идеального газа
  • Кусочно-полиномиальная зависимость теплоемкости воздуха от температуры из библиотеки ANSYS Fluent.

Для численного решения систем дифференциальных уравнений в ANSYS Fluent используется метод контрольного объема. При решении данной задачи использовались следующие численные методы: 1) Тип решателя - неявный решатель по плотности , 2) Пространственная дискретизация - схема «против потока» второго порядка точности, 3) Вычисление потоков - Схема AUSM (Advection Upstream Splitting Method), 4) Вычисление градиентов - Ячеечный метод наименьших квадратов.

Результаты расчетов (см. Рис. 2) хорошо согласуются с экспериментальными данными, поэтому заказчик выбрал данное программное обеспечение для решения своих задач.

 
Рис. 2.  Результаты расчетов. Распределение температуры вблизи носка изделиям (слева) и давления на поверхности изделия и в его окрестности (справа)