ANSYS FENSAP-ICE

Моделирование процесса обледенения

С точки зрения безопасности, обледенение в процессе полета является важной характеристикой при проектировании воздушных суден, а также является очень сложным физическим явлением, которое чрезвычайно трудно повторить, даже проводя дорогостоящие физические испытания. Последние изменения в нормах и сосредоточение авиационной отрасли на конкретных проблемах, связанных с образованием кристаллов льда на большой высоте и переохлажденными большими каплями (SLD), стали выдвигать еще более высокие требования к проектированию и времени выхода на рынок новых самолетов и технологий.

Коммерческие воздушные судна совершают полеты на высотах, где неблагоприятные метеорологические явления, такие как облака с кристаллами льда встречаются достаточно редко и их можно избежать, но во время взлета и посадки самолетам приходится пересекать атмосферные слои, где неблагоприятные для полета условия могут возникать в самое неподходящие время. На низких скоростях и больших углах атаки, даже небольшое количество льда может значительно ухудшить аэродинамические характеристики крыльев и рулевых поверхностей. Поэтому коммерческие самолеты оснащены противообледенительными системами, которые должны быть сертифицированы для обеспечения безопасности полета при известных условиях обледенения.

FENSAP-ICE является ведущим трехмерным, передовым, сертифицированным программным обеспечением, позволяющим проводить точные расчеты аэродинамики и противообледенительных систем с видимым экономическим эффектом, учитывая все пять основных аспектов обледенения в полете:

  1. Воздушный поток
  2. Соударение капель и кристаллов льда
  3. Нарастание льда
  4. Ухудшение аэродинамических характеристик
  5. Тепловые противообледенительные системы

FENSAP-ICE совместим с достаточно большим количеством сеточных генераторов, поэтому зачастую можно повторно использовать сетки, уже созданные для аэродинамических исследований. Не имея существенных ограничений по геометрии, он применим к самолетам, вертолетам, беспилотным летательным аппаратам, реактивным двигателям, гондолам, датчикам и другим системам. В состав FENSAP-ICE входит модуль OptiGrid, который необходим для адаптации расчетной сетки и позволяющий поддерживать качество сетки на высоком уровне.

Возможности ANSYS FENSAP-ICE

FENSAP-ICE может рассчитать трехмерное нарастание льда, появление инея или ледяные образования произвольной формы на различных поверхностях самолета, при любом условии обледенения. FENSAP-ICE имеет встроенный графический интерфейс для облегчения выбора условий обледенения, которые содержатся в специальных приложениях С, D, O (приложения американских норм FAA). FENSAP-ICE позволяет смоделировать образование льда на крыльях, стабилизаторах, рулевых поверхностях, датчиках воздушных параметров, пропеллерах, лопатках турбореактивного двигателя и воздушных каналах, обтекателях, камерах и т. д., с целью оценки снижения аэродинамических характеристик. Например, моделирование образования льда на предохранительной сетке воздухозаборника может использоваться для того, чтобы рассчитать эффекты запирания потока. В состав FENSAP-ICE входят различные модели шероховатости, в том числе аналитическая модель, исключающая зависимость от эмпирических корреляций. Большие наледи в форме «рога» могут быть смоделированы в 2D и 3D постановке с использованием подхода, в котором выполняется серия стационарных расчетов на коротких временных интервалах. Расширенные модели обледенения позволяют смоделировать разрушения ледовых образований, которые происходят, когда температура торможения воздуха поднимается выше нуля.

Образование ледяных наростов различной формы

Образование ледяных наростов различной формы

Образование льда на крыльях, стабилизаторах и вращающихся частях приводит к ухудшению их аэродинамических характеристик. Ледяные наросты снижают подъемную силу, приводят к сваливанию самолета, уменьшают критический угол атаки, значительно увеличивают лобовое сопротивление, которое сложно преодолеть небольшим самолетам. Также ледяные наросты могут вызывать сильные вибрации винта вертолета, увеличивать запирание потока в решетке компрессорных лопаток турбореактивного двигателя и т. д. Даже образование нескольких миллиметров изморози достаточно для того, чтобы вызвать заметные изменения в аэродинамических характеристиках. Сильное нарастание льда на верхней поверхности крыла может привести к потере поперечной устойчивости, в то время как образование льда на горизонтальных стабилизаторах может вызвать сваливание самолета на хвостовую часть. Известны аварийные ситуации, которые происходили из-за обледенения самолета во время полета, и к сожалению, некоторые из них были со смертельным исходом. FENSAP-ICE может смоделировать аэродинамику воздушного судного с учетом ледяных образований, при этом позволяя изменять и адаптировать расчетную сетку, а также включать аналитически посчитанное распределение шероховатости льда. Полученные результаты можно использовать для того, чтобы определить на сколько снизятся аэродинамические характеристики частей самолета покрытых льдом.

Аэродинамические характеристики крыла при различных видах отложения льда

Аэродинамические характеристики крыла при различных видах отложения льда.

FFA (англ. Federal Aviation Administration) – Федеральное управление гражданской авиации США расширило требования сертификации в 2014 году, введя новое приложение O, описывающее два основных вида атмосферных осадков, приводящих к образованию крупных переохлажденных капель: морось и дождь со снегом. Крупные переохлажденные капли могут обходить противообледенительные системы, разработанные в приложении С, и поэтому являются очень опасными. FENSAP-ICE содержит расширенные модели и интуитивно понятный интерфейс, позволяющий смоделировать крупные переохлажденные капли.

Аналогичная графическая среда была разработана для приложения D, введенное в 2014 году FAA для обеспечения защиты от трудно обнаруживаемых кристаллов льда, образующихся на больших высотах в поле сильных конвекционных завихрений. FENSAP-ICE позволяет инженерам задать полное содержание воды, тем самым давая возможность смоделировать сложную физику образования кристаллов льда и их оседание на поверхности самолета.

Модуль FENSAP-ICE Turbo может точно предсказать очень сложное трехмерное обледенение, происходящие в многоступенчатом компрессоре. Наблюдения агентства по безопасности полетов показали, что из-за присутствия ледяных кристаллов на большой высоте, в двигатели самолета могут возникать вспышки пламени или происходить снижение тяги. Недавние исследования показали, что образование льда может произойти на лопатках компрессора низкого давления из-за присутствия в атмосфере небольшого количества капель (или их отсутствия), но достаточно большого количества кристаллов льда. Из-за сложности кинематических свойств кристаллы льда могут проникать во внутреннее пространство компрессора, где они начинают плавиться вследствие повышения температуры вдоль газового тракта и в конечном итоге прилипают к внутренним поверхностям двигателя, тем самым вызывая нарастание льда. Нарастание льда приводит к возмущению и запиранию воздушного потока, и как следствие снижению тяги и даже помпажу двигателя.

Образование льда на лопатках авиационного двигателя

Образование льда на лопатках авиационного двигателя.

Эффективность противообледенительных систем, которые в качестве источника тепловой энергии используют воздух, отобранный от двигателя и электрический ток может быть оценена с использованием модулей CHT3D и С3D, которые позволяют рассчитать сопряженный теплообмен между воздухом, водой, льдом и твердым телом. Расчетные воздушные области отделены от твердотельных или композиционных областей летательного аппарата, поэтому у пользователей имеется возможность использовать все CFD-решатели ANSYS. Для систем отбора воздуха проводится стационарный тепловой анализ, который позволяет определить наличие льда на защищаемой поверхности. Для расчета электротермических противообледенительных систем, которые в циклическом режиме подключают нагревательные элементы, необходимо проводить сопряженный тепловой анализ в нестационарной постановке, включая фазовый переход, анализ теплопроводности и стекание конденсата для того, чтобы точно предсказать количество растаявшего и вновь замерзшего льда. С FENSAP-ICE возможно проанализировать широкий спектр конфигураций противообледенительных систем.

Одна из основных проблем CFD заключается в том, что расчетные сетки должны быть созданы до того, как будет известно местоположение деталей решения. Порой даже опытным пользователям бывает очень сложно определить местоположение высоких градиентов переменных, и адаптировать сеточную модель в данном месте.

OptiGrid устраняет эту проблему, оценивая, а затем перераспределяя ошибку округления за счет выполнения четырех операций: загрубления, сгущения, замены или перемещения сеточных узлов.

Первые три операции ускоряют оптимизацию сеточной модели, но только операция перемещения сеточных узлов дает гарантию того, что расположения узлов, длины ребер, направления и соотношения сторон сеточных ячеек действительно будут соответствовать предъявляемым требованиям.

Точность превосходит затрачиваемые вычислительные мощности на сетках более высокого качества. Также на каждом шаге решения происходит оценка сеточной независимости решения и оптимизация сеточной модели.

Адаптация сеточной модели самолета

Адаптация сеточной модели самолета.