הבנה של CFD בעיצוב אוויר

Fluid Dynamics (CFD) הפך כלי חיוני בעיצוב וניתוח של ספינות אוויר ושלפוחית אוויריות ו-blimps. אלה כלי רכב קלים יותר אוויריים להסתמך מאוד על אינטראקציות אוויריות ואירודינמיקה כדי להבטיח יציבות, בטיחות ויעילות. טכניקות CFD מאפשרות למהנדסים לסימולציה ולייעל את התנהגותם בתנאים שונים ללא צורך באבטיפוסים פיזיים יקרים.

מושגים מודרניים, כגון ספינות אוויר היברידיות המייצרות מעליות גז מבולגן וצורה אווירודינמית, הביקוש אפילו סימולציות נאמנות גבוהות יותר. CFD מאפשר למהנדסים להעריך יחסי רמפה לשבריר, התפלגות לחץ, ורגע coefficients לעמוד על פני כל המעטפה הטיסה. Beyond the Transient CFD ללכוד vultding, תגובה שופכת, תגובה, ורגע משככי כאבים דרישות פיקוח קריטיות להישאר יציבים של כלי רכב יציבים.

קונטקסט היסטורי ואבולוציה של CFD עבור ספינות אוויר

השימוש בשיטות חישוביות לתכנון ספינת אוויר מתוארך בשנות ה-70 כאשר שיטות פאנל (שיטות יסוד ריבוניות) היו בשימוש לראשונה על זרימת פוטנציאל סביב hulls. מודלים מוקדמים הניחו זרימה בלתי מבוקרת, בלתי-ממדכאת וסיפקו הערכות סבירות של חלוקת לחץ, אך לא יכלו לחזות גרור או הפרדה גבולית.השנות ה-90 ראו את הצגתם של ריינולדס-עברי-נ'סנדרו (SRAN) למהנדסים, אפילו לאפקטים בעלי תכונות מחשבי-מתאים-מחשבים-מדומים-מדומים (NS) ואפקטים-מתאים-מדומים, ואפילו לא יכלו לשיטות הפעלה, ואפילו לשיטות עיבוד ראשוניות-מתאים-מתאים-מסלולאריות-מתאים-מתאים-מסלולאריות-מסלולאריות-מדומים (S) עם תכונות של ימינו) עם תכונות עיבוד-מסלולאריות-מסלולאריות-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מחדשניות (S) של ימינו, אפילו לשיטות עיבוד-מתאים-מתאים-מסוגריות-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים-מ

אבני דרך חשובות כוללות את התפתחותם של המקרים של FLT:0 NASA LTA (Lighter-Than-Air) CFD אימות CFD אימות מקרים אימות FLT:1 ואת העבודה של חוקרים באוניברסיטת שטוטגרט ומעבדת החלל הצרפתית (ONERA) על התעוררות סוערת מאחורי גופי ספינת אוויר.זה התרגילים קבע שיטות טובות ביותר עבור דור רשת, מודל מטריד, ותנאי גבול כי הם עדיין רלוונטי כיום.

שילוב של Equations and Numerical Methods

בלב כל סימולציה CFD הם משוואות Navier-Stokes, המתארות שימור של מסה, מומנטום ואנרגיה. עבור יישומי ספינת אוויר, הזרם הוא בדרך כלל תת-קולוני ובלתי-ממדכא (Mach < 0.3), אם כי ספינות אוויר היברידיות הפועלות בגובה גבוה יותר עלולות להיתקל באפקטים דחיסה.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר אתה הוא מהירות וקטור, p הוא לחץ, ⁇ הוא צפיפות, μ הוא דינמי מולקולות, ו g הוא האצה כבידה. עבור זרמים סוערים, משוואות נוספות יש לפתור עבור כמויות סוערות (k, ⁇ , ⁇ , וכו ') בהתאם למודל הנבחר דחיסות נפח (FVM) היא הגישה לשימור דומיננטי כי זה טבעי מחסומים חיוניים (ללא זעזועים) כגון זעזועים חדים) או מחסומים (NUM) על פני תאים קיצוניים (OSTS) הם דחוסים) או מחסומים (NUMLDL) למרות דחוסים) או מחסומים (NUMLDL) למרות מחסומים נדירים (NUMSTOSTOSTOSTOSTS) הם דחוסים) או דחוסים) הם מחסומים (NUMSTOSTOSTSTSTSTSTSTSTSTOSTSTSTS (NUMSTSTOSTS (N) עבור מחסומים (NUMSTOSTOSTS) אם כי הם דחוסים) עבור מודל (NUMSTOSTOSTS) אם כי הם דחוסים) על פני דחוסים) אם כי הם דחוסים) אם כי הם

שילוב זמן עבור סימולציות טרנסיות בדרך כלל משתמש תוכניות לא רצויות כמו אולר לאחור או שיטת Crank-Nicolson, המאפשרת צעדים גדולים יותר זמן מאשר שיטות מפורשות.מצב Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) עדיין מטיל מגבלות, במיוחד ליד קירות שבו משענות קנסות ליצור תאים קטנים.

דור גריד: הקרן של סימולציות

יצירת מרש חישובי סביב ספינת אוויר הוא משימה מיוחדת.הצורה בדרך כלל מוארכת עם יחס אורך גבוה למטר (יחס פניות 4-8), לעתים קרובות עם פינים, gondolas, ו propulsor ducts. הרשת חייבת לפתור את שכבת הגבול (y+ ⁇ 1 עבור RANS) תוך שמירה על ספירת תאים.

מבנה מול Unstructured Grids

  • (FLT:0)Structured (מבנים) רשתות: FLT:1 להציע אורטוקוניות גבוהה ו diffusion מספריים נמוכים.הם אידיאליים עבור צורות נקבוביות נקיות אך קשה לייצר סביב נספחים מורכבים.
  • (FLT:0) רשתות לא מבוססות:FLT:1Easier לייצר עבור גיאוגרפיות מורכבות, באמצעות tetrahedra, hexahedra, או תאים פוליhedral. מודרני פותרים (למשל, Ansys Fluent, Star-CC+) מאפשרים ליבות מעורבות.
  • (FLT:0) הקרטסיאן חתך מלאס: אנדרל 1 (FLT:1) מתפתח כחלופה חזקה לצורות אווירודינמיקה.הם דור רשת אוטומטית, אך עשויים לדרוש ספירות תאים גבוהות יותר באותו דיוק כמו רשתות מבוזרות גוף.

תחום סימולציה טיפוסי משתרע על פני הזרם ו-20-30 אורך במורד הזרם כדי למזער את ההשפעה של גבול רחוק שדה.שכבות עם 15-30 תאים prisיים ממוקמים על פני השטח, עם שיעורי צמיחה של 1.2-1.3. לימודי עצמאות גריד הם חובה: לפחות שלוש רשתות (קורקזה, בינוני, בסדר) נבדקו, ואת מדד Convergence Grid (GCI) הוא LT0: 1.ALT 1A LT 1 (קומטר, בינוני, בינוני, בינוני, בסדר) הוא 1.

אפשרויות ל-Airship Flows

Turbulence ממלא תפקיד דומיננטי בגרחת ספינת האוויר ודינמיקה ערה.צורת הגוף של הושע גורמת ל ⁇ לחץ שלילי שמובילים להפרדה ולמבנה מערבול.

ריינולדס-ברד נאוייר-סטוק (RANS)

  • (ב) ⁇ :0) סטוארד k-ε:FLT:1; רובוסט עבור זרימה מחוברת אך עני בחיזוי הפרדה על גופים מעוקלים.
  • (בלטינית:0) ⁇ SST (Menter): velph:1 , בלירות k- ⁇ ליד קירות עם k-ε בשכבות Shear חינם.רחבה בשימוש עבור ספינות אוויר כי הוא ללכוד הפרדה על גוף הפט בצורה סבירה.
  • (ב) מודל חד-משמעי (FLT:0) , יעיל ומותאם לתעופה.טוב לזרמים מחוברים או נפרדים במקצת; פחות מדויק להפרדה מסיבית.

שיטות לפתרון

  • <חזק>Large Eddy Simulation (les): פותר eddies בקנה מידה גדול ישירות, מודלים רק בקנה מידה subgrid. מספק פרטים מתעוררים מצוינים אבל דורש רזולוציית רשת גבוהה (תאים) וצעדים קטנים מאוד. מעשי עבור Re < 106 על גבי אשכולות מודרניים.
  • (ב) [15] , ⁇ אדדי (DES): ⁇ (DES): 1:1 היברידית RANS-les, באמצעות RANS בשכבות גבול מחוברות ושכבות באזורים נפרדים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מחקרים אימות עבור ספינת האוויר של חברת אקרון ו-Zppelin NT מודרניים הראו כי k- ⁇ SST צופה גרור הכולל בתוך 5 עד 10% של נתוני מנהרה רוח, בעוד DES מפחית את השגיאה בפרופילי מהירות מתעוררים מתחת ל-3%.

תנאים חמורים והגדרת סימבול

מפרט תנאי גבול תקין הוא קריטי לתוצאות מציאותיות.הגדרות סטנדרטיות כוללות:

  • (FLT:0) Inlet (הרחבה בlet): פרופיל מהירות אחיד עם אינטנסיביות של זעזועים (%-5%) ויחס מולטי (1–10) לטיסה אטמוספירית, פרופיל רוח לונארית עשוי לשמש כדי לדמות אפקט קרקע.
  • (הדגשה:0Outlet): לחץ סטטי 1 (לחץ על רצף:1) בתנאי זרימה לאחור צריך לאפשר אימון; חכם לציין כמויות סוערות עבור זרימה לאחור כדי למנוע פיזור.
  • (ב) ⁇ (לא slip Wall): מהירות אפס 1:1 ביחס לפני השטח.אם ספינת האוויר חופשיה לנקז או ל-Heave, העברת רשתות mesh או overset נדרשים (ראה סעיף 2.7).
  • (ב) ,0) ,Symmetry: 1 (FLT:1 רק אם הגיאומטריה והזרימה הם סימטריים (yaw=0), עבור חקר חוצה או תמרון, יש לשקוע הגיאומטריה המלאה.
  • (FLT:0)Far-field (freestream): FLT:1 עבור אווירודינמיקה חיצונית, Riemann invariants או תנאי גבול אופייניים למנוע השתקפות גל.

קמפיינים סימבוליים מתחילים בדרך כלל עם מצב יציב של NS בזווית אחת של התקפה, ואז להתקדם לרוץ עם oscillations המגרש (למשל, 5 מעלות amplitude at 0.5 Hz) כדי להעריך לחות דינמי. קונורגנס נשפט על ידי ניטור וגרור coefficients, שאריות נופל מתחת 10-4, ויציבות מתחת 0.1%.

ניתוח מצב נגד Steady-state Analysis

סימולציות של Steady-state RANS מספקות מבט ראשון לא יעיל על חסכוניים וחלוקות לחץ אוויריות.עם זאת, ספינות אוויריות לחוות תופעות לא יציבות משמעותיות הדורשות ניתוח טרנזיט:

  • (FLT:0)Vortex לשפוך מן ההילה:FLT 1 בשעה ריינולדס מספרים אופייניים לספינת אוויר (0.6–107), ההתעוררות מכילה vortices משנה הגורם לכוחות צד מתחלפות.
  • (FLT:0) תגובה מטרידה ומטרידה: ראט' 1 ( Airships) הם גדולים ואטים-responding; transient CFD עם שיטות eddy סינתטיות או תנאי זמן מנוחה משמש כדי לטענות גורים עבור עיצוב מבני.
  • (FLT:0) סטיות פני השטח של פלס: שורת 1 ( Actuation of Elevators and rudders) מייצרות רגעים אווירודינמיקה חולפים.הזיזו mesh או מסלק טכניקות ממשק ללכוד את שדה הלחץ הבלתי יציב.
  • (FLT:0 דינמיקה גז בין-לאומי: 1) עבור המעטפות עמידות בלחץ, זוגות transient CFD הזרם החיצוני עם הליתום הפנימי או נפח מימן באמצעות גישה אינטראקציה מבנית נוזלית (FSI).

גודל שלב הזמן נבחר לפתור את התדירות הגבוהה ביותר של עניין.עבור vultex לשפוך, צעד זמן המתאים 0.01-0.02 של תקופת השופכה (מספר סטראול -0.2 מבוסס על קוטר הושע) הוא טיפוסי.כל שלב עשוי לדרוש 10-20 קריטריונים לדיוק זמני מסדר שני.

עיצוב אוויר: Case Studies

רכבי אוויר היברידיים (HAV) Airlander 10

Airlander 10, ספינת אוויר היברידית המשלבת מעלית רוויה עם מעלית אווירודינמית מן ההמולה שטוחה, עבר אופטימיזציה CFD נרחב מהנדסי DES כדי להעריך את האינטראקציה בין הוש לבין ארבעת הפינים, צמצום טרימגור על ידי 12% באמצעות זוויות finentreient סימולציה גם הודיע על העיצוב של ה-DVired cts למזער רטיקולקציבת ונחמה במהלך הנחיתה אנכית.

לוקהיד מרטין P-791

P-791 של לוקהיד מרטין הסתמכה בכבדות על CFD כדי לחדד את צורת ה- 3-lobe שלו.המטרה הייתה למקסם את יחס המעלית-ל-דראג' תוך שמירה על משקל מבני בתוך גבולות.מחקרים פארמטריים משתנים רוחב לוב ויחס קנסות נעשו באמצעות משרות אוטומטיות ו- RANS פותרים, תוך מתן עיצוב סופי עם 18% נמוך יותר מהתפיסה הראשונית.

‪Zppelin NT

NT Zeppelin NT (Neue Technologie) למחצה קשיחה משתמשת מסגרת lattice בתוך המעטפה. CFD הועסק כדי לחקור את ההשפעה של המסגרת על גרור חיצוני ועיצוב הסדר דחף 4 ducted. Simulations של 360 מעלות otw גורף התאפשר מהנדסים לכמת שולי יציבות צולב, בסופו של דבר מוביל להדגמה הסמכה כי פגשה EASA (סוכנות בטיחות אווירית) .

דוגמאות אלה מדגישות כיצד CFD מפחית את מספר בדיקות מנהרות הרוח וניסויים בטיסה, תוך קיצור מחזורי הפיתוח בשנים עד חודשים.

Fluid-Structure Interaction (FSI) ו-CFD Coupling

ספינות אוויר מודרניות לעתים קרובות תכונה מעטפות גמישות כי רפורמות תחת עומס אווירודינמיקה. שינויים בלחץ מן תמרון יכול לגרום בצורת ה-hull לשנות, אשר בתורו משנה את זרימת האוויר - הפיכה דו-כיוונית דו-כיווני. CFD-FSI סימולציות לפתור את משוואות הנוזל בו-זמנית עם מנקה מבנית (למשל, שיטה סופית עבור המעטפת membrane).

במקרה של עומס טיפוסי (למשל, 15 מ' / s gust), המעטפה דה סטה עשוי להגיע כמה אחוזים של קוטר ההילה. התעלמות של עיוות זה יכול יתר על המידה לגרור על ידי 8 עד 10% ו mispredict יציבות נגזרים.

אימות ואימות

שום סימולציה של CFD היא אמינה ללא אימות נגד נתונים ניסיוניים.מקרים של אימות סטנדרטי עבור ספינות אוויר כוללים:

  • (FLT:0)Body of Revolution with tails:cioFLT:1) השוואות בין בדיקות מנהרות רוח במספרים ובזוויות שונות של התקפה.
  • סקרי סקרים של PIV (Particle Image Velocimetry): מהירויות 1 ופרופילי אנרגיה קינטית מטרידים מטה הזרם של ה-Hol.
  • (ב) ,0) כוח ומדכאות: 1FLT:1 ו-Ratch Coefficients לעומת זווית התקפה, עם מגבלות אי ודאות.
  • (FLT:0Ground Effect Studies: FLT:1 Airships לעתים קרובות לפעול ליד הקרקע במהלך ההמראה / נחיתה; נתוני אימות קיימים עבור גוף זרקור בניקוי קרקעי משתנה.

סדרת "ה-AIAA CFD דרגו את תחזית החיזוי" כללה גוף אווירי כללי (הגוף של LTA) כמקרה מבחן, מתן רשתות ותוצאות של קריטריונים, לאחר תוכנית V&V שיטתית – התכנסות, התכנסות הדרגתית, אימות מודל - היא הדרך היחידה להבטחת תוצאות.

עלויות Computational Cost and High-Performance Computing (HPC)

סימולציה טיפוסית של ספינת אוויר CFD באמצעות RANS על 8-16 ליבות לוקח 2-4 ימים למצב יציב ו 1-2 שבועות עבור ריצות חולפות. DES ו- LES דורשות הזמנות של משאבים גדולים יותר: ספינת אוויר בקנה מידה מלא DES על 500 ליבות עשוי לרוץ במשך חודש.

  • (FLT:0) מספר הסקאלה של ריינלדס: מודלים מנהרה ברוח 1 לרוץ לעתים קרובות ב- Re0.5 נמוך במקום 107). CFD יכול לדמות Re בקנה מידה מלא, אבל מודלים סוערים יש לאמת עבור ה-Re העליון.
  • (FLT:0) דומיין דה-קופוזיציה ומקבילות MPI:IRLT 1:1 , 1 פתרונות מודרניים בקנה מידה ביעילות עד אלפי ליבות.
  • (FLT:0)GPU האצה: 1FLT:1 Solvers כמו Ansys Fluent ו- OpenFOAM תומכים כעת ב- GPUs, השגת מהירות 2-4x על פני CPU-רק רץ עבור שיטות מפורשות.
  • מודלים מסדרה (ROM): ההרחבה 1 (Ral): מודלים של הפרדה שנבנו מצילומים גבוהים של CFD מאפשר חקירה מהירה של חלל העיצוב בחלק מהעלות.

פלטפורמות מחשוב ענן (AWS, Azure, Google Cloud) יש גישה דמוקרטית ל-HPC, המאפשרות לחברות קטנות לבצע את CFD שהיה פעם התחום של חברות תעופה גדולות.

כיוונים עתידיים: Machine Learning and Real-Time Simulation

הגבול הבא ב-CFD עבור ספינות אוויר כרוך בשילוב למידת מכונה (ML) כדי להאיץ סימולציות ולשפר את הדיוק.

  • (FLT:0) מודלים של הפרעות מונעות נתונים: ניב 1 (Nuralרשתות נילי מאומן על DNS נאמנות גבוהה או נתונים les יכול להחליף אפקטיביות סגר אמפירית, שיפור התחזיות עבור זרימה נפרדת.
  • אופטימיזציה מבוססת FLT:0Surrogate: FIRLT:1 , אלגוריתמים ביולוגיים בשילוב עם CFD-ROM מאפשרים מאות של עיצובים בשבריר מהזמן.
  • (FLT:0) תאומים דיגיטליים בזמן אמת: FLT:1 , coupling מודל CFD פשוט (למשל, שיטת פאנל המוגברת על ידי תיקונים ב-ML) עם נתוני חיישן חי יכול לאפשר לטייסים לראות עומסים אווירודינמיקה מיידי במהלך הטיסה.
  • (FLT:0) רשתות עצביות בעלות מודעות (PINNIR): 1FLT:1 ישירות פתרון משוואות Nvier-Stokes עם אדריכלות רשת עצבית, עקיפה על ידי עיבוי מסורתי.עדיין ניסיוני, אך מציג הבטחה למיזוג אווירי אוויר יציב אוויר אוויר אוויר אוויר אוויר אווירי אוויר אוויר אוויר.

בנוסף, פיתוח קוד פתוח (OpenFOAM, SU2) ממשיך לדחוף יכולות, עם מאמצי הקהילה ליצור מקרים סטנדרטיים של בדיקת ספינות אוויר.שילוב של CFD עם סימולציות מבניות, תרמיות ומניעה במסגרת אופטימיזציה רב תחומית (MDO) יהיה סטנדרטי בתוך העשור הבא.

מסקנות ו- Outlook

טכניקות CFD הפכו את ספינת האוויר ואת עיצוב blimp מן כלי רכב ניסיוני-טרור משמעת הנדסה המונעת נתונים.מ- RANS קבוע עבור sizing מוקדם כדי transient DES עבור חיזוי, נאמנות של סימולציות ממשיכה להגדיל את האתגרים העיקריים - עלות חישובית, מודל טורחות, אימות - אזורים פעילים של מחקר, אבל המסלול הוא פתוח יותר, כמו גם מודלים מתקדמים של הנדסה, הופך להיות זמין יותר, כמו גם מודלים מתקדמים של תאים מתקדמים.

כדי להישאר נוכחי, על מתרגלים לעקוב אחר פרסומים מן ה-FLT:0 American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) ⁇ FLT:1 ואת העבודה המתמשכת של הקהילה FLT:2LTA CFD (FLT 3) כמו הטכנולוגיה הבוגרת, אנו עשויים לראות ספינות אוויר לחזור לשמיים עם ביצועים ורמת בטיחות שלא ניתן להעלות על הדעת.