Самостоятельные работы по АД


Введение
Для повышения качества подготовки специалистов высшей квалификации в области авиастроения необходимо сочетать общетеоретические курсы по аэрогидродинамике с практическим освоением студентами основных явлений и процессов, с которыми им придется встретиться в различных научных и прикладных задачах. Наиболее подходящим для этого методом являются полномасштабные эксперименты на аэродинамической трубе.
Однако при организации массового учебного процесса широкое использование экспериментальных методов сопряжено с принципиальными ограничениями, связанными в первую очередь со сложностью, уникальностью и высокой стоимостью современных установок и собственно эксперимента по воспроизведению гидро- и аэродинамических процессов во всем их многообразии.
Возможной альтернативой, предлагаемой в настоящем пособии, является проведение вычислительного эксперимента с использованием современного программного комплекса Solid Works. Это позволяет обучающемуся в максимально наглядном виде и условиях, приближенных к лабораторному эксперименту, ознакомиться с изучаемым процессом и сопоставить его с соответствующими теоретическими положениями.
SolidWorks (далее SW) – программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Работает в среде Microsoft Windows. Разработан компанией SolidWorks Corporation, ныне являющейся независимым подразделением компании Dassault Systemes (Франция). Программа появилась в 1993 году и составила конкуренцию таким продуктам, как AutoCAD и Pro/ENGINEER.
SW является ядром интегрированного комплекса автоматизации предприятия, с помощью которого осуществляется поддержка жизненного цикла изделия в соответствии с концепцией CALS-технологий, включая двунаправленный обмен данными с другими Windows-приложениями и создание интерактивной документации. Это легкое в освоении средство позволяет инженерам-проектировщикам быстро отображать свои идеи в эскизе, экспериментировать с элементами и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи. Комплексные решения SW базируются на передовых технологиях гибридного параметрического моделирования и широком спектре специализированных модулей.
В состав SW, начиная с 2012 года, входит модуль Flow Simulation, предназначенный для моделирования течения жидкостей и газов. Позволяет учесть широкий круг физических процессов: сжимаемость, турбулентность, массовые силы, теплообмен, многофазность и пр.
Модуль Flow Simulation идеально подходит для выполнения аэродинамических расчетов, поскольку с его помощью можно решать задачи внешнего обтекания различных тел потоком газа (воздуха). При этом визуализируется картина обтекания тела, которая может быть представлена в виде заливки, изолиний или векторного поля и, кроме этого, находится распределения давления и температуры по поверхности тела. Кроме этого, можно определить все силы и моменты, действующие на тело. Таким образом, в ходе численного моделирования решаются основные задачи, для которых и предназначен аэродинамический эксперимент.
Если не нужно детальное исследование аэродинамики конструкции и проектировщика интересует только картина обтекания, то проще вместо модуля Flow Simulation использовать приложение FloXpress, рассчитывающее траектории движения жидкости или газа. Это позволяет обнаруживать проблемные места в модели и устранить их еще до начала производства.
Самостоятельная работа №1
Исследование течения жидкости
Цель работы
Исследовать течение жидкости (воды) внутри канала шарового крана в системе SW. Выяснить, как поворот шара влияет на картину течения жидкости. Исследование выполнить с использованием двух инструментов – упрощенный анализ с помощью FloXpress и расширенный с помощью Flow Simulation.
Порядок выполнения работы
4817110130175Анализ течения жидкости с помощью инструмента FloXpress:
Запустить SW 2014
В правой части экрана перейти на вкладку «Ресурсы SW», выбрать пункт «Учебные пособия»
В открывшемся диалоговом окне «Учебные пособия SW» перейти в раздел «Проектирование и оценка конструкции» и там выбрать пособие «SW FloXpress»

Откроется окно «Учебное пособие по SW FloXpress»

Копируем папку «Program Files\SolidWorks Corp\SolidWorks\samples\tutorial\flowxpress\ball valve» в любое место, можно на рабочий стол. И в этой папке открываем файл сборки «ball_valve.sldasm»

Выполняем урок. Для перелистывания страниц используются ссылки внизу окна.
Сохраняем полученные результаты, т.е рисунки в формате *.jpg и текстовый отчет в формате *.docx. Закрываем FloXpress, нажав .
Далее необходимо повернуть рукоятку крана в другое положение, однако, не перекрывая при этом канал для жидкости. Для этого в дереве конструирования раскрываем деталь Handle (Рукоятка) и снимаем ограничение на поворот этой рукоятки, т.е. выбираем «Погасить» у сопряжения Angle.

После чего можно свободно поворачивать рукоятку с помощью команды «Вращать компонент» на вкладке «Сборка».

Поворачиваем рукоятку в новое положение, следим при этом, чтобы канал для жидкости не перекрывался полностью. Далее запускаем опять инструмент FloXpress и повторяем расчет, сохраняя полученные результаты.
Анализ течения жидкости с помощью инструмента SW Flow Simulation:
Сначала подключаем инструмент SW Flow Simulation. Для этого запускаем «Инструменты → Добавления» и там ставим галочки в двух местах.

Нажимаем ОК.
Появляется новая вкладка Flow Simulation.
Задание общих параметров проекта:
323278529210Запускаем Мастер проекта и в первом окне указываем имя нового проекта и при необходимости комментарии к нему. Нажимаем «Далее >».
323596031115Указываем систему единиц SI (m-kg-s). Нажимаем «Далее >».
323278522225Указываем тип задачи «Внутренняя», т.е. будем рассматривать течение внутри замкнутого объема. Для экономии вычислительных ресурсов замкнутые полости не учитываем. С этой же целью исключаем из рассмотрения теплопроводность в твердых телах, радиационный теплообмен, гравитацию и вращение. Мы можем так сделать из-за простоты решаемой задачи простая. Нажимаем «Далее >».
3232785186690
Указываем тип текучей среды – Water (Вода). Характеристики течения оставляем заданными по умолчанию. Нажимаем «Далее >».
323088017145В окне «Условия на стенках по умолчанию» ничего не изменяем, оставляем адиабатическую (теплонепроницаемую) и абсолютно гладкую стенку. Нажимаем «Далее >».
323088036830В окне «Начальные условия» задаются начальные давление, температура, скорость жидкости. Чем ближе начальные значения к конечным, тем меньше времени занимает расчет. Поскольку мы не знаем, какие у нас ожидаются конечные параметры, то просто оставляем все как есть и нажимаем «Далее >».
323278532385Наконец, в окне «Уровень разрешения» указываем требуемую точность вычислений. Уровень разрешения оставляем 3, а шаг вычислений указываем в поле «Минимальный зазор» равным 0,093 м. Нажимаем «Завершить».
Слева появляется еще одна вкладка «Flow Simulation дерево анализа», где задаются входные данные для расчета и куда будут выводиться полученные результаты (поскольку пока мы ничего не рассчитывали, то и результаты не загружены). Также здесь задаются границы расчетной области, т.е. объема, в котором будут производиться вычисления.

Задание граничных условий:
Теперь необходимо задать граничные условия, т.е. значения таких параметров как давление, массовый, объемный расход или скорость на входе и выходе из расчетной области.
Начнем с входа. Для этого в дереве анализа щелкаем правой кнопкой на «Граничные условия» и выбираем «Добавить граничное условие» в появившемся контекстном меню.

323278531750Слева появляется окно задания граничного условия. Сначала указываем поверхность для граничного условия, это будет внутренняя грань крышки Lid1. Чтобы точно указать эту грань, наводим курсор на нее, нажимаем правую кнопку и щелкаем «Выбрать другой».
429006029210В появившемся окошке левой кнопкой щелкаем на нужной грани (она подсвечивается на модели).
481393520955В области «Тип» выбираем «Расход/скорость» и «Массовый расход на входе».
В поле «Массовый расход» указываем 0.5 kg/s и нажимаем ОК .
В дереве анализа появился новый элемент «Массовый расход на входе 1».
45186608890Теперь задаем граничные условия для выхода из граничной области. Для этого также создаем для внутренней грани крышки Lid2 граничное условие, тип для которого выбираем «Давление» и «Статическое давление».
449008520955В дереве анализа появился еще один элемент «Статическое давление 1», а на модели шарового крана теперь можно видеть места втекания и вытекания жидкости из расчетной области (для большей наглядности они показаны стрелками).
Задание целей расчета:
Следующий шаг – это задание целей расчета. Они нужны для уменьшения времени на численное решение задачи. Указывая какой-либо параметр как цель расчета, мы тем самым указываем программе, какие параметр нужно определить с высокой точностью, а какими можно и пренебречь. Цели могут быть заданы для всей расчетной области (глобальные цели), для определенной точки (локальные цели), для поверхности (поверхностные цели) или же для выбранного объема (объемные цели).
Мы ограничимся заданием поверхностных целей. Для этого щелкаем правой кнопкой на «Цели» и в контекстном меню выбираем «Добавить поверхностные цели».

В качестве поверхности цели указываем элемент «Массовый расход на входе 1», т.е. внутреннюю грань крышки Lid1. И в таблице «Параметры» ставим галочку в столбце «Ср» (Среднее значение) строки «Статическое давление».

Нажимаем ОК . В дереве анализа появился новый элемент «ПЦ Среднерасх Статическое давление 1».
Запуск расчета:
Нажмите запустить . Появится диалоговое окно, где можно выбрать количество используемых процессоров для расчета. По умолчанию стоит метка «Загрузить результаты», т.е. результаты автоматически загружаются сразу после всех вычислений. Нажимаем «Запустить».

Появляется окно Солвера (Решателя), где производится мониторинг хода вычислений при решении задачи.

Решаемая нами задача довольно простая, поэтому расчет займет буквально несколько секунд. Поэтому нажмите «Приостановить» .
459486046990Нажмите «Вставить график целей» . В появившемся диалоговом окне укажите «ПЦ Среднерасх Статическое давление 1» и нажмите ОК.
Появится окно «График цели», где можно видеть как изменяется целевой параметр во время вычисления. Видно, что на 40-й итерации решение сошлось.

Теперь нажмите «Добавить предварительный просмотр». Появится окно

В этом окне выбирается плоскость, в которой будет расположен график (Plane 2), также может быть указан вид графика – заливка, изолинии или векторный. Выбираем заливку и нажимаем ОК. Появится такой график давления в горизонтальной плоскости.

Предварительный просмотр позволяет следить за изменением какого-либо параметра непосредственно в ходе вычисления, что позволяет более объективно оценивать решение.
Возобновите вычисление, нажав «Приостановить» еще раз.
Когда расчет завершится, закройте Солвер.
Просмотр полученных результатов:
Перед тем, как просматривать полученные в ходе расчета результаты, сделаем модель крана прозрачной. Для этого выполним «Flow Simulation → Результаты → Показать → Прозрачность» и установим прозрачность модели 0.75.
Построение картин в сечении:
Картина в сечении показывает распределение какого-либо параметра в плоскости. Картина в сечении может быть в виде контурного графика, изолиний или векторного поля или комбинацией этих трех способов, например, контурный график с векторами.
Для построения картины в сечении:
Щелкните правой кнопкой мыши по «Картины в сечении» и выберите «Добавить…»
В плавающем Дереве конструирования выберите плоскость Plane 2
Нажмите ОК

Получили картину распределения давления в горизонтальной плоскости вдоль канала.
По мере необходимости добавляются картины в других плоскостях, для дополнительных опций можно дважды кликнуть на цветной шкале в левом верхнем углу.
Построение картин на поверхности:
Перед их построением скроем картину на плоскости, для этого кликнем правой кнопкой на «Картина в сечении 1» и выберем «Скрыть».
Для построения картины на поверхности:
Щелкните правой кнопкой мыши по «Картины на поверхности» и выберите «Добавить…»
Выберите опцию «Использовать все поверхности»
Нажмите ОК
Получили картину распределения давления на всех поверхностях, контактирующих с жидкостью.

Построение траекторий потока:
Очень наглядные картины движения жидкости можно построить с помощью траекторий потока. Они показывают, как движутся струйки жидкости внутри канала. При этом для каждой струйки можно показывать изменением цвета как меняется по ее длине определенный параметр, например, давление или скорость.
Для построения траекторий потока:
Щелкните правой кнопкой мыши по «Траектории потока» и выберите «Добавить…»
Укажите «Массовый расход на входе 1», чтобы указать внутреннюю грань крышки Lid1
Укажите количество точек 20
Нажмите ОК

Если указать внутреннюю грань крышки Lid2, т.е. «Статическое давление 1», то картина изменится. Мы получили траектории движения 20 струек, втекающих и вытекающих из выходного отверстия. Это говорит о том, что на выходе из крана образуются своеобразные завихрения и водовороты.

Кстати, именно по этой причине в Солвере появлялось предупреждение «Возникновение обратного течения на границе»
Определение поверхностных параметров:
Поверхностные параметры используются, чтобы определить значения определенных параметров потока (например, давления, сил, температуры и т.д.) для какой-либо поверхности. Причем значения этих параметров представлены в табличной форме, где для каждого параметра указывается его минимальное, максимальное и среднее значение для участка поверхности.
Определим поверхностные параметры для входного отверстия нашего крана:
Кликните правой кнопкой «Поверхностные параметры» и выберите «Добавить…»
В дереве анализа Flow Simulation кликните «Массовый расход на входе 1», чтобы выбрать внутреннюю гранm крышки Lid1
В области «Параметры» выберите «Все»
Нажмите кнопку «Показать». Таблица с вычисленными значениями параметров появится внизу. Локальные параметры располагаются в левой части таблицы, а интегральные – в правой.

Нажмите ОК
Исследование другого варианта конструкции:
С помощью SW Flow Simulation можно легко исследовать разные варианты конструкции и выбирать среди них наиболее оптимальный и перспективный. Можно менять конструкцию как угодно – размеры деталей, их форму, добавлять новые детали и т.д.! Каждый новый вариант конструкции сохраняется как конфигурация проекта Flow Simulation.
В нашем примере мы добавим скругления к отверстию в шаре и посмотрим, как это изменит величину падения давления в кране.
Создание новой конфигурации проекта Flow Simulation:
В дереве ConfigurationManager кликните правой кнопкой «ball_valve Конфигурация(и)» и выберите «Добавить конфигурацию»

Укажите имя конфигурации Project 2
Кликните ОК
Создание новой конфигурации детали «Ball» (Шар):
В дереве конструирования кликните на детали «Ball» (Шар) и выберите «Открыть деталь» . При этом откроется новое окно «Ball.sldprt»
В этом окне в дереве конфигураций кликаем правой кнопкой на корневом элементе «Ball Configuration(s)» и выбираем «Добавить конфигурацию»

Назовите новую конфигурацию 1.5_fillet Ball и нажмите ОК
Создайте два скругления радиусом 1,5 мм в отверстии шара
Переключитесь опять на окно сборки, соглашаетесь Да с предложением перестроить сборку
Кликнете правой кнопкой на детали «Ball» и выбираете «Свойства компонента»

Внизу окна «Свойства компонента» меняете стандартную конфигурацию на новую и нажимаете ОК

В дереве конфигураций активируете конфигурацию Project 1, дважды щелкнув на ней
Клонирование проекта:
Выберите «Flow Simulation → Проект → Клонировать проект…». В поле «Конфигурация» укажите выбрать и затем щелкните на Project 2 и затем ОК

В появившемся окне выберите Да

Сейчас Project 2 – проект Flow Simulation, который мы выбрали, присоединен к проекту SolidWorks, содержащему измененную геометрию. Все входные данные также скопированы, так что нет необходимости снова задавать граничные условия и цели расчета. Все изменения в геометрии будут применяться к этому новому проекту Project 2, старый проект останется без изменений.
Для созданного проекта Project 2 также запускаем расчет Flow Simulation и сравниваем новые результаты со старыми.
Клонирование проектов в Flow SimulationВ предыдущем пункте мы решали задачу с измененной геометрией. Но иногда бывает нужно решить задачу с той же геометрией, но с другими параметрами потока жидкости.
Здесь мы проведем такое параметрическое исследование, изменив массовый расход жидкости:
Активируйте конфигурацию Project 1 в дереве конфигураций
Создайте копию проекта Project 1, выбрав Flow Simulation → Проект → Клонировать проект…»
450913560325Создайте новую конфигурацию Project 3, нажмите ОК
Flow Simulation создаст новую конфигурацию с теми же исходными данными. Мы только изменяем массовый расход на входе на 0.75 кг/с и заново запускаем расчет.
Контрольные вопросы
В чем преимущества численного эксперимента перед натурным и в чем недостатки?
Какие задачи решаются с помощью приложений Flow Simulation и FloXpress?
Каков порядок решения задач в приложении Flow Simulation? А в приложении FloXpress?
Для чего нужен Мастер проекта?
Что такое задача внутреннего обтекания? А внешнего?
Что такое граничные условия и для чего они задаются?
Зачем мы закрыли кран крышками с обеих сторон?
Какие бывают цели расчета?
Какие возможности есть у Солвера?
Почему в ходе численного решения задачи Солвер выдал предупреждение «Возникновение обратного течения на границе»?
Какими инструментами мы пользовались для визуализации картины течения?
Как определить силы и моменты, действующие на поверхности модели?
Как можно выполнять исследование разных вариантов конструкции?
Как можно исследовать одну и ту же конструкцию, работающую в разных условиях?

Самостоятельная работа №2
Исследование сопла ЛаваляЦель работы
Выполнить численное моделирование движения воздушного потока внутри сопла Лаваля.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
создать 3D модель сопла
выполнить продувку сопла с помощью SW Flow Simulation
проанализировать полученные результаты
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
4083050164465Сопло Лаваля (или сужающееся-расширяющееся сопло) представляет собой канал, суженный в середине, имеющий вид песочных часов. Служит для ускорения газового потока, проходящего через него, до скоростей выше скорости звука. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных двигателей.
Сопло было разработано в 1890 г. веке шведским изобретателем Гюставом де Лавалем.
Работа сопла основана на различных свойствах газового потока на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Скорость дозвукового потока будет увеличиваться по мере сужения канала, так как массовый расход является постоянным. Поток газа в в сопле Лаваля является изоэнтропным (энтропия газа примерно постоянна). На дозвуковых скоростях газовый поток является сжимаемым; звук (волна малого давления), будет распространяться через такой поток. Вблизи «горлышка» сопла, где площадь сечения наименьшая, локальная скорость газа становится звуковой (число Маха М =1) Как только площадь сечения сопла начинает увеличиваться, газ продолжает расширяться и газовый поток ускоряется до сверхзвуковых скоростей, где звуковая волна не проходит в обратную сторону через газ (М > 1).
Сопло Лаваля будет действовать лишь в том случае, если массовый расход через сопло достаточен, в противном случае сверхзвуковая скорость достигнута не будет. К тому же, давление газа на выходе из расширяющейся части сопла не должно быть слишком малым. Так как давление не может передаваться против сверхзвукового течения, выходное давление может быть значительно ниже давления окружающей среды в которую истекает газ, но если оно слишком мало, тогда поток перестанет быть сверхзвуковым, либо поток будет разделяться в расширяющейся части сопла, образуя нестабильный поток, который может «хлопать» в сопле, и вызвать его повреждения. На практике, давление окружающей среды должно быть не более, чем в 2,7 раза выше давления в сверхзвуковом газе, при этом условии сверхзвуковой поток сможет покинуть сопло.
Для математического описания движения газа используется уравнение состояния идеального газа и уравнение Эйлера. Из них можно вывести такое ключевое уравнение:
(1)
где величины и характеризуют относительную степень изменяемости по координате х плотности газа и его скорости соответственно. Причем уравнение (1) показывает, что соотношение между этими величинами равно квадрату числа Маха (знак минус означает противоположную направленность изменений: при возрастании скорости плотность убывает). Таким образом, на дозвуковых скоростях (М < 1) плотность меняется в меньшей степени, чем скорость, а на сверхзвуковых (M > 1) – наоборот. Как будет видно дальше, это и определяет сужающуюся-расширяющуюся форму сопла.
Поскольку массовый расход газа постоянен:
,
где A – площадь местного сечения сопла, то
.
дифференцируя обе части этого уравнения по х, получаем:
(2)
После подстановки из (1) в (2), получаем окончательно:
(3)
Из (3) видно, что при увеличении скорости газа в сопле знак выражения положителен и, следовательно, знак производной определяется знаком выражения .
Из чего можно сделать следующие выводы:
При дозвуковой скорости газа (M < 1), производная  – сопло сужается
При сверхзвуковой скорости газа (M > 1), производная  – сопло расширяется.
При движении газа со скоростью звука (M = 1), производная  – площадь поперечного сечения достигает экстремума, то есть имеет место самое узкое сечение сопла, называемое критическим.
423926048260Итак, на сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями.
Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление p снижаются, а скорость V возрастает
42379901437005Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию направленного движения. КПД этого преобразования в некоторых случаях (например, в соплах современных ракетных двигателей) может превышать 70%, что значительно превосходит КПД реальных тепловых двигателей других типов. Это объясняется тем, что рабочее тело не передаёт механическую энергию никакому посреднику (поршню или лопастям турбины). В других тепловых двигателях на этой передаче имеют место значительные потери. Кроме того, газ, проходя через сопло на большой скорости, не успевает передать его стенкам заметное количество тепловой энергии, что позволяет считать процесс адиабатическим. У реальных тепловых двигателей других типов нагрев конструкции составляет существенную часть потерь. Автомобильный двигатель, например, работает больше на радиатор охлаждения, чем на выходной вал.
Порядок выполнения работы
Создание твердотельной модели сопла в SW:
Порядок создания модели сопла:
Запустить SW
Создать новую деталь
Создать эскиз на плоскости «Справа»


Нарисовать эскиз
Замыкаем контур двумя отрезками
Рисуем сплайном контур сопла
Рисуем ось длиной 100 мм



Форма сплайна задается произвольно, главное, чтобы по форме контур сплайна был похож на сопло Лаваля.
С помощью команды «Повернутая бобышка/основание» создается модель сопла.

С помощью команды «Оболочка» из сплошной детали создаем тонкостенную

C помощью команды «Создание заглушек» с вкладки Flow Simulation ставим заглушки с обеих сторон сопла

Продувка сопла:
Последовательность продувки такая же, как в предыдущей работе.
Сначала с помощью мастера проекта задаются общие параметры численного эксперимента, такие как тип задачи (внутренняя), тип текучей среды (воздух, с большими числами Маха) и т.д. Большинство параметров остаются такими же, как они заданы по умолчанию.
Задаются граничные условия:
Вход: тип – «Расход/Скорость» и «Скорость на входе», величина скорости 200 м/с.
Выход: тип – «Давление» и «Давление окружающей среды».
Цели расчета можно не задавать.
Запуск расчета. Процесс расчета можно приостановить, чтобы понаблюдать за сходимостью решения.
Анализ полученных результатов:
Строятся следующие картины в сечениях:
скорости:

давления:

температуры

чисел Маха:

Картина давления на поверхности сопла:

Траектории потока:

Также средствами Flow Simulation можно построить графики, показывающие распределение какого-либо параметра вдоль оси, а потом экспортировать эти графики в MS Excel.
Предварительно строим осевую линию сопла как трехмерный эскиз . Длина осевой линии равна длине сопла, т.е. 100 мм.

График изменения скорости по длине сопла График изменения давления по длине сопла

График изменения температуры по длине сопла График изменения числа Маха по длине сопла


Контрольные вопросы
Что такое сопло Лаваля?
В каких устройствах сопло Лаваля нашло применение?
В чем принцип работы сопла?
Условия функционирования сопла?
На чем основывается математическое описание процессов, происходящих в сопле?
В чем физический смысл уравнений (1) и (3)?
Что такое докритический, критический и закритический участки?
Чему равен КПД сопла Лаваля?
Согласуются ли результаты решения с теоретическими данными? Показать на конкретных примерах.

Самостоятельная работа №3
Решение задач внешнего обтекания тел различной формы
Цель работы
Исследовать обтекание тел различной формы, но с одинаковым миделевым сечением. Построить картины обтекания и определить величины сил, действующих на тела. Выяснить, как форма тела влияет на величину силы сопротивления. Для исследования взять 5 тел: пластину, шар, пластину с хвостовым обтекателем, пластину с носовым обтекателем и каплевидное тело.
КраТкая теория
417576051435Сумма всех сил (сил давления и сил трения), возникающих при обтекании тела, называется полной аэродинамической силой Ra.
Точка приложения полной аэродинамической силы Ra называется центром давления (ц. д.).
Часть полной аэродинамической силы, перпендикулярная к направлению полета (н. п.), является подъемной силой Ya.
Часть полной аэродинамической силы Xa, параллельная вектору скорости набегающего потока, является силой лобового сопротивления.
На аэродинамические силы влияют различные факторы:
шероховатость обтекаемого тела;
форма обтекаемого тела;
площадь миделя;
положение обтекаемого тела относительно набегающего потока.
В данной работе рассматривается влияние на аэродинамические силы только одного фактора, а именно формы обтекаемого тела.
Согласно [1], если принять за единицу полную аэродинамическую силу Ra(а) (в данном примере полная аэродинамическая сила ‒ это, естественно, сила лобового сопротивления) пластинки, установленной в потоке (а), то для той же пластинки с носовым обтекателем (б) Ra(б) ≈ 0,25 Ra(a), т.к. носовой обтекатель обеспечивает постепенную деформацию струй в процессе обтекания.

а) б) в) г)
Для пластинки с хвостовым обтекателем (в) Ra(в) ≈ 0,75 Ra(a), так как хвостовой обтекатель способствует плавному расширению потока, завихренная спутная струя становится меньше. Для удобообтекаемого (каплевидного, веретенообразного) тела (г), образованного установкой на пластинку носового и хвостового обтекателей Ra(г) ≈ 0,05 Ra(a).
Порядок выполнения работы
Создаются в SW твердотельные модели пяти разных по форме тел, но с одинаковой площадью миделевого сечения.
Создаются следующие тела:
круглая пластинка

шар

пластинка с носовым обтекателем

пластинка с хвостовым обтекателем

каплевидное тело

Миделевое сечение у всех тел – это круг диаметром 100 мм.
Выполняется обдувка тел в модуле Flow Simulation:
Как и в предыдущей работе сначала с помощью мастера проекта задаются общие параметры, такие как тип задачи (внешняя без учета замкнутых полостей), тип текучей среды (воздух, ламинарное и турбулентное течение), скорость в направлении оси Z VZ = –100 м/с. Остальные параметры оставляем по умолчанию.
Граничные условия задавать не надо.
Цели расчета: Поверхностная. В качестве поверхности указываем направленную к потоку поверхность тела. В таблице «Параметры» ставим галочку в строке «Сила давления Z».
Запуск расчета. Процесс расчета можно приостановить, чтобы понаблюдать за сходимостью решения.
Анализ полученных результатов:
Для всех тел строятся:
картины в сечениях для правой плоскости:

картины на поверхности, показывающие распределение давления:

траектории потока, которые сохраняются как видеоролики.
В заключение, определяется, как поверхностный параметр, полная аэродинамическая сила, действующая на каждое тело, а также ее составляющие по координатным осям.
Сила лобового сопротивления, действующая на тело, сравнивается с теоретическими данными. При этом сила сопротивления круглой пластины принимается за единицу.
Объяснить получающиеся расхождения с теорией.

Контрольные вопросы
Что такое полная аэродинамическая сила?
Что такое центр давления?
Какие составляющие есть у полной аэродинамической силы?
Какие факторы влияют на аэродинамические силы?
Как влияют носовые и хвостовые обтекатели на лобовое сопротивление?
Почему каплевидное тело обладает наименьшим сопротивлением?

Самостоятельная работа №4
Исследование обтекания профиля крыла
Цель работы
Исследовать обтекание профиля крыла без учета его размаха, т.е. крыла бесконечного размаха. Выяснить, как меняется картина обтекания профиля при изменении угла атаки. Исследование провести для трех режимов – дозвукового взлетно-посадочного, дозвукового крейсерского и сверхзвукового полетов. Определить подъемную силу и силу сопротивления, действующие на крыло. Построить поляру крыла.
4156710184150КраТкая теория
Профиль крыла – сечение крыла плоскостью, параллельной плоскости симметрии самолета (сечение А-А). Иногда под профилем понимают сечение, перпендикулярное передней или задней кромке крыла (сечение Б-Б).
Хорда профиля b – отрезок, соединяющий наиболее удаленные точки профиля.
Размах крыла l – расстояние между плоскостями, параллельными плоскости симметрии и касающимися концов крыла.
Центральная (корневая) хорда b0 – хорда в плоскости симметрии.
Концевая хорда bK – хорда в концевом сечении.
Угол стреловидности по передней кромке χПК – угол между касательной к линии передней кромки и плоскостью, перпендикулярной центральной хорде.
Как было указано в предыдущей работе, полная аэродинамическая сила R раскладывается на подъемную силу Y и силу сопротивления X:

Подъемная сила и сила сопротивления определяются по похожим формулам:

где CY и СХ – коэффициенты подъемной силы и силы сопротивления соответственно;
ρ – плотность воздуха;
V – скорость тела относительно воздуха;
S – эффективная площадь тела.
В исследованиях обычно имеют дело не самими силами Y и Х, а с их коэффициентами CY и CX.
4315460254635Рассмотрим обтекание воздушным потоком тонкой пластины:
Если установить пластину вдоль потока (угол атаки равен нулю), то обтекание будет симметричным. В этом случае поток воздуха пластиной не отклоняется и подъемная сила Y равна нулю. Сопротивление X минимально, но не нуль. Оно будет создаваться силами трения молекул воздуха о поверхность пластины. Полная аэродинамическая сила R минимальна и совпадает с силой сопротивления X.
4309110-153670Начнем понемногу отклонять пластину. Из-за скашивания потока сразу же появляется подъемная сила Y. Сопротивление X немного увеличивается из-за увеличения поперечного сечения пластины по отношению к потоку.
430911041275По мере постепенного увеличения угла атаки и увеличения скоса потока подъемная сила увеличивается. Очевидно, что сопротивление тоже растет. Здесь необходимо отметить, что на малых углах атаки подъемная сила растет значительно быстрее, чем сопротивление.
429641061595
По мере увеличения угла атаки воздушному потоку становится все труднее обтекать пластину. Подъемная сила хотя и продолжает увеличиваться, но медленнее, чем раньше. А вот сопротивление растет все быстрее и быстрее, постепенно обгоняя рост подъемной силы. В результате полная аэродинамическая сила R начинает отклоняется назад.
4296410214630
И тут вдруг картина резко меняется. Воздушные струйки оказываются не в состоянии плавно обтекать верхнюю поверхность пластины. За пластиной образуется мощный вихрь. Подъемная сила резко падает, а сопротивление увеличивается. Это явление в аэродинамике называют СРЫВ ПОТОКА. «Сорванное» крыло перестает быть крылом. Оно перестает лететь и начинает падать
Покажем зависимость коэффициентов подъемной силы СY и силы сопротивления СХ от угла атаки α на графиках.

Объединим получившиеся два графика в один. По оси абсцисс отложим значения коэффициента сопротивления СХ, а по оси ординат – коэффициент подъемной силы СY.

Получившаяся кривая называется ПОЛЯРА КРЫЛА – основной график, характеризующий летные свойства крыла. Откладывая на осях координат значения коэффициентов подъемной силы CY и сопротивления CX, этот график показывает величину и направление действия полной аэродинамической силы R.
Если считать, что воздушный поток движется вдоль оси CX слева направо, а центр давления (точка приложения полной аэродинамической силы) находится в центре координат, то для каждого из разобранных ранее углов атаки вектор полной аэродинамической силы будет идти из начала координат в точку поляры, соответствующую заданному углу атаки. На поляре можно легко отметить три характерные точки и соответствующие им углы атаки: критический, экономический и наивыгоднейший.
Критический угол атаки – это угол атаки, при превышении которого происходит срыв потока. При этом СY максимально и ЛА может удерживаться в воздухе на минимально возможной скорости. Это полезно при заходе на посадку. Смотри точку (3) на рисунках.
Экономический угол атаки – это угол атаки, на котором аэродинамическое сопротивление крыла минимально. Если установить крыло на экономический угол атаки, то оно сможет двигаться с максимальной скоростью.
Наивыгоднейший угол атаки – это угол атаки, на котором отношение коэффициентов подъемной силы и сопротивления CY/CX максимально. В этом случае угол отклонения аэродинамической силы от направления движения воздушного потока максимален. При установке крыла на наивыгоднейший угол атаки оно полетит дальше всего.
Аэродинамическое качество крыла – это отношение коэффициентов CY/CX при установке крыла на наивыгоднейший угол атаки.

Порядок выполнения работы
Подбор профиля крыла:
Обширная библиотека авиационных профилей находится на сайте Иллинойского университета: http://aerospace.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.htmlЗдесь собрано база из примерно 1600 разнообразных профилей крыла. Для каждого профиля имеется его рисунок (в формате *.gif) и таблица координат верхней и нижней части профиля (в формате *.dat). База находится в свободном доступе, постоянно обновляется. Кроме того, на этом сайте имеются ссылки на другие библиотеки профилей.
Выбираем любой профиль и скачиваем *.dat файл к себе на компьютер.
Редактирование *.dat файла с координатами профиля:
Перед тем, как импортировать файл с координатами профиля в SW, его необходимо подкорректировать в Microsoft Excel. Но если напрямую открыть этот файл в Excel, то все координаты окажутся в одном столбце.
lefttop
Нам же необходимо, чтобы координаты X и Y профиля были в разных столбцах.
Поэтому мы сначала запускаем Excel, а затем открываем из него наш *.dat файл. В выпадающем списке указываем «Все файлы». В мастере текстов формат данных указываем – с символом-разделителем «Пробел».


Теперь X и Y координаты каждая в своем столбце:

Теперь удаляем строку 1 с текстом, строку 2 с посторонними данными и пустую строку 3. Далее просматриваем все координаты и тоже удаляем пустые строки, если они имеются.
Еще добавляем третий столбец для координаты Z. В этом столбце все ячейки заполняем нулями.
И смещаем всю таблицу влево.
Отредактированный *.dat файл должен выглядеть примерно так:

Сохраняем этот файл, как текстовый файл (с разделителями табуляции).
Создание профиля в SW:
В SW создаем новую деталь.
Запускаем команду «Кривая через точки XYZ» на вкладке «Элементы».
Откроется окно:

Нажимаем ОК и вставляем в документ кривую профиля крыла.

Если выдается предупреждение, что кривая самопересекается (это возможно для некоторых профилей), то нужно вручную в Excel отредактировать файл, чтобы устранить самопересечение.
Теперь эту кривую нужно преобразовать в эскиз. Для этого создаем на передней плоскости эскиз:

Запускаем команду «Преобразование объектов» на вкладке «Эскиз» и в качестве элемента для преобразования указываем нашу кривую профиля.
Поскольку исходная кривая очень маленького размера (хорда профиля всего 1 мм!), то с помощью команды «Масштабировать объекты» увеличиваем профиль в тысячу раз, чтобы значения аэродинамических сил более-менее соответствовали реальным.
Закрываем эскиз и с помощью команды «Вытянутая бобышка/основание» выдавливаем эскиз в твердотельную модель длиной 1000 мм. Выдавливать можно на самом деле на любую длину, все равно мы будем решать задачу двумерного обтекания.

Обдувка профиля в модуле Flow Simulation:
На необходимо выполнить обдувку полученного профиля в трех скоростных режимах: дозвуковом взлетно-посадочном (50 м/с), дозвуковом крейсерском (250 м/с) и сверхзвуковом (500 м/с) при разных углах атаки: –5°, 0°, 10°, 20°, 30°, 40°.
При этом необходимо построить картины в сечении для каждого случая и определить подъемную силу и силу сопротивления, действующие на профиль.
Таким образом, необходимо 18 раз выполнить расчет во Flow Simulation и заполнить такую таблицу:
Скоростной режим Сила, Н Углы атаки, град
–5 0 10 20 30 40
Дозвуковой
взлетно-посадочный,
50 м/с Y X Дозвуковой
крейсерский,
250 м/с Y X Сверхзвуковой,
500 м/с Y X Вращение крыла в SW выполняется с помощью команды «Переместить/копировать тела» .
Общие параметры проекта такие: тип задачи (внешняя без учета замкнутых полостей), тип текучей среды (воздух, ламинарное и турбулентное течение, большие числа Маха для сверхзвукового режима), скорость в направлении оси Х VХ = 50, 250 и 500 м/с. Остальные параметры оставляем по умолчанию.
В свойствах расчетной области указываем тип задачи – 2D моделирование.
Указываем цель расчета – поверхностная, ставим метки для средних скоростей по X и Y, а также для сил по X и Y.
В заключение, строятся 6 графиков – зависимости подъемной силы Y и силы сопротивления X от угла атаки α, а также 3 поляры крыла.
Контрольные вопросы
Что такое профиль крыла?
Что такое угол атаки?
Что такое размах крыла?
Чем обтекание крыла конечного размаха отличается от обтекания крыла с бесконечным размахом?
Что такое хорда крыла?
Какие бывают хорды у крыла?
Как определить подъемную силу и силу сопротивления (формулы)?
Как выглядят графики зависимости CY и CX от угла атаки α?
Что такое поляра крыла?
Какие характерные точки есть на поляре?
Что такое аэродинамическое качество крыла?

Приложенные файлы

  • docx 502260
    Размер файла: 6 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий