Mgr inż. Wojciech Chajec Pracownia Kompozytów, CNT Mgr inż. Adam Dziubiński Pracownia Aerodynamiki Numerycznej i Mechaniki Lotu, CNT SMIL

Transkrypt

1 Mgr inż. Wojciech Chajec Pracownia Kompozytów, CNT Mgr inż. Adam Dziubiński Pracownia Aerodynamiki Numerycznej i Mechaniki Lotu, CNT SMIL

2 We wstępnej analizie przyjęto następujące założenia: Dwuwymiarowość przepływu Niestacjonarność obliczeń Obliczenia odbywają się w taki sposób, że dla przyjętego kroku czasowego obliczane jest każdorazowo pole przepływu. Zagadnienie jest zagadnieniem początkowym, więc pierwszym przybliżeniem jest wynikowe pole przepływu z poprzedniego kroku. Dwuwymiarowość kinematyki ruchu: Na ciała działają tylko składowe sił w płaszczyźnie ruchu i składowe momentów prostopadłe do płaszczyzny ruchu.

3 Przyjęto następujący przebieg prac: 1. Otrzymanie i sprawdzenie procedury całkującej ciśnienia i siły styczne po powierzchni ciała. 2. Sprawdzenie czy możliwa jest symulacja przepływu z ruchem zadanym kinematycznie w celu zapewnienia wyników przebiegu sił aerodynamicznych w czasie, gdyby symulacja dynamiczna z jakichś powodów okazała się niemożliwa. W celu sprawdzenia możliwości i ograniczeń software-u co do symulacji układu dwu ciał poruszających się względem siebie oraz w przestrzeni.

4 Przyjęto następujący przebieg prac: 3. Otrzymanie i sprawdzenie procedury symulującej ruch płaski pod wpływem sił zewnętrznych 4. Symulacja właściwa układu dla wybranych prędkości lotu. Przy użyciu własnego modelu ruchu z węzłami zastąpionymi układem sprężyn. Pominięto w niniejszym opracowaniu ze względu na zbyt duże tłumienie modelu i nieadekwatność wyników Z zastosowaniem macierzy modalnej, zawierającej współczynniki tłumienia dla wszystkich postaci drgań. 5. Analiza wyników 6. Podsumowanie prac i sprawozdanie

5 Procedura całkująca pracuje na takim zestawie danych, jak na rysunkach poniżej. W każdej komórce siatki mamy informację na temat ciśnienia (a) i prędkości (b). Interesują nas tylko te komórki, których ściana styka się z ciałem opływanym a) b)

6 W pracy wykorzystano możliwość użycia własnych procedur wewnątrz solvera CFD. Procedury mają dostęp do danych obliczeniowych i mogą definiować ruch elementów siatki Składowe sił i momentów są sumowane (całkowane) po konturze omywanej bryły. Oznaczenia kolorystyczne na rysunku: Siła styczna Siła ciśnieniowa Przyrost momentu od tych sił W celu uzyskania momentu w odniesieniu do wybranego punktu, np. środka ciężkości bryły, ¼ cięciwy czy też punktu zamocowania steru, obliczany jest również wektor wodzący między wybranym punktem odniesienia a środkiem powierzchni elementarnej.

7 Wektor siły zadawanej na ściance płynowi jest czytany z warunku brzegowego, odwracany (zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona siły styczne są siłami reakcji) i sumowany po konturze w celu uzyskania składowych od siły stycznej. Siły pochodzące od ciśnień otrzymuje się je mnożąc wartość ciśnienia przez wektor pola o następujących własnościach: długości równej polu powierzchni ścianki, kierunku prostopadłym do powierzchni ścianki zwrocie do środka bryły Jedna ze zdefiniowanych przez producenta komend makra pozwala na uzyskanie tego wektora automatycznie. Siły pochodzące od tarcia są trudniejsze do otrzymania ze względu na to że są warunkiem brzegowym, wartością zadawaną komórce płynu na jednej z jej ścianek.

8 Przedmiotem badań jest segment skrzydła o profilu NACA0009 wyposażony w klapę. Oś klapy znajduje się na 70% cięciwy. Model jest zawieszony na mechanizmie umożliwiającym ruch pionowy. Sam model zawieszony jest wahliwie na 25% cięciwy. Ruch segmentów (płata i klapy) jest zdefiniowany w funkcji czasu przez częstotliwości oraz amplitudy wychyleń poszczególnych segmentów.

9 Metoda obliczeniowa wymaga zadania ruchu w postaci prędkości Procedura oblicza prędkości w danej chwili czasu oddzielnie dla płata i dla klapy i podaje je solverowi w postaci wektora prędkości liniowej i kątowej Zadano częstotliwości drgań oddzielnie dla każdego z elementów: omega_y dla ruchu całości w osi pionowej omega_m dla wychyleń głównej części płata omega_s dla wychyleń steru. Podobne oznaczenia zastosowano dla amplitud a_y, a_m, a_s.

10 Pole ciśnień Pole prędkości

11 Ścieżka wirów Karmana za poruszającym się walcem pole ciśnień (po lewej) i prędkości (z prawej)

12 Przedmiotem badań jest segment skrzydła o profilu NACA0009 wyposażony w klapę. Oś klapy znajduje się na 70% cięciwy. Zawias klapy wyposażony jest w sprężynę kątową K3 Model jest zawieszony na mechanizmie umożliwiającym ruch pionowy. Mechanizm wyosażony jest w układ sprężyn liniowych o zastępczej sztywności K1 Sam model zawieszony jest wahliwie na 25% cięciwy. Przegub wahań wyposażono w sprężynę kątową o sztywności K2

13 Metoda obliczeniowa wymaga zadania ruchu w postaci prędkości. Procedura oblicza siły w danej chwili czasu oddzielnie dla płata i dla klapy. Wektor prędkości liniowej i kątowej obliczany jest dla każdego elementu przez procedurę dynamiczną całkującą równania ruchu. Siły uogólnione: Równania drgań znane z mechaniki Przyśpieszenia modalne Całkowanie met. Eulera Nowe przemieszczenia

14 V=6 m/s Pole ciśnień Pole prędkości

15 V=10 m/s Pole ciśnień Pole prędkości

16 V=16 m/s Pole ciśnień Pole prędkości

17 V=20 m/s Pole ciśnień Pole prędkości

18 Dodatkowo wykonano jeszcze serię obliczeń stopniowo pomijając lepkość, najpierw na etapie całkowania sił, potem w modelu CFD (inviscid). O ile pominięcie siły stycznej nie ma silnego wpływu na model dynamiczny, to przy uwzględnieniu braku lepkości w modelu płynu uzyskuje się duże rozbieżności (podwyższenie) częstości drgań

19 Wyniki Sprawdzono możliwość analizy drgań flatterowych przy pomocy solvera CFD bazującego na rozwiązaniu równań RANS przy użyciu met. objętości skończonych Przewidywane kierunki dalszych prac: Poprawienie jakości siatki w procesie remeshingu Zastosowanie odkształcalnego profilu, na którym można stworzyć model warstwy przyściennej Polepszenie mechanizmu całkowania równań ruchu Wprowadzenie trzeciego wymiaru Zastosowanie modelu w pracach nad rzeczywistym samolotem