Перспективное аэродинамическое проектирование и акустика пассажирских самолетов
Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).
Срок реализации: 2020-2025 гг.
Исполнитель: НТК «Математическое моделирование и интеллектуальные системы управления» (НТК ММиИСУ)
Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты
В 2020 году
Усовершенствованы RANS модели турбулентности для аэродинамических и струйных течений. В частности, разработаны новые версии наиболее широко применяемой при аэродинамическом проектировании модели Спаларта-Аллмараса, обеспечивающие повышение точности расчетов осесимметричных струй и течений при низких и умеренных числах Рейнольдса.
1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.
В рамках направления научных исследований «Перспективное аэродинамическое проектирование и акустика пассажирских самолетов» ожидаемые результаты работы в 2020 г. состояли в усовершенствовании RANS моделей турбулентности для аэродинамических и струйных течений.
Разработаны усовершенствованные версии известной модели турбулентности Spalart-Allmaras (SA модель) для расчета аэродинамических и струйных течений. Разработаны две оригинальные модификации модели Спаларта-Аллмараса (SA модель), первая из которых обеспечивает повышение точности расчета турбулентных осесимметричных течений, в том числе, осесимметричных струй, а вторая − повышение точности расчета присоединенных пристеночных пограничных слоев при низких числах Рейнольдса. Новые версии модели реализованы в академическом CFD коде собственной разработки СПбПУ «Numerical Turbulence Simulation» (NTS код). С помощью этого кода проведено большое число расчетов течений рассматриваемых типов и выполнено сопоставление полученных результатов с аналогичными результатами, полученными с использованием оригинальной версии SA модели, и с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Показано, что разработанные модели кардинально превосходят по точности как базовые модели SA и SST, так и существующие аналоги. Обе разработанные модели могут быть рекомендованы для использования при аэродинамическом проектировании гражданских самолетов.
2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем
Предложенные модификации модели SA являются оригинальными и не имеют аналогов в литературе, а модификации других моделей турбулентности, разработанные для расчета осесимметричных течений и пограничных слоев при низком числе Рейнольдса, значительно уступают по точности разработанным модификациям модели SA. Так, например, предложенная для расчета осесимметрчных струй модель SA-TC более чем в 2 раза превосходит SA модель по точности расчета скорости расширения струи и обеспечивает прекрасное согласование результатов расчетов с экспериментом, а модель SA Low-Re превосходит SA модель по точности расчета коэффициента трения при низких числах Рейнольдса на 20% и также обеспечивает очень хорошее совпадение расчета с экспериментом.
- Разработаны математические модели и алгоритмы расчета характеристик потока в тракте вентилятора современных двухконтурных турбореактивных двигателей и определения амплитудно-частотных характеристик тонального и широкополосного шума, генерируемого вентилятором. С точки зрения физической адекватности и точности предсказания аэродинамических и акустических характеристик в тракте вентилятора современных двухконтурных турбореактивных двигателей они не имеют отечественных аналогов и соответствуют, а в некоторых отношениях превышают лучшие из известных зарубежных аналогов. Благодаря использованию высокоточных гибридных RANS-LES подходов к описанию турбулентности, разработанные модели позволяют без привлечения эмпирической информации проводить расчеты на сетках с размером, не превышающим 500 миллионов узлов.
- Проведено сравнение результатов моделирования и расчетов характеристик потока в тракте вентилятора современных двухконтурных турбореактивных двигателей, амплитудно-частотных характеристик тонального и широкополосного шума, генерируемого вентилятором, с экспериментальными данными. В частности, погрешность предсказания уровней тонального и широкополосного шума в адресуемом диапазоне частот при использовании этой модели будет составлять не более 3 – 5 дБ что заметно превосходит точность известных моделей. Это будет доказано путем сопоставления результатов расчетов с экспериментом.
- Разработана математическая модель импеданса звукопоглощающих покрытий (акустических лайнеров) в физических переменных, пригодная для расчета эффективности лайнеров в сочетании с вихреразрешающими подходами к моделированию турбулентности. В отличие от существующих зарубежных аналогов, разработанная модель обеспечивает количественную оценку эффекта акустических лайнеров на снижение не только тонального, но и широкополосного шума.
- Разработаны двумерная и квазитрехмерная версии метода предсказания начала трансзвукового бафтинга на прямом и стреловидном крыльях бесконечного размаха на основе линейного анализа устойчивости стационарных решений уравнений Рейнольдса. Этот пионерский подход, в отличие от эмпирических методов, используемых в настоящее время, является универсальным (пригодным для оценки новых конструкций) и, в то же время, на порядок более экономичным, чем использование нестационарных трехмерных уравнений Рейнольдса.
- С использованием разработанных моделей и алгоритмов выполнены расчеты и получены количественные данные о влиянии геометрических параметров тракта современных двухконтурных турбореактивных двигателей на аэродинамические характеристики вентиляторов и на характеристики генерируемого ими тонального и широкополосного шума на режимах взлета и посадки самолета.
- Проведено тестирование модели импеданса звукопоглощающих покрытий применительно к предсказанию степени снижения тонального и широкополосного шума вентилятора на основе вихреразрешающих подходов к моделированию турбулентности в тракте вентиляторов авиационных двигателей путём сравнения результатов расчётов с экспериментом. Как и для модели тракта вентилятора двухконтурных турбореактивных двигателей, погрешность расчета не должна превышать 3-5 дБ.
- Разработана и протестирована полная трехмерная версий метода предсказания начала трансзвукового бафтинга крыла на основе линейного анализа устойчивости стационарных решений уравнений Рейнольдса для стреловидного крыла конечного размаха. Продемонстрирована возможность решения данной задачи на доступных уже сегодня высокопроизводительных кластеров.
- Продолжено исследование влияния геометрических параметров тракта современных двухконтурных турбореактивных двигателей на аэродинамические характеристики вентиляторов и на характеристики генерируемого ими тонального и широкополосного шума на режимах взлета и посадки самолета с использованием разработанных моделей и вычислительных алгоритмов. Сформулированы рекомендации по возможным путям снижения шума вентилятора.
- Выполнена сравнительная оценка эффективности звукопоглощения в тракте вентилятора акустическими лайнерами различных типов с использованием разработанных моделей импеданса звукопоглощающих покрытий и расчета шума вентиляторов турбореактивных двигателей.
- Разработаны и протестированы методы расчета ламинарно-турбулентного перехода в аэродинамических течениях в рамках уравнений Рейнольдса. В отличие от существующих подходов эти методы применимы также в рамках гибридных вихреразрешающих подходов.
- Проведена оптимизация параметров акустических лайнеров и их расположения в тракте вентилятора с помощью разработанной модели импеданса звукопоглощающих покрытий и методики расчета шума вентиляторов турбореактивных двигателей.
- Получены количественные данные о влиянии ламинарно-турбулентного перехода на крыле на характеристики начала бафтинга.
- Выполнена количественная сравнительная оценка эффективности концепций снижения шума вентилятора на режимах взлета и посадки самолета с использованием разработанной методики расчета аэродинамических и акустических характеристик вентиляторов современных двухконтурных турбореактивных двигателей.
- Осуществлено усовершенствование методов LES с пристеночным моделированием применительно к расчету отрывных течений, обеспечивающих высокую точность расчетов широкого круга аэродинамических дозвуковых и трансзвуковых течений, необходимых для аэродинамического проектирования пассажирских авиалайнеров.
