Symulacja ruchu śmigła metodą sliding mesh w analizie CFD
Ruch obrotów zawiera szereg ważnych cech, które zasługują na uwagę. W przypadku ruchu obrotowego śmigła jest to wytwarzanie ciągu, czyli osiowej siły działającej równolegle do kierunku ruchu. Śmigło musi być przystosowane do możliwie najlepszego wykorzystania mocy rozwijanej przez silnik. W poniższym artykule przedstawiono ruch obrotowy śmigła z zastosowaniem środowiska Simcetner FLOEFD metodą sliding mesh w analizie CFD na przykładzie samolotu. Analizowany model został przedstawiony na rys. 1.
Rys. 1. Model samolotu analizowany w środowisku Simcenter FLOEFD
Istotnym aspektem podczas modelowania tego typu zjawiska jest fakt, że środowisko Simcenter FLOEFD jest bardzo intuicyjnym środowiskiem przeznaczonym dla konstruktora, który nie potrzebuje znać tajemnej wiedzy dotyczącej analiz CFD. Środowisko to pozwala w bardzo szybki i wydajny sposób zamodelować ruch obrotowy w oparciu o metodę sliding mesh. Wystarczy podczas definiowania nowego zadania obliczeniowego w kreatorze, który kieruje nas krok po kroku przez cały proces obliczeniowy, wybrać opcję odpowiedzialną za ruch obrotowy (rys. 2).
Rys. 2. Włączenie opcji ruchu obrotowego śmigła w kreatorze definiowania zadania dla środowiska Simcenter FLOEFD
Dodatkowo w celu wykonania tego typu analizy (ruchu obrotowego) należy utworzyć dodatkową bryłę (obiekt), który będzie odpowiadał za ruch obrotowy i wprawiał w ruch wszystkie komponenty znajdujące się wewnątrz tego obiektu. Cylinder, który wprawia w ruch śmigło, przedstawia rys. 3 .
Rys. 3. Obiekt cylindryczny wprawiający śmigło w ruch obrotowy.
W analizie z uwzględnieniem ruchu obrotowego śmigła należy oprzeć się na analizie w czasie, a wraz z tym odpowiednio zdefiniować krok czasowy. Do wyznaczenia kroku czasowego posłużyliśmy się poniższym wzorem.
tstep = T/(N*10)
T – Czas jednego obrotu wirnika = 1 / prędkość obrotowa [rev/s]
N – liczba łopatek śmigła
Prędkość obrotowa wirnika wynosiła – 200
Zagęszczenie siatki obliczeniowej w obrębie obiektu wirującego wraz domeną obrotową cylindra, która została przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4 a i b. Siatka obliczeniowa analizowanego samolotu z lokalnym zagęszczenie w obrębie śmigała i cylindra obrotowego
Wyniki obliczeń rozkładu graficznego ciśnienia na łopatach wraz z rozkładem prądów wirowych powietrza przedstawionych w formie izo– powierzchni na rys. 5 . Dodatkowo przedstawiono rozkład prędkości opływającej samolot stosując linie prądu jako obiekty kuliste (rys. 6).
Rys. 5. Rozkład graficzny prądów powietrza rozbijanego przez śmigło podczas ruchu obrotowego oraz rozkład ciśnienia na łopatach śmigła.
Rys. 6. Rozkład graficzny prędkości w formie linii prądu przedstawione jako obiekty kuliste.
Środowisko Simcenter FLOEFD pozwala na wyznaczenie bardzo szybko sił aerodynamicznych działających na łopatki śmigła, jak również pozwala na wyznaczenie momentu generowanego przez wirnik, który może odpowiedzieć nam na pytanie dotyczący rzeczywistej mocy generowanej przez śmigło. Wiedza dotycząca mocy napędów śmigłowych pozwala np. na zastosowanie śmigła przeciwbieżnego umożliwiającego likwidację zawirowań powietrza.
Opracował Marek Rudy