Моделирование трансзвуковых и сверхзвуковых течений в пакете программ ANSYS CFX-5.7 (Раздаточные материалы)

Моделирование трансзвуковых исверхзвуковых течений в пакетепрограмм ANSYS CFX-5.7Н.Владимирова, М.Стародубцевгазодинамическая задача: постановка и геометриятопология и размер расчетной сетки (пакет ICEM CFD)результаты расчетов, сравнение с экспериментальнымиданными08.02.2005CADFEM1Рассмотренагазодинамическаязадачачисленногомоделирования внешнего сверхзвукового и трансзвукового обтеканияизделия, общий вид которого представлен на слайде 3. Численныерасчеты проводились на персональном компьютере в пакете ANSYSCFX-5.7, расчетные сетки строились в пакете ICEM CFD.Для решения пространственных уравнений Навье-Стокса,описывающихсжимаемыевязкиетурбулентныетечения,использовался метод конечного объема, численная схема высокогопорядка для конвективных и вязких членов, модель турбулентностиSST k-ω, позволяющая моделировать течения с развитымиотрывными зонами.

Расчетная область представляла собойпараллелепипед, грани которогоудаленыот поверхностиобтекаемого изделия на 8 калибров. На стенках параллелепипеда,моделирующего «бесконечную» расчетную область, заполненнуюпотоком воздуха, использовались граничные условия типа “Inlet”,“Outlet” (для сверхзвуковых режимов), “Opening” (на дозвуковыхрежимах), “Symmetry” и ”Wall” (на боковых стенках).08.02.2005CADFEM2Изделие «Missile-77»(ОАО Корпорация Тактическое Ракетное Вооружение)08.02.2005CADFEM3Средствами пакета ICEM CFD (модули Tetra и Hexa)построена пространственная неструктурированная гибридная сетка,состоящая из 107 607 узлов, 494 768 ячеек (485 248 тетраэдров, 9044 гексаэдра, 476 пирамид), при этом на поверхностирассчитываемого изделия генерировалась треугольная сетка (слайд5).

В области пограничного слоя в окрестности твердой поверхноститела (слайд 6) и в местах резкого изменения кривизны поверхности(острые «носики» обтекателей и острые кромки на крыльях иоперении, слайды 7-8) делалось специальное «прижатие» исгущение ячеек сетки. Выбор такой топологии сетки обусловлендостаточно сложной геометрической формой изделия, для которойпостроение,например,многоблочнойструктурированнойгексаэдральной сетки весьма проблематично.08.02.2005CADFEM4Треугольная сетка на поверхности изделия08.02.2005CADFEM5Пространственная неструктурированная гибридная сетка: 107 607 узлов,494 768 ячеек (485 248 тетраэдров, 9 044 гексаэдра, 476 пирамид)08.02.2005CADFEM6Фрагмент треугольной сетки на поверхности изделия08.02.2005CADFEM7Фрагмент треугольной сетки на поверхности изделия08.02.2005CADFEM8С другой стороны, для достаточно простых геометрическихмоделей, модуль Hexa пакета ICEM CFD позволяет генерироватьдостаточнокачественныеструктурированныегексаэдральныерасчетные сетки.

В качестве примера нами рассмотрена модельнаязадача обтекания конфигурации, состоящей из головной части +центральное тело (без крыльев, оперения и обтекателей). Для этойконфигурации построена пространственная структурированная сетка,состоящая из 801 640 узлов, 777 768 гексаэдрических ячеек иимеющая среднюю величину параметра y+ на теле порядка 25-40(слайды 10-11).08.02.2005CADFEM9Модельная задача: головная часть+центральное тело(без крыла, оперения и обтекателей)08.02.2005CADFEM10Пространственная структурированная сетка: 801 640 узлов,777 768 гексаэдрических ячеек (модельная задача)08.02.2005CADFEM11Численные расчеты распределенных и интегральныххарактеристик изделия (в схеме «крест») проводились для угла атакиα=6° в диапазоне чисел Маха М=0.8-3.0 и чисел Рейнольдса Re=(2490)·106.

Результаты расчетов, а также сравнение с имеющимисяэкспериментальными данными представлены на слайдах 13-23. Какпоказал анализ расчетов, даже на достаточно «грубой» (порядка 100тыс. узлов) неструктурированной гибридной сетке, построенной дляизделия сложной конфигурации, удается получить достаточнодостоверныечисленныерезультатыдляинтегральныхаэродинамических характеристик, удовлетворительно согласующиесяс данными эксперимента.08.02.2005CADFEM12М=0.8, α=6° Распределение чисел Маха в плоскости симметрии08.02.2005CADFEM13М=0.8, α=6° Распределение давления на поверхности изделия08.02.2005CADFEM14М=1.2, α=6° Распределение чисел Маха в плоскости симметрии08.02.2005CADFEM15М=1.2, α=6° Распределение чисел Маха в плоскости симметрии(модельная задача)08.02.2005CADFEM16М=1.2, α=6° Распределение давления на поверхности изделия08.02.2005CADFEM17М=3.0, α=6° Распределение чисел Маха в плоскости симметрии08.02.2005CADFEM18М=3.0, α=6° Распределение чисел Маха в плоскости симметрии(модельная задача)08.02.2005CADFEM19М=3.0, α=6° Распределение давления на поверхности изделия08.02.2005CADFEM20Зависимость интегральных аэродинамических характеристикCyот числа Маха0.40.30.20.100.51.01.52.0рас че т08.02.20052.53.03.5 Mэ кс пе риме нтCADFEM21Зависимость интегральных аэродинамических характеристикот числа МахаCx0.30.20.100.51.01.5рас че т08.02.20052.02.53.03.5 Mэ кс пе риме нтCADFEM22Зависимость интегральных аэродинамических характеристикот числа МахаMz0.050-0.050.51.01.52.0рас че т08.02.2005CADFEM2.53.03.5 Mэ кс пе риме нт23Как видно из слайдов 21-23, характер изменения по числамМаха расcчитанных в пакете CFX-5.7 значений коэффициентовподъемной силы, сопротивления и продольного момента изделия (всхеме «крест») достаточно хорошо согласуется с экспериментальнымизависимостями, полученными для схемы «Х».

Несколько завышенныерасчетные значения Су и заниженные значения Сх по сравнению с ихэкспериментальными величинами, особенно на сверхзвуковом режимеМ=3, вероятнее всего обусловлены как некоторым отличием вобтекании конфигураций типа «крест» и «Х», так и сравнительнонебольшимразмеромрасчетнойсеткии,соответственно,переразмеренными ячейками в отрывных областях и недостаточным«прижатием» сетки к стенкам и, как следствие, недостаточнодетальным разрешением особенностей течения в пограничном слое ив протяженных зонах отрыва потока в торцевой части изделия. Длядостижения более точных результатов и получения лучшей сходимостирасчетных и экспериментальных данных необходимо проводитьрасчеты не на персональном компьютере, а на компьютерном кластерес объемом оперативной памяти 8-10 ГБ, на расчетных сетках с числомузлов 2-5 миллионов.08.02.2005CADFEM24.