Диссертация (1025494), страница 8
Текст из файла (страница 8)
[57] рассматривается ветровоенагружение конверсионной РКН при минометном старте из ТПК. Эпюрыпоперечных сил от ветрового воздействия в расчётных узлах модели РН вразличные моменты времени для заданной кинематики выхода РН из ТПКрассчитываютсяспомощьюпрограммногокомплексаANSYSCFDсиспользованием перестраиваемых сеток. Однако полностью связанная задача нерассматривается: сначала по заданной кинематике определяются эпюры нагрузок,а потом по известным нагрузкам производится расчет динамики и прочности.При разработке ракетного комплекса «Морской старт» впервые в практикероссийского промышленного проектирования для сокращения сроков разработкипод руководством А.А.
Дядькина было использовано CFD-моделированиеобтекания ветром РКН и стартового комплекса в пакете FlowVision [28]. В работеотмечается, что изготовление моделей, организация и проведение трубныхэкспериментов, а также анализ их результатов требовали 0,5…1 год.Комплексы CFD могут использоваться на ранних стадиях разработки изделиядляопределенияпутемрасчетабольшогочислаконструктивныхсхемрациональной схемы перспективной РКН [Л19]. Однако для этого время расчетаодного варианта должно быть небольшим. Пока же нестационарные расчетысеточными методами потребляя значительные вычислительные ресурсы (какбольшое количество вычислительных ядер, так и большой объем дисковогопространства), требуют значительных затрат машинного времени.42В работе С.В.
Погудалиной, Н.Н. Федоровой и С.А. Вальгер [74] приводитсяпример расчета в нестационарной постановке вихревого возбуждения колебанийодного консольного стержня квадратного сечения в коммерческом пакете ANSYS.Использовалась расчетная сетка 1,2 млн ячеек. Данные о длительности расчетов неприведены. Время переходного режима, рассчитанного в статье составило всего 3сек. Примеры результатов нестационарных расчетов о возбуждении колебанийупругихтелвпотоке,выполненныеметодомконтрольногообъемасиспользованием свободного программного обеспечения OpenFOAM можно найтив работах J. Lorentzon, P.
Cardiff и соавторов [124, 131]. Время расчета одногопереходного режима, длительностью порядка 1 с на относительно небольшихсетках (единицы миллионов ячеек) составило более 400 часов.Работы по внедрению в практику расчетов ветровых нагрузок универсальныхкоммерческих пакетов, построенных на базе сеточных методов проводятся в МГСУпод руководством Дубинского С.И.
[27]. В работе [73] приведены результатычисленного моделирования ветровой нагрузки на высотное здание в пакете ANSYSCFX с учетом рельефа местности, розы ветров и наличия других зданий.Указывается, что даже для стационарных расчетов возникают значительныетрудности при выборе модели турбулентности из-за чего точность расчетовпроцессов вихреобразования оказывается неудовлетворительной.Большие вычислительные затраты ограничивают возможности расчетанестационарных задач аэроупругости, например, бафтинга, галоппирования ивихревого резоанаса сеточными методами.
Поэтому в подобных задачахиспользуются упрощенные методы вычислительной гидродинамики, позволяющиеполучать результаты с точностью, пригодной для инженерных расчетов.Например, в задаче о вызываемых ветром колебаниях упругих тонкостенныхрезервуаров аэродинамическая задача решается методом конечных полос (finitestrip analysis), поскольку решение пространственной задачи авторы считают43слишком затратным с вычислительной точки зрения.
В редуцированной двумернойзадача обтекание рассчитывается сеточным методом [114].Длярешениянестационарныхзадачдозвуковойаэродинамикииаэроупругости, в которых рассматриваются течения в безграничной области или вобласти, ограниченной экраном весьма эффективными оказываются бессеточныелагранжевые вихревые методы, основанные на моделировании эволюциизавихренности в несжимаемой среде. Распределение завихренности моделируетсянабором вихревых элементов, для каждого из которых задается положение впространстве и циркуляция.
Подробное описание вихревых методов можно найтив различных работах, в частности, в [111, 122, 123]. За счет концентрациивычислительных ресурсов в области занятой вихревым следом применение данныхметодов дает значительное сокращение времени счета, при приемлемой точностирезультатов расчета аэродинамической нагрузки, действующей на обтекаемое тело.Вработе[92]расчетвихревымметодом200вариантовразличногоаэродинамического нагружения РКН занял около 500 часов, что сравнимо современем расчета одного переходного режима сеточным методом.В настоящее время больше всего разработаны вихревые методы для расчетаплоскопараллельных течений [6].
Вихревые методы в плоскопараллельнойпостановке применял для расчета аэроупругих колебаний мостов Morgenthal G.[127]. В диссертации Никонова В.В. развивались вихревые методы расчета сеченийпрофилей стержней ферменных конструкций [60]. Методики расчета аэроупругихколебаний трубных пучков разработаны и успешно используются в ИМАШ РАНпод руководством Каплунова С.М. и Вальес Н.Г. [42]. В МГТУ им. Н.Э. БауманаМарчевским И.К.
разработана основанная на вихревом методе численноаналитическая методика исследования устойчивости положения равновесияпрофиля в потоке [53].Методикирасчетапространственногообтеканияветромзданийисооружений на базе метода дискретных вихрей разработаны в научной школе С.М.44Белоцерковского под руководством Лифанова И.К., Сетухи А.В., Гутникова В.А.[21]. Эти методы успешно используются в задачах строительной физики [20].Однако метод дискретных вихрей с замкнутыми вихревыми рамками плохоподходит для моделирования задач бафтинга, поскольку вихревая пелена не можетразрываться при натекании на тело. В настоящее время для подобных задачаэроупругости используется модифицированная схема метода дискретных вихрейс представлением вихревой пелены изолированными вихревыми частицами,описанная в работе В.Ю.
Кирякина [45].Использование метода дискретных вихрей предполагает априорное заданиемест отрыва вихревой пелены, например, на острых кромках конструкций. Однакодля гладких деформируемых тел указывать такие фиксированные линиинекорректно, поскольку их положение может изменяться в процессе расчета.Для решения этой проблемы в МГТУ им. Н.Э.
Баумана под руководствомЩегловаГ.А.разработанамодификацияметодавихревыхэлементов,использующая модель Лайтхилла для потока завихренности со всей поверхностиобтекаемого тела [139] и новый вихревой элемент – симметричный вортон-отрезок[55]. С помощью этой модификации Щегловым Г.А. исследовались аэроупругиеколебания балки в пространственном потоке [98]. Разработанная методикаприменена к расчету задачи воздушного старта РКН из транспортного самолетаносителя в детерминированной [46] и недетерминированной постановках [92].Однако, несмотря на успешное использование вихревых методов в задачахаэрогидроупругости конструкций, найти работы, посвященные применению их красчету пространственного ветрового воздействия на РКН не удалось.
Приложениевихревых методов к данной области представляется актуальной задачей, посколькупозволит существенно повысить производительность расчетов и провести анализнелинейныхнестационарныхаэроупругоихвихреобразованием при обтекании РКН на старте.явлений,вызванных451.4. Выводы по главе 1На основе проведенного аналитического обзора литературы можно сделатьследующие выводы:1.Объект исследования – ракета-носитель космического назначения являетсяактуальным, поскольку в настоящее время во всем мире, и в том числе в России идет сменапоколений данных летательных аппаратов.2.наСуществующие подходы к расчету ветровой нагрузки на РКН, установленнуюстартовойпозиции:нормативный,экспериментальный,эмпирическийивычислительный (основанный на сеточных методах CFD) не позволяют эффективномоделировать нелинейные аэроупругие явления, обусловленные процессами интенсивноговихреобразования.3.Для вариантного анализа проектных параметров и вычислительногосопровождения пуска РКН требуется разработка новых высокоэффективных расчетныхметодик анализа нестационарных переходных режимов колебаний, вызванныхвоздействием ветра.4.Среди численных методов CFD и FSI для расчета нестационарныхаэроупругих колебаний конструкций наиболее эффективными являются новыемодификации бессеточных вихревых методы.
Однако публикаций, посвященных ихприложению к задачам ветрового воздействия на РКН в литературе обнаружить не удалось.5.В настоящее время практически отсутствуют открытые научные публикации,содержащие экспериментальные данные о нестационарном отклике РКН, установленнойна старте, на порывы ветра, которые могли бы быть использованы для верификациичисленных методов. Имеются только данные о квазистационарных ветровых нагрузках иданные о критических скоростях ветра.6.Предмет исследования является актуальным, поскольку аэроупругиеколебания РКН, вызванные вихреобразованием, порождаемым единичным порывом ветрана стартовой позиции практически не исследованы, а методы для такого исследованиянедостаточно разработаны.46Глава 2. Методика определения аэроупругих колебанийлетательного аппарата, обусловленных вихреобразованием2.1.
Постановка задачи аэроупругостиРассматриваетсяобтеканиетела,поверхностькоторогосчитаетсяупругодеформируемой, потоком среды со скоростью ⃗V∞ , соответствующей числамМаха, много меньшим единицы. Это позволяет без значительных погрешностейсчитать среду несжимаемой с плотностью ρ∞ = const [91] Вязкость средысчитается малой и учитывается только вблизи поверхности тела как причинагенерации завихренности.
Область течения S считается безграничной. В ней задананеподвижная система координат .Математическая модель обтекания деформируемого тела описываетсясвязанной задачей аэроупругости.Движение среды описывается следующими уравнениями [45]:- уравнением неразрывности⃗ = 0,∇∙V(2.1)- и уравнением Навье-Стокса:⃗∂Vp⃗ ∙ ∇)V⃗ = −∇ ( ) + ν∇2 ⃗V+ (V∂tρ(2.2)Движение тела описывается как малые колебания динамической системы сконечным числом степеней свободы. Система уравнений движения имеет вид[M]{q̈ } + [K]{q̇ } + [C]{q} = {G(р)},(2.3)где [M], [K], [C] – глобальные матрицы массы, демпфирования и жесткоститела, {q} – вектор перемещений точек поверхности тела, {G} – вектораэродинамических нагрузок, определяемый из решения уравнений движениясреды.Уравнения (2.1), (2.2), (2.3) сводятся в систему дифференциальныхуравнений, состоящую из аэродинамической и упругой подсистем.47div ⃗V = 0⃗∂Vp⃗ ∙ ∇)V⃗ = −∇ ( ) + ν∇2 ⃗V+ (V∂tρ∞{[M]{q̈ } + [K]{q̇ } + [C]{q} = {G}(2.4)Задача решается в нестационарной постановке: рассматривается переходныйрежим, протекающий с момента времени = 0 до момента времени = .Начальные условия системы (2.4)⃗V(t 0 ) = V⃗⃗⃗⃗0 (r){q}(t 0 ) = {0 }{q̇ }(t 0 ) = {̇ 0 }(2.5)Скорость набегающего потока ⃗V∞ принимаем постоянной, тогда граничныеусловия для рассматриваемой задачи имеют следующий вид:- граничное условие “на бесконечности”⃗ (r, t) = V⃗∞lim V⃗r→∞lim p(r, t) = p∞(2.6)⃗r→∞- граничное условие “на теле” (условие прилипания)⃗V(r, t) = ⃗V (r, {q}, {q̇ }, t) при r ∈ K,(2.7)где K – поверхность обтекаемого тела.Таким образом, связь подсистем осуществляется через граничные условия наповерхности (2.7) и аэродинамические нагрузки в (2.3).2.2.
Описание упругой подсистемыДля достаточно инерционного тела, движение которого в основномопределяется собственной динамикой (вследствие того, что плотность тела внесколько раз больше плотности обтекающей его среды), можно считатьгидродинамическую нагрузку постоянной в течение малого шага интегрированияпо времени ∆t. Тогда для численного интегрирования системы (2.3) в общем случаеможет использоваться любой подходящий метод интегрирования, например,Рунге-Кутта 4-го порядка точности.48Также система уравнений динамики (2.3) может быть решена методомразложения по собственным формам колебаний. В этом случае векторперемещений представляется в виде:{q} = [a]{φ},(2.8)где [a] – матрица коэффициентов собственных форм колебаний, {φ} – векторобобщенных координат упругой подсистемы.Тогда с учетом допущения о модальном характере демпфирования, котороечасто применяется для подобных конструкций, уравнение (2.3) записывается в виде[μ]{φ̈} + [k]{φ̇} + [η]{φ} = {g}(2.9)[k] = 2n[ω]diag(2.10)где,а уравнения являются независимыми, поскольку[μ] = [E][η] = [ω2 ]diag{g} = [a]T {G}Здесь [E] – единичная матрица, [ω2 ] – диагональная матрица квадратовсобственных частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
