1. Моделювання, аналіз і перепроектування
2. Оптимізація проекту на основі ітераційного аналізу
3. Пост-процесинг моделей Ansys Mechanical APDL за допомогою ANSYS® WORKBENCH

Ansys CFX дозволяє скоротити час розробки повітряних гвинтів і підйомних воздухонагнетателя для суден на повітряній подушці (СВП).
Відділ розробки морських систем компанії CDI (CDIM-SDD, що раніше називався Band, Lavis, & Associates, Inc.) використовує комп'ютерне моделювання для створення підйомних воздухонагнетателя і повітряних гвинтів для перспективних великих суден на повітряній подушці (СВП). Використання програмного комплексу ANSYS дозволяє істотно скоротити час проектування в порівнянні з раніше використовуваними традиційними методами розрахунку. Розроблюване СВП буде використовуватися для перевезення вантажів і пасажирів і буде мати в два рази більшу корисне навантаження в порівнянні з існуючими судами такого ж типу. Перед співробітниками CDIM-SDD була поставлена ​​задача розробити новий повітряний гвинт під потужність в два рази більшу, ніж підводиться до гвинтів в даний час. Збільшена в два рази корисне навантаження також зажадала розробити нові підйомні воздухонагнетателя, здатні забезпечувати більший тиск і витрата повітря.

Було використано спеціалізоване програмне забезпечення для побудови геометрії лопатей і програмний комплекс обчислювальної гідродинаміки ANSYS CFX для розрахунку характеристик різних варіантів конструкції. Були визначені потрібна потужність, тяга, розподіл швидкостей на вході для повітряних гвинтів, а також потрібна потужність, витрата повітря і підвищення тиску на воздухонагнетателя. ANSYS CFX дозволяє виконати практично будь-який розрахунок динаміки рідини і газу. При цьому розрахунок в ANSYS CFX може бути успішно виконаний для будь-якого завдання, в якій грамотно задана геометрія і граничні умови. Великі завдання з високим рівнем деталізації можна вирішувати на кластері з чотирьох комп'ютерів частотою 2,6-2,8 Гц [примітка перекладача: необхідно врахувати, що стаття була опублікована в 2005 році], причому ANSYS CFX автоматично розподіляє обчислення між комп'ютерами.

Моделювання, аналіз і перепроектування

Співробітники CDIM почали з моделювання лопатей існуючого воздухонагнетателя в версії CFX-5 з використанням CFX-TurboGrid для створення сітки. Розрахунок повітряного гвинта був проведений після розрахунку системи воздухонагнетателя, коли було визначено, яка частина загальної встановленої потужності доступна для приводу на гвинт. Модуль CFX-TurboGrid був використаний для створення сітки як навколо лопатей гвинта, так і для направляючого апарату. CFX-TurboGrid дозволив співробітникам CDIM швидко створювати сітку при зміні геометричних параметрів (наприклад, при дослідженні зазору між законцовкой лопаті гвинта і кільцем) і для різних розрахункових випадків, в яких змінюється кут установки лопатей.

Розрахунок вихідної конструкції показав хороший збіг результатів розрахунку з експериментальними даними за існуючим СВП. Це дозволило співробітникам CDIM направити свої зусилля на створення нового проекту. Нова геометрія лопатей була побудована на основі проведених розрахунків за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, яке дозволяє працювати з численними параметрами геометрії лопаті. Отримана геометрія була імпортована в CFX-TurboGrid для створення сітки. Розрахункова область для моделювання системи воздухонагнетателя в ANSYS CFX включала зовнішній обсяг, з якого повітря надходить у вхідний пристрій, що обертається вентилятор з лопатями і спіралевидні направляючий апарат з двома роздільними вихідними пристроями різної геометрії. Для визначення розподілу швидкостей на вхідному пристрої було проведено розрахунок за все судна в цілому, цей етап був вкрай важливий для визначення потрібної потужності і тяги повітряного гвинта.

Оптимізація проекту на основі ітераційного аналізу

Ітераційний характер проектування був реалізований шляхом передачі результатів кожного розрахунку, проведеного в ANSYS CFX , В програмне забезпечення для побудови геометрії лопатей. Такий підхід дозволив інженерам CDIM розглянути велику кількість варіантів конструкції і, в підсумку, отримати оптимальну геометрію. Процес проектування з використанням ANSYS CFX зайняв на порядок менше часу, ніж треба було б, як це робилося раніше, для розробки, створення прототипу і випробувань навіть одного варіанта конструкції. Нарешті, за допомогою CFX-5 співробітники CDIM розрахували аеродинамічну трубу для випробувань лопатей повітряного гвинта. Результати розрахунків добре узгоджувалися з результатами наступних натурних випробувань.

Цей проект наочно показує, що ANSYS CFX - безцінний інструмент для аналізу системних рішень. Головна його перевага полягає в тому, що всі елементи системи можуть розраховуватися спільно, що дозволяє оцінити їх взаємний вплив і визначити загальні характеристики системи. Навіть деталі простої геометрії можуть представляти складність для розрахунку, якщо вони працюють в тісному взаємозв'язку. Використовуючи ітераційний підхід і зв'язавши спеціалізовані інструменти та методи проектування з ANSYS CFX , Співробітникам CDIM вдалося розробити оптимальну геометрію ключових елементів СВП. Розробка підйомного воздухонагнетателя і системи повітряного гвинта під вимоги перспективного СВП зажадала невеликих тимчасових витрат і мінімальної кількості натурних випробувань.

Розподіл швидкостей перед вхідним пристроєм гвинта. Вектори швидкості показують складність поля швидкостей, в якому повинен працювати гвинт. Область високих швидкостей в лівому верхньому кутку викликана роботою носового підрулює пристрою.

Лінії струму навколо повітряного гвинта. Видно, що повітря засмоктується в кільце гвинта переважно із зони, розташованої істотно вище палуби, також присутній додатковий потік, відбитий від заднього відкидного борта.

Розподіл статичного тиску на виході з спіралеподібного направляючого пристрою воздухонагнетателя.

Розподіл швидкостей потоку у вертикальній площині, що проходить через вісь обертання гвинта. Видно прискорення потоку перед вхідним пристроєм і розподіл швидкостей на виході з кільця.

Джерело: ANSYS Solutions, Spring 2005
Автор: John Purnell, провідний інженер відділу розробки морських систем компанії CDI

МОЖЛИВО ЦЕ вас зацікавлять:

Пост-процесинг моделей Ansys Mechanical APDL за допомогою ANSYS® WORKBENCH

Починаючи з версії 15.0, ANSYS Workbench Mechanical містить компонент "External Model" ( "Зовнішня модель"), який дозволяє