ANSYS CFX 소프트웨어 패키지의 소닉붐 수치 모델링. 앤시스. Ansys 흐름의 메싱 모델링 음파에 대한 소개가 계속됩니다.
ANSYS Mechanical 15.0의 음향 분석
세르게이 흐룰레프
기술 지원 엔지니어, PLM Ural Group of Companies - Delkam-Ural
ANSYS, Inc.는 40년 넘게 엔지니어링 계산을 위한 제품 라인을 개발하고 정기적으로 업데이트된 버전을 출시하며 사용자의 요구와 바람에 귀를 기울입니다. "PLM Ural" - "Delkam-Ural" 그룹은 잡지 독자들에게 엔지니어링 소프트웨어 ANSYS 15.0 버전의 혁신에 대해 계속해서 알리고 있습니다. 이 간행물은 음향 및 진동음향 문제를 해결하기 위한 소프트웨어 제품에 중점을 둘 것입니다.
음향 모델링
버전 15.0에서는 ANSYS를 사용하여 음향 환경에서 음압파의 기원, 전파, 방출, 흡수 및 반사를 연구할 수 있습니다. ANSYS Mechanical의 음향학은 음향 유한 요소, 재료의 대규모 음향 특성 세트, 진동 음향 문제 해결을 위한 결합된 구조-음향 상호 작용, 고성능 솔루션, ANSYS 다중물리 라이센스 애플리케이션으로 구성된 완전한 라이브러리입니다. 이전에는 Mechanical APDL("클래식" ANSYS)에서만 음향 해석을 사용할 수 있었지만 ACT(Application Customization Toolkit) 모듈이 등장하면서 이제 ANSYS Workbench에서 구현됩니다.
패키지의 음향 기능을 사용하면 다음과 같은 현재의 많은 문제를 해결할 수 있습니다. 자동차의 소음 제거; 생산 기계의 소음 최소화; 건물 및 구조물의 음향학; 보청기 디자인; 수중음향 연구; 소나, 스피커, 음향 필터, 머플러 및 기타 유사한 장치의 개발; 지구물리학적 탐사; 항공 음향학. 이러한 모든 문제는 Modal, Harmonic 및 Transient 모듈(일시적으로)을 사용하여 평면 및 체적 공식 모두에서 해결됩니다. ㅏ i 및 주파수 영역)뿐만 아니라 진동음향 문제를 해결하기 위한 계산의 완전하거나 일방적인 결합도 가능합니다.
모달 해석에서는 고유 진동수와 모드 형상이 결정됩니다. 임피던스와 구조적 상호 작용을 경계 조건으로 지정하는 것이 가능합니다. Lanczos, Subspace, Damped 및 Asymmetric 행렬 방법과 같은 솔버가 사용됩니다(Block Lanczos, Subspace, Damped 및 Unsymmetric).
조화 분석은 체적 유량 또는 여기 압력을 기반으로 여기 주파수의 함수로 시스템 응답을 계산합니다. 시간에 따른 시스템 응답 영형영역은 비정상해석(Transient)으로 결정됩니다.
Workbench에는 Maxwell 모듈의 전자기력을 Mechanical로 전달하는 기능도 있습니다. 이는 전자기력에 의해 구동되는 기계적 진동이 상당한 소음의 원인이 되는 구조를 설계할 때 유용합니다.
진동음향학
진동음향 작업에는 소음과 진동이 구조에 미치는 영향을 평가하는 작업이 포함됩니다. 버전 ANSYS 15.0은 진동음향 분석을 위해 두 가지 유형의 계산에 대한 완전한(수중 음향 문제 해결에 유용함) 또는 일방적 결합을 제공합니다.
단방향 결합은 구조에 대한 음향 영향을 무시할 수 있는 한 구조의 음향 계산에 더 효과적입니다. 이 경우 구조 해석 결과는 음향 자극으로 적용됩니다. 구조적(고유형 확장 또는 전체) 및 음향 분석은 두 가지 서로 다른 조화 분석 모듈로 제공됩니다. 모델 노드의 진동 속도는 프로젝트 다이어그램의 링크를 사용하여 조화 음향 분석으로 전송됩니다. 또한 이전 통신과 달리 컨포멀 메시를 지원하는 외부 데이터 또는 ASI 형식 파일을 사용하여 데이터를 외부로 전송할 수 있습니다.
완전히 결합되면 구조 및 음향 방정식은 비대칭 또는 대칭 매트릭스 방법을 사용하여 풀 수 있습니다. 후자가 더 효율적입니다. 완전 결합된 진동-음향 분석에는 압전 요소와의 상호 작용도 포함되며, 이를 통해 센서 및 스피커 설계까지 밀접하게 관련된 많은 문제를 해결할 수 있습니다.
하중 및 경계 조건
진동음향 문제를 해결할 때 적절한 하중과 경계 조건이 지정됩니다.
우선, 이들은 평면파 (앞면이 평면 모양), 단극, 쌍극자 등이 될 수있는 음압 소스입니다.
또한 파동 전파 속도(주파수 함수 포함), 파동 방정식의 질량 소스(모든 방향으로 압력파 발생), 임피던스 및 흡수 계수(둘 다 주파수 함수로도 지정)를 지정할 수 있습니다.
소리 산란
음향학은 산란 과정을 연구합니다. 음파는 고체 물체에 의해 산란되거나 불균일한 공간을 통해 전파될 때(예: 잠수함에서 나오는 바닷물의 음파).
분산이 있는 디자인에
음향 문제 모델은 일반적으로 무한하고 균일한 이상적인 환경에 잠겨 있는 구조를 나타냅니다. FEM에서는 컴퓨터 자원 비용과 엔지니어링 시간을 줄이기 위해 고려하는 면적을 줄이는 것이 필요합니다. 파동 흡수 조건을 사용하면 해당 지역의 더 작은 부분을 모델링할 수 있으며 나가는 파동이 반사 없이 바깥쪽으로 전파된다고 가정할 수 있습니다. 파동 흡수 조건에는 세 가지 유형이 있습니다.
완벽하게 일치하는 레이어 조건은 조화 분석에서 개방형 FE 도메인 메쉬를 자르도록 설계된 압력파 흡수 유한 요소 레이어입니다. 이 방법은 모달 및 비정상 해석에는 적용할 수 없습니다.
복사 경계(방사 경계) - 압력과 파동 방출 속도의 비율, 흡수 계수에 대한 제한;
무한 유체 요소(반무한 매체) - 매체의 시뮬레이션된 부분 경계에서 2차 흡수 요소(예: FLUID130 또는 FLUID129)를 지정합니다.
결과 처리
계산 중에 얻은 결과는 근거리장(FE 그리드)뿐만 아니라 원거리장과도 관련될 수 있습니다. 원거리 처리를 사용하면 플롯을 위해 그리드 외부에서 멀리 떨어진 지점을 선택할 수 있습니다.
음향 문제를 해결한 후 시스템의 일부 음향 전파 매개변수를 계산해야 할 수도 있습니다. 예를 들어 소비 전력(Input power)과 출력 전력(Output power), 반사 손실(Return loss), 감쇠 계수, 전송 손실 등이 있습니다.
고조파 분석 솔루션 성능
조화해석을 푸는 방법에는 두 가지가 있습니다. 그 중 하나인 풀(full) 방법은 각 주파수에서 행렬방정식을 푼다. 두 번째는 VT(Variational Technology)로, 풀 방식의 하모닉 스윕 알고리즘을 기반으로 샘플링 주파수에서 행렬 분해를 수행하고 빠른 주파수 스윕을 수행하는 대체 솔루션 방법입니다. VT 방법은 주파수 종속 재료/하중, 대칭 공액 알고리즘, 천공 재료(즉, 보이드를 포함하거나 고려), 단방향 및 양방향 공액(진동음향)을 지원하지 않습니다.
700Hz 주파수의 압력
적용 사례
음향 분석이 필요한 구조의 가장 눈에 띄는 사례 중 일부는 스피커 및 머플러와 같은 소비자 제품입니다.
완전 결합 음향 분석은 1/4파 공진기 설계에서도 중요한 역할을 합니다. 음압 수준을 줄이기 위해 패널은 다양한 직경과 길이의 파이프로 조립됩니다. 공진기 패널에 의한 특정 주파수의 음압 흡수도 내부 점성 마찰로 인해 발생합니다.
반사 머플러
결론
회사 그룹 "PLM Ural" - "Delkam-Ural"은 ANSYS, Inc.의 공인 대표입니다. 러시아와 CIS에서 20년 넘게 컨설팅, 엔지니어링, 소프트웨어 구현, 기술 지원 및 교육 분야에 종사하고 있습니다. 우리 회사는 다양한 계산을 수행하는 데 다년간의 경험을 가진 우수한 자격을 갖춘 개발자 인증 기술 전문가로 구성된 직원을 보유하고 있습니다. 우리는 우리 출판물이 독자들의 관심을 끌기를 바랍니다. 따라서 잡지 페이지에서 토론할 가장 관련성이 높은 주제를 선택하는 데 여러분이 참여하도록 초대합니다. 저희 홈페이지(www.cae-club.ru,
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공명기
1 음향 임피던스는 체적 진동 속도에 대한 음압의 복소 진폭의 비율입니다(후자는 음향 임피던스가 결정되는 영역과 영역에 대해 평균된 진동 속도의 일반 구성 요소의 곱으로 이해됩니다).
2 등각 유한 요소 메쉬는 접촉 표면이 공통 노드를 공유하는 메쉬입니다.
3 모노폴은 구형 대칭의 발산파를 생성하는 이상적인 이미터입니다.
4 쌍극자 - 크기가 같고 방향이 반대인 부피 속도를 갖는 두 개의 단극으로, 파장에 비해 작은 거리에 위치합니다.
5 산란은 빛, 소리 또는 움직이는 입자와 같은 특정 유형의 방사선이 매질의 하나 이상의 국지적 불규칙성으로 인해 직선 경로에서 강제로 벗어나는 일반적인 물리적 과정입니다.
이제 수치해석을 준비하고 수행하기 위해 ANSYS Workbench에서 사용되는 주요 모듈과 애플리케이션에 대해 간략하게 설명하겠습니다.
엔지니어링 데이터 – 물리적 데이터베이스 관리를 위한 인터페이스
재료의 기계적 특성뿐만 아니라 수학적 입력 매개변수도 포함됩니다.
모델.
Design Modeler(구성 요소 시스템 섹션의 형상 항목)는 기하학적인 2D/3D 모델을 생성하기 위한 애플리케이션입니다. 이 모듈은 타사 CAD 시스템에서 가져온 형상으로도 작업할 수 있습니다. 이를 통해 형상의 결함을 수정하고 형상 모델을 변경하거나 단순화할 수 있습니다.
메시(구성 요소 시스템 섹션의 메시 항목)는 다양한 유형의 엔지니어링 분석을 위해 고품질 계산 메시를 자동으로 생성할 수 있는 다기능 메시 전처리기입니다. 이 모듈은 2D 모델의 경우 삼각형 및 사각형 요소를 기반으로 하고 3D 모델의 경우 사면체, 육면체 또는 피라미드 요소를 기반으로 계산 메시를 구성하기 위한 광범위한 도구를 제공합니다. 이 프로그램에는 구조적 및 구조화되지 않은 계산 메쉬를 구성하기 위한 알고리즘은 물론 유체 역학 분석에 특히 중요한 단단한 벽 및 기타 모델 기능 근처의 계산 메쉬에 대한 고품질 분해능이 포함되어 있습니다.
이제 우리가 모든 작업을 고려하는 것과 선택할 모듈에 대해 설명합니다. 첫 번째 기사에서는 이 주제가 얼마나 잘 될지 몰랐기 때문에 모듈을 간단히 살펴보았습니다. 이제 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.
정적 구조정적 공식에서 변형 가능한 고체의 역학 문제를 해결하도록 설계되었습니다. APDL 언어에서 명령 삽입을 사용하면 모듈의 기능을 확장하여 관련 문제(열탄성, 다공탄성, 전기탄성 등) 등을 해결할 수 있습니다.
과도 구조– 구조 역학 문제를 해결하기 위한 모듈입니다. 운동 방정식을 통합하기 위한 암시적 방식을 기반으로 합니다. Explicit Dynamics/AUTODYN/LS-DYNA – 구조 역학 문제를 계산하고 빠른 비선형 프로세스(고속 충격, 침투, 단편화, 파괴 등)를 모델링하기 위한 명시적 솔버 기반 모듈입니다.
강성 역학움직이는 시스템과 메커니즘의 역학을 시뮬레이션하도록 설계되었습니다. 메커니즘의 운동학은 부품과 연관된 좌표계를 지정하고 부품의 상대적 위치와 전체 메커니즘의 구성을 고유하게 결정하는 매개변수를 선택하여 설명됩니다. 움직이는 몸체
케인 형식의 운동 방정식으로 설명되므로 문제 해결의 높은 정확성과 속도가 보장됩니다.
정상 상태 열/과도 열– 정상/비정상 분석
정상/비정상 방정식 풀이를 기반으로 한 열장
정상적인 열전도율.
유체 흐름(CFX)유체 역학 문제와 복합 열 전달 문제를 해결하도록 설계되었습니다. 비정상성, 난류, 다성분 및 다상 환경, 화학 반응, 방사선, 음파 등과 같은 액체 및 기체의 광범위한 물리적 프로세스를 시뮬레이션할 수 있습니다. 회전 메커니즘의 조건에서 액체와 가스의 흐름을 시뮬레이션하는 데 필요한 터보 기계 공학.
유체 흐름(유창함) CFX 모듈과 유사한 기능을 가지고 있지만 화학 반응을 통해 흐름을 시뮬레이션하기 위한 더 넓은 범위의 모델과 방법이 포함되어 있습니다. 또한 계산 메시 편집기가 내장되어 있습니다.
전기 같은– 도체의 직류 전기장 모델링.
열전기– 고정 전열 분석을 통해 도체를 통해 전류가 흐르는 동안 열 방출 과정과 고체의 열 전달 과정을 연구할 수 있습니다.
모달– 모달 분석, 고유 진동수 및 진동 모드 계산.
고조파 응답– 조화 하중에 대한 구조물의 반응을 결정하기 위한 조화 분석. 강제 진동의 부정적인 결과(공진, 피로 등)를 평가할 수 있습니다. 특정 주파수 범위의 정상 상태 진동 모드만 계산됩니다.
응답 스펙트럼– 가속도에 의해 지정된 동적 하중에 대한 구조물의 반응 분석. 선형 스펙트럼 방법을 사용하여 단일 질량 진동 시스템의 최대 응답 가속도가 결정됩니다. 구조물의 내진성을 계산하는 데 사용됩니다.
무작위 진동– 무작위 진동 작용에 대한 구조물의 반응 분석
잔뜩 적용된 하중은 확률적 수량을 사용하여 지정됩니다.
Workbench에서 문제를 해결하는 단계는 다음 다이어그램으로 설명할 수 있습니다.
즉, 먼저 Design Modeler 또는 SpaceClaim Direct Modeler에서 형상을 생성하거나 다른 응용 프로그램에서 가져옵니다. 그런데 부품의 재료 특성 가져오기에 대해 ANSYS 라이브러리에 없으면 Inventor에서만 사용할 수 있습니다. 이렇게 하려면 확인란을 선택해야 합니다.
APDL에 모델을 설명하여 수학적으로 모델을 생성할 수도 있습니다.
가져올 때 재질의 속성 외에도 많은 것을 가져올 수 있습니다. 기본 형상 옵션에는 명확한 열 외에도 고급 형상 옵션이 있습니다. 여기에서 분석 유형(2D 또는 3D), 연관성(타사 CAD 시스템에 지정된 모델에 재료 특성, 경계 조건 및 하중을 전송하기 위한), 좌표계 가져오기, SmartCADUpdate(옵션은 다음을 가정함)를 선택할 수 있습니다. CAD 어셈블리에서 일부 부품이 변경된 경우 Design Modeler는 다시 가져올 때 변경된 부품만 업데이트합니다.
그런 다음 유한 요소 메쉬를 만듭니다. 이는 Meshing 및 ICEM CFD 모듈을 사용하여 수행할 수 있습니다. ANSYS는 ICEM 그리드 알고리즘을 개발하던 소규모 사무실을 인수한 후 개발을 중단했고 알고리즘은 점차 기본 ANSYS 그리드로 마이그레이션되었습니다.
다음으로 작업에 사용하고자 하는 분석의 종류에 따라 수학적 모델에 대한 설명을 하고 필요한 계산모듈을 선택한다. 예를 들어, 정적 하중의 영향을 받는 구조물의 응력-변형 상태(SSS)를 계산하려면 Static Structural 모듈을 사용해야 합니다. 이 단계에서는 재료의 특성, 문제의 경계 및 초기 조건을 설정하고, 계산 방법을 선택하고, 허용된 물리적 및 수학적 모델에 따라 솔버를 구성하고, 필요한 계산 정확도를 설정해야 합니다.
계산 프로세스는 완전히 자동화되어 있지만 솔루션 프로세스를 제어하는 것이 좋습니다. 솔루션의 동작과 수렴 기준 준수를 모니터링하고, 필요한 정량적 특성을 평가할 수 있는 추가 매개변수를 화면에 표시합니다. 솔루션 등
계산을 완료한 후에는 얻은 결과를 분석하고 가능하면 이를 사용 가능한 실험 데이터와 비교해야 합니다. 또한 결과 솔루션은 일반적으로 일련의 계산을 수행하여 달성되는 메쉬 요소의 크기에 의존해서는 안 된다는 점을 기억해야 합니다.
다양한 밀도의 메쉬에.
WorkBench 작업 영역으로 필요한 시스템을 꺼내고 모델을 로드한 후 모델 셀을 두 번 클릭하여 Mechanical을 엽니다.
인터페이스를 살펴보겠습니다.
상단에는 꽤 익숙한 드롭다운 메뉴가 있습니다. 바로 아래에는 도구 모음이 있습니다. 왼쪽에는 분석 트리가 있습니다. 그 아래에는 접촉, 힘 또는 메시 등 트리에서 선택한 요소의 모든 매개변수가 표시되는 창인 상세 뷰가 있습니다. 중앙에 그래픽 창이 있습니다. 트리에서 선택한 모든 항목이 여기에 표시됩니다. 그리드를 선택하세요 - 그리드가 표시되고, 최종 결과를 선택하세요 - 얻으세요. 그리고 오른쪽에는 초보자를 위한 팁, 즉 분석을 선택하고 이를 바탕으로 분석을 진행합니다. 완료된 항목은 녹색 체크 표시로 표시되고, 주의나 데이터가 필요한 항목은 i가 있는 녹색 원으로 표시되며, 해결해야 할 항목은 노란색 번개 표시로 표시됩니다.
분석 유형은 창 제목 상단에 표시되고, 애플리케이션 이름은 대시로 표시되며, 라이선스 유형은 대괄호 안에 표시됩니다.
드롭다운 메뉴를 살펴보겠습니다.
편집 메뉴에는 "복사" 및 "붙여넣기" 명령을 결합한 삭제, 복사, 잘라내기, 붙여넣기, 복제 등 개체의 상황에 맞는 메뉴를 통해 호출되는 작업이 포함되어 있습니다. 탭에는 한 번의 클릭으로 그래픽 창의 모든 객체를 선택할 수 있는 모두 선택 명령과 윤곽선 메뉴를 사용하여 텍스트 검색을 수행할 수 있는 트리에서 찾기 명령도 포함되어 있습니다.
보기 메뉴에는 선으로 구분된 별도의 그룹이 있습니다. 맨 위의 그룹은 가장자리 음영, 그리드 표현 등 기본 그래픽을 제어합니다.
그래픽 옵션이 약간 낮습니다(가장자리 페인팅 및 빔 표시).
단위 메뉴에는 사용 가능한 미터법 시스템 목록이 포함되어 있으며 기본적으로 항상 SI 시스템이 선택되어 있습니다.
도구 메뉴에는 세 가지 주요 명령이 포함되어 있습니다. 추가 기능(표준 메싱 기능을 확장하도록 설계된 사용자 정의 루틴을 로드/언로드할 수 있는 추가 기능 관리자 실행), 옵션(메싱 전처리기의 일반 설정에 액세스) 전역 그리드 매개변수에 대한 메쉬 및 값 기본값을 구성할 때 병렬화 프로세스 및 변수 관리자(응용 프로그램에서 변수 관리 관리자 실행)
음, 도움말에는 표준으로 참조 자료가 포함되어 있습니다.
이제 예상대로 도구 모음을 살펴보겠습니다.
이제 프로젝트 트리를 살펴보겠습니다.
사전에 해당하는 구성요소를 표시합니다.
모델의 프로세서 준비. 기본 - 프로젝트를 열 때 기본적으로 트리에 표시되고 선택 사항 - 특정 유형의 기하학적 모델에 대해서만 트리에 표시되거나 메시 모델 구성 중 특정 도구를 사용할 때 표시됩니다.
따라서 트리의 구성 요소는 다음과 같습니다.
- Geometry, main: 기하학 전처리기에서 전달되는 기하학적 모델 본체 목록을 포함합니다. 형상 구성 요소의 헤더를 선택하면 속성 창(세부 정보)에 트리 아래 형상의 전역 불변 특성이 표시됩니다. 목록에서 하나 이상의 바디를 선택하면 세부정보 창에 이러한 특정 바디의 설정(좌표계, 재질 등 선택)과 속성(기하학적 치수, 통계)이 표시됩니다. 따라서 문제의 물리적 공식이 기하학적 모델에 서로 다른 특성을 가진 여러 몸체의 존재를 암시하는 경우 이러한 각 몸체에 대해 고유한 특성을 지정할 수 있습니다. 기하학적 모델에 여러 개의 독립된 본체 또는 해당 그룹이 있는 경우 프로젝트 트리에 추가 연결 구성요소가 나타나 표면 간의 연결(마찰 있음, 없음 등)을 구성할 수 있습니다.
- 좌표계, 기본: 프로젝트에 사용되는 모든 좌표계(전역 및 로컬) 목록이 포함됩니다. 이 구성 요소의 상황에 맞는 메뉴를 사용하면 프로젝트에 새 좌표계를 추가하거나(삽입-좌표계) 기존 좌표계를 삭제/숨기기/복사할 수 있습니다.
- Mesh, main: 계산 메쉬를 구성하는 데 사용되는 모든 작업 및 도구 목록이 포함되어 있습니다. 이 구성 요소의 속성에는 전역 메시 설정이 표시되며 구성 요소의 상황에 맞는 메뉴를 통해 로컬 메시 설정을 지정하기 위한 다양한 도구를 사용할 수 있습니다.
- 명명된 선택(선택 사항): 메시 생성 메시에서는 계산 메시를 직접 구성하는 기능 외에도 후속 경계 조건 결정을 위해 개별 모델 요소에 이름을 지정할 수 있습니다.
적합성, 즉 일관성이란 요소가 조건을 충족하는 그리드를 의미합니다. 두 그리드 요소가 교차하는 경우 교차 영역은 공통 면(또는 가장자리)입니다.
그리드 순서를 이해하는 데 도움이 되는 그림입니다.
이제 메쉬 요소의 모양에 대해 설명합니다.
표면의 메쉬에는 삼각형과 사각형이라는 두 가지 유형의 요소가 있습니다.
체적 기하학의 경우 육면체, 사면체, 프리즘 및 피라미드를 기반으로 한 셀이 구별됩니다.
계산 메쉬는 하이브리드일 수 있으며 동시에 다양한 유형의 요소를 포함할 수 있습니다.
계산을 올바르게 평가하려면 등각 메시가 필요합니다. 즉, 변위와 변형이 발생하는 위치에서 메시가 더 미세하고 방향이 올바르게 지정되도록 배열해야 합니다. 2D 표면에 메시를 생성하기 위해 다음 세 가지 방법이 구현됩니다.
1. 사각형의 우세, 즉 사각형의 우세. 전체 메쉬는 주로 사각형을 사용하여 구성됩니다. 요소의 모양은 두 가지 모드가 있는 자유 면 메시 유형 설정에 따라 결정됩니다. All Quad 모드를 선택하면 그리드 전처리기가
개별 요소의 품질에 관계없이 영역을 사각형 요소로 강제 분할합니다. Quad/Tri 모드를 선택하면 전처리기가 사각형 요소의 메시를 생성하지만, 품질이 낮은 사각형 요소만 사용할 수 있는 복잡한 영역에서는 이러한 요소가 고품질 삼각형 요소로 대체됩니다.
2. 삼각형 메쉬 방법을 사용하면 삼각형 모양의 요소로 구성된 구조화되지 않은 메쉬로 영역을 나눌 수 있습니다.
3. MultiZone Quad/Tri 방법은 이전 두 방법과 달리 다음을 기반으로 합니다.
블록 기술을 사용하면 선택한 방법 설정에 따라 각 블록에 구조화된(가능한 경우) 또는 구조화되지 않은 메시를 후속 구성하여 복잡한 형상을 별도의 블록으로 자동 분해할 수 있습니다. 블록의 메시 요소 모양은 All Quad, Quad/Tri 및 All Tri(삼각형 메시 방법과 유사)의 세 가지 모드가 있는 Free Face Mesh Type 설정에 따라 결정됩니다.
MultiZone Quad/Tri 방법과 사변형 지배적 및 삼각형 메싱 방법 간의 차이점을 확인하려면 동일한 원을 고려하십시오. Quadritral Dominant의 경우 다음과 같은 그림을 얻습니다.
그리고 우리는 전체 영역에 대해 구조화되지 않은 메시를 얻습니다. MultiZone Quad/Tri 방법을 사용하면 구조화된 메쉬를 얻을 수 있으며 구성 프로세스 중에 형상이 자동으로 특징적인 블록으로 분해됩니다. 이를 통해 파트 1에서는 직사각형 요소로 구조화된 메쉬를 구축하고 파트 1에서는 구조화되지 않은 메쉬를 남겨둘 수 있습니다. 2 부.
약간 혼란스럽고 장황한 것으로 나타났습니다. 누가 마스터했든, 잘 했어요. 다음 글에서는 3D 메시에 대해 살펴보겠습니다.
메시와 그 품질이 최종 계산에 영향을 미친다는 점을 명확히 하기 위해 여기에 잘못 구성된 메시와 잘 구성된 메시의 예가 있습니다.
소개
항공 장비의 편의성을 높이려는 세계적인 추세에 따라 이제 장비는 비행할 뿐만 아니라 경제적으로 비행하면서 인간에게 불편을 최소화해야 합니다. 불편함을 유발하는 주요 요인 중 하나는 소음입니다. 80dB 이상의 값은 인간에게 유해한 것으로 간주됩니다.
에어로노이즈는 두 가지 클래스, 즉 매질의 입자가 흐름에서 혼합될 때 생성되는 클래스와 흐름이 고체 주위로 흐를 때 생성되는 클래스로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 클래스에는 제트 소음이 포함되고, 두 번째 클래스에는 와이어 주변의 흐름 소음(소위 바람 소리), 프로펠러, 팬 등이 포함됩니다. 유체역학적 기원의 소음은 수중 음향학에 의해 연구됩니다.
로터에서 방출되는 소음에는 와류(또는 광대역) 소음, 블레이드 회전 소음 및 블레이드 박수 소음이 포함됩니다. 이들 구성 요소 간의 차이는 처음에 보이는 것만큼 크지는 않지만 이러한 분류는 결과를 제시하는 데 유용합니다.
소음이 적고 효율적인 프로펠러를 만드는 것은 매우 심각한 문제입니다. 왜냐하면 이 두 가지 특성은 일반적으로 서로 상충되기 때문입니다. 이러한 나사를 개발하려면 새로운 재료나 디자인 아이디어를 사용해야 합니다.
1.소리의 이론적 정당성
헬리콥터는 가장 조용한 수직 이륙 항공기이지만 발생하는 소음 수준은 여전히 상당히 높습니다. 설계 과정에서 특별한 소음 감소 조치를 취하지 않으면 헬리콥터의 심각한 단점이 될 수 있습니다. 항공기 소음 요구 사항이 점점 엄격해짐에 따라 헬리콥터 설계 중 로터 소음 방출에 대한 연구가 중요해졌습니다. 프로펠러 블레이드 주변 흐름의 주기성으로 인해 소음 스펙트럼은 블레이드 통과 주파수 NQ의 배수인 주파수 근처에 눈에 띄게 집중됩니다(그림 1.1). 소음 방출은 양력과 항력의 일정한 성분이 블레이드와 함께 회전한다는 사실과 이러한 힘의 고주파수 성분의 변화로 인해 발생합니다. 고주파수 영역에서는 흐름 매개변수의 무작위 변화, 특히 자유 와류의 영향으로 발생하는 부하의 변동과 관련된 스펙트럼 선의 확장이 관찰됩니다. 음압은 주로 주기에 따라 시간에 따라 변화합니다. n/NQ, 예를 들어 압축성 및 와류로 인한 하중 변화의 징후와 같은 국부적인 공기 역학적 현상과 관련된 급격한 압력 피크가 있습니다. 로터에서 방출되는 소음에는 와류(또는 광대역) 소음, 블레이드 회전 소음 및 블레이드 박수 소음이 포함됩니다. 이들 구성 요소 간의 차이는 처음에 보이는 것만큼 크지는 않지만 이러한 분류는 결과를 제시하는 데 유용합니다.
소용돌이 또는 광대역 소음은 고주파 휘파람 소리로, 그 주파수와 진폭은 블레이드의 주파수를 갖는 주기적인 신호에 의해 변조됩니다. 이 소음은 본질적으로 무작위이며 블레이드에 가해지는 부하의 무작위 변화와 관련이 있습니다. 이러한 소음의 에너지는 가청 주파수 스펙트럼의 상당 부분에 걸쳐 분포되며, 메인 로터의 경우 범위는 약 150~1000Hz, 최대 약 300~400Hz입니다. (인간의 가청 범위는 1000Hz의 주파수에서 최대 인식으로 100-20000Hz라는 점에 유의해야 합니다.) 로터 와류 소음은 주로 난류 후류에서 블레이드의 통과로 인한 양력의 무작위 변화로 인해 발생합니다. 말단 와류는 생성에 특별한 역할을 합니다. 와류 소음의 다른 원인으로는 후연에서 나오는 전단 와류로 인한 블레이드 힘의 변화, 자유류 난류, 경계층 분리 및 난류가 있습니다. ("와류 소음"이라는 이름 자체가 원통 주위를 흐를 때 형성되는 것과 유사한 가로 와류 흔적과의 연결이라는 원래 개념을 반영한다는 점에 유의하십시오. 회전 소음의 최대 강도는 매우 낮은 주파수에서 떨어지므로 몇 가지 낮은 고조파는 가청 범위에 전혀 속하지 않을 수 있습니다. 따라서 회전 소음이 우세하더라도 인식을 고려할 때 가장 지각적으로 불쾌한 경우는 아니며 소용돌이 소음이 우세한 경우가 많습니다.
그림 1.1 - 메인 로터 소음 스펙트럼
회전 소음은 공기 중의 블레이드의 주기적인 힘에 의해 생성된 음압의 순전히 주기적인 변화에 의해 결정됩니다. 이러한 잡음의 스펙트럼은 주파수의 배수인 개별 주파수 선으로 구성됩니다. NQ블레이드의 통과. 회전 소음은 스펙트럼의 저주파 부분에서 우세하며 회전자의 경우 감지되지 않는 주파수에 해당합니다. 회전 소음은 헬리콥터 구조물의 진동과 피로 손상을 유발할 수 있습니다. 또한 저주파 소음은 대기권으로 잘 전달되는 반면, 고주파 소음은 헬리콥터에서 멀어질수록 더 빨리 감쇠됩니다. 따라서 헬리콥터로부터 먼 거리에서는 블레이드의 펄럭임과 로터 회전 소음이 가장 중요합니다. 헬리콥터는 일반적으로 로터가 회전하는 소음을 통해 음향적으로 감지됩니다.
소음은 특수 단위인 데시벨(dB)로 측정되며 비율에 따라 결정됩니다.
1dB=10 LG
로그 척도는 소리 신호의 크기 차수와 그 힘의 로그에 비례하여 소음에 반응하는 청각 능력의 차이를 더 잘 반영하기 때문에 사용됩니다. 필드의 특정 지점에서 음향 에너지 흐름의 강도는 양에 의해 결정됩니다.
어디 아르 자형는 압력 교란이고 는 매체의 교란된 운동 속도입니다. 순간값은 단위 면적당 방출되는 에너지를 나타냅니다. 원거리장에서 교란된 속도와 압력은 관계식으로 관련되어 있으므로 에너지 흐름의 강도는 다음 식으로 결정됩니다.
여기서 는 소리의 속도, 는 평균 공기 밀도, 는 음압의 제곱평균제곱근입니다. 따라서 음향 방사의 강도는 제곱 평균 제곱근 압력의 값에 의해 결정됩니다. 청각 기관과 항공기 설계는 대기압과의 압력 편차에 반응합니다. 따라서 소음은 음압 레벨에 따라 결정됩니다. SPL(음압 레벨), 기준 압력을 기준으로 데시벨 단위로 측정 SPL=20 LG.
이는 일반적으로 기준 압력으로 간주됩니다. 따라서 평균 제곱압의 스펙트럼 밀도 곡선은 소리 에너지의 주파수 분포 법칙으로 간주될 수 있습니다.
공기 역학적 블레이드 사운드 팁
2.소리 계산
2.1 계산 방법 선택
소리를 계산하기 위해서는 1장에서 볼 수 있듯이 부는 실험을 통해 얻은 실증적인 데이터가 필요하다. 퍼징 과정은 매우 비용이 많이 들기 때문에 이 모든 과정을 시뮬레이션하는 프로그램을 사용하기로 결정했습니다.
그러한 프로그램 중 하나는 앤시스그리고 그 모듈 CFX.
앤시스- 계산을 위해 유한요소법을 사용하는 소프트웨어 패키지입니다.
CFX- 소프트웨어 패키지 모듈 앤시스공기 역학적 특성 계산을 포함합니다.
2.2 블레이드 프로필 선택
계산을 수행하려면 프로필 아틀라스에서 수정 프로필을 선택합니다. 클락Y-15, 그 특성은 표 2.2.1에 나와 있습니다. 선택은 프로파일이 매우 간단하고 모델링할 때 어려움을 일으키지 않는다는 사실로 정당화됩니다. 3 디.
표 2.2.1 - 프로필 특성 수정 클라크 와이-15
여기서 케이 최대- 프로파일의 최대 공기역학적 품질, 씨 ymax - 최대 양력 계수, 씨 x분- 최소 항력 계수, 씨 중 0 - 종 방향 모멘트 계수의 값 씨 와이=0.
그림 2.2.1 - 받음각에 따른 날개 양력의 변화 그래프
그림 2.2.2 - 블레이드 프로필
그림 2.2.2에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션된 프로파일은 TsAGI 프로파일과 유사하지만 동일하지 않으므로 일부 계산 오류가 발생한다는 점을 알 수 있습니다.
2.3 블레이드 프로파일 계산
2.3.1 계산 영역의 정의
소리 데이터가 부족하여 블레이드 주변의 흐름을 분석해 보겠습니다. 앤시스 CFX, 모델의 정확성과 개선을 위한 대상을 결정하기 위해 프로파일을 불어넣는 경험을 시뮬레이션합니다. 클락Y TsAGI에 위치한 T-1 풍동의 -15입니다.
블레이드의 기하학적 특성은 표 2.2.1에 나와 있습니다.
계산 영역은 TsAGI가 사용하는 T-1 풍동에 따라 선택되었습니다.
표 2.3.1.1 - 계산 영역의 기하학
2.3.2 경계조건의 결정
앞서 언급했듯이 Ansys CFX는 유한 요소법을 기반으로 합니다. 즉, 방정식을 풀려면 경계 조건(방정식을 정의할 수 있도록)을 도입해야 합니다. 즉, 계산 입력 및 출력의 조건입니다. 도메인, 매체의 속성.
계산 조건을 작성한 후 이를 표 2.3.2.1에 입력합니다. 이 경우 아틀라스 및 방법론 매뉴얼을 따라야 합니다. ㅏ엔시스.
표 2.3.2.1 - 경계 조건
유속은 실험에서보다 높게 선택되어 결과에 어떤 영향도 미치지 않지만 더 높은 레이놀즈 수가 보장되고 모델이 실제 비행 조건에 더 가깝습니다.
그림 2.3.2.1- 계산 영역
그림 2.3.2.1은 계산 영역을 보여줍니다.
중앙의 좌표 원점에 블레이드의 프로파일이 위치합니다. 계산 속도를 높이기 위해 파이프와 블레이드의 절반만 대칭 평면을 기준으로 모델링되며, 이는 프로그램에서 사용하는 리소스도 절반으로 줄입니다.
2.3.3 메쉬 생성 및 계산
메쉬를 생성할 때 일반 메쉬(그림 2.3.3.1), 로컬 연삭 메쉬(그림 2.3.3.3) 및 경계층(그림 2.3.3.4)에 대한 매개변수가 고려됩니다.
그림 2.3.3.1 - 일반 메쉬 매개변수.
그림 2.3.3.2- 그리드 정의 메뉴.
그림 2.3.3.3- 로컬 메시 파티션 생성.
그림 2.3.3.4 - 경계층 정의.
전체 그리드의 최적 크기를 결정할 때 그리드 크기가 순차적으로 감소하고 셀 수가 증가하면서 다양한 값에 대한 계산을 수행합니다.
분 크기=1mm
최대 얼굴 크기= 70mm, 최대 크기=200mm.
|
와 함께, kg/m 3 |
|||||||||
표 2.3.3.1 - 메시 매개변수의 공기역학적 값 분 크기=1mm
최대 얼굴크기=50mm, 최대 크기=100mm.
|
파이, N |
px, N |
에스, m 2 |
와 함께, kg/m 3 |
||||||
이 경우 각도 0에 대한 오류는 무엇입니까? 표 2.3.3.2에 표시되어 있다.
표 2.3.3.2 - 판정 오류.
표 2.3.3.2를 기반으로 계산의 정확성을 높이려면 더 미세한 메쉬를 사용해야 한다고 결정했습니다. 매개변수 포함 맥스 얼굴 크기=50mm, 최대 크기=100mm.
경계층의 크기를 결정하려면 프로파일 위 높이를 따라 속도를 플롯해야 합니다.
그림 2.3.3.5 - 프로파일 경계에서의 속도 분포 그래프
a - 신체 경계에서의 속도의 이론적 값
b- 몸체와의 경계에서 얻은 속도 값
그림에 따르면 경계층의 두께는 약 18-12.77 = 5.23mm이며, 여기서 12.77mm는 블레이드 프로파일의 높이입니다.
2.3.4 메쉬 연삭 영역 결정
작업 영역의 압력 분포에 따라 메쉬 연삭 영역을 결정합니다.
그림 2.3.3.1 - 작업 영역의 압력 분포.
그림 2.3.3.2 - 그리드 분할 구역.
내부 구역의 크기는 625×100×900mm이고, 외부 구역은 외벽을 따라 1000×400×900mm, 내벽을 따라 800×120×900mm이다.
내부 영역의 셀 치수는 8mm이고 외부 영역의 셀 치수는 12.5mm입니다. 블레이드 표면의 메쉬도 매개변수를 도입하여 다듬었습니다. 얼굴 사이징 2mm 값으로. 계산에 사용된 셀 수는 812만 개였습니다.
와이+ 이에 따르면 지역별 그리드 모델의 적합도가 66에 도달했습니다.
그림 2.3.3.3 - 분포 와이+ 블레이드 프로파일을 따라.
와이+ - 경계층을 특징짓는 무차원 매개변수, 첫 번째 경계층에서 벽까지의 거리.
코너 4의 경우? 표 2.3.3.1에 표시된 다음 데이터를 받았습니다.
표 2.3.3.1 - 4° 각도에 대한 계산 결과.
결과를 더 큰 그리드 모델과 비교해 보겠습니다.
내부 영역의 메쉬 정밀도는 15mm이고 외부 영역은 30mm입니다.
블레이드 표면의 메쉬도 매개변수를 도입하여 다듬었습니다. 얼굴 사이징값은 5mm입니다.
계산에 사용된 셀 수는 214만개로 현저히 적고 계산 시간이 빨라졌습니다.
이러한 매개변수를 사용하면 계수 값 와이+ 이에 따라 로컬 구역의 그리드 모델의 적합성이 58에 도달합니다.
그림 2.3.3.4 - 분포 와이+ 더 큰 메쉬를 사용하여 프로파일을 따라.
표 2.3.3.2 - 더 큰 그리드에 대한 결과 값.
표 2.3.3.1 및 2.3.3.2에 따르면 양력 계산 오류는 다음과 같습니다.
따라서 오류는 낮은 값을 가지며 너무 미세한 메쉬를 만들 필요가 없습니다.
그림 2.3.3.5 - 허용된 계산 그리드.
2.3.4 프로파일 특성 계산
0으로부터의 각도에 대해 구성된 모델을 사용하여 프로파일의 특성을 계산해 봅시다. 16시까지?.
표 2.3.4.1 - 프로필 계산.
TsAGI에서 얻은 특성을 바탕으로 결과를 분석해 보겠습니다.
그림 2.3.4.1 - 프로파일의 공기역학적 품질
그림 2.3.4.2 - 프로필 끌기.
그림 2.3.4.3 - 프로파일의 양력.
그림 2.3.4.4 - TsAGI 프로필 특성.
그림 2.3.4.1-2.3.4.4를 바탕으로 결과에는 계산 방법, 난류 모델에 도입된 가정 및 프로파일의 기하학적 부정확성과 관련된 가장 높은 오류와 관련된 오류가 있다고 말할 수 있습니다. 우리는 디자인할 때 더 많은 수의 프로필 좌표(TsAGI 아틀라스에서와 같이 2개가 아닌)를 가진 아틀라스를 사용해야 한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
2.4 소리 계산
소리를 계산할 때 3가지 블레이드 모델이 사용됩니다. 팁이 수정되지 않은 블레이드, 링렛형 팁이 있는 블레이드, 팁이 수평으로 있는 블레이드. 계산 결과를 바탕으로 에어포일 팁의 설계 변경이 에어포일의 공기역학적 특성과 소음에 미치는 영향을 판단할 계획이다.
소리를 계산할 때 3가지 블레이드 모델이 사용됩니다. 수정된 팁이 없는 블레이드, 링렛형 팁이 있는 블레이드, 수평면에 팁이 있는 블레이드(그림 2 참조). 계산을 바탕으로 팁 디자인 변경이 프로파일의 소음 및 공기 역학적 특성에 미치는 영향을 결정할 계획입니다. 모델을 생성할 때 앞서 계산한 프로파일이 사용됩니다. 기본 공기역학적 특성 CX - 항력 계수, 수 - 양력계수, 에게 - 공기 역학적 품질은 표 1에 나와 있습니다.
표 2.4.1 - Ansys에서 얻은 프로파일의 공기역학적 특성
그림 1 - 블레이드 프로필
a- TsAGI Atlas, b- Ansys 모델
아틀라스에 제공된 프로필 데이터를 기반으로 기하학적 모델이 개발됩니다.
그림 2 - 블레이드 모델
수평 끝이 있는 a-모델, b-Linglett 유형.
소음 계산은 헬리콥터로부터 1.150m 떨어진 지상 모드에 대해 수행됩니다. 블레이드 설치 각도는 10°로 가정됩니다. 헬리콥터 이륙 중에는 대략 다음과 같은 값이 필요하다는 사실에 근거합니다. 계산은 이전과 동일한 원리에 따라 수행됩니다.
표 3 - 경계 조건
그림 3 - 계산 영역.
계산 영역의 차원은 다음과 같습니다.
높이 4m
반경 6m
측면 절단 각도는 30?
축에서 측면 절단부까지의 거리는 2m입니다.
블레이드 표면에 메쉬를 생성할 때 프로파일의 공기역학적 특성을 계산할 때 경계층과 동일하게 경계층이 생성되며, 5.23mm, 층수 N=10 경계 레이어는 소스 권장 사항에서 가져옵니다.
메시는 내부 영역이 160×900mm, 외부 영역이 800×3000mm로 더 넓은 영역에서 분쇄되었으며, 엔딩 추가로 인해 분쇄 깊이를 2000mm로 늘리기로 결정되었습니다.
그림 2.4.2 - 메시 분쇄 구역
계산 속도를 고려하여 셀 크기를 늘렸습니다.
그림 2.4.3 - 일반 그리드의 치수
그림 2.4.4- 내부 영역의 그리드 크기.
그림 2.3.5 - 외부 영역 그리드 크기.
그림 2.3.6 - 경계층의 크기.
총 셀 수는 1900,000입니다. 계산하는 동안 회전 사운드 주파수와 음압 레벨이 얻어졌습니다.
그림 5 - 1m 거리에서 다양한 블레이드의 소리 변화 그래프.
그림 6 - 150m 거리에서 다양한 블레이드의 소리 변화 그래프.
그림에 따르면, 설계 변경은 헬리콥터의 소음 수준에 긍정적인 영향을 미쳤으며 Linglett 유형 팁이 있는 블레이드의 소음이 감소했으며 부정적인 영향인 블레이드의 소음이 감소했다는 점에 유의해야 합니다. 수평 끝이 증가했습니다.
3. 공기역학 해석
공기역학적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 양력, 속도 분포 및 난류 측면에서 세 가지 블레이드를 비교합니다.
표 3.1 - 팁이 없는 블레이드에 작용하는 힘
표 3.2 - Linglett 팁이 있는 블레이드에 작용하는 힘.
표 3.3 - 수평 끝이 있는 블레이드에 작용하는 힘
표 3.1-3.3에서 볼 수 있듯이 프로파일 팁의 변화는 블레이드에 작용하는 힘에 큰 영향을 미치는 반면, 팁이 없는 블레이드는 Y축을 따라 "-" 힘을 받습니다. 이는 아마도 다음과 같습니다. 블레이드 뒤의 역류 형성에 대해서는 그림 3.1을 참조하십시오.
팁을 변경할 때 얻은 블레이드 주변의 흐름 패턴(그림 3.1-3.5 참조)은 블레이드 프로파일의 기하학적 변화가 공기 역학적 특성에 미치는 영향을 보여줍니다. 이는 공기 역학 및 블레이드 팁 설계 변경 분야에 대한 추가 연구가 필요함을 나타냅니다.
그림 3.1 - 팁이 없는 블레이드 뒤의 속도 벡터.
그림 3.2 - Linglett 유형 팁이 있는 블레이드 뒤의 속도 벡터
그림 3.3 - 수평 팁이 있는 블레이드 뒤의 속도 벡터
ZX 팁이 없는 칼날의 경우.
그림 3.4 - 평면의 속도 분포 ZX 수평 끝이 있는 칼날의 경우.
그림 3.5 - 평면의 속도 분포 ZX 링렛 팁이 있는 블레이드용.
결론
작업 중에 프로그램 계산의 원리와 절차가 결정되었습니다. 앤시스 CFX, 프로파일의 공기역학적 특성을 결정하고, 블레이드 회전을 계산하는 모델을 작성하고, 팁이 없는 블레이드, 링렛 유형 팁이 있는 블레이드, 수평 팁이 있는 블레이드, 블레이드의 세 가지 유형에 대한 사운드 계산을 수행했습니다. 이 블레이드의 공기 역학 분석이 수행되었습니다.
팁이 없는 블레이드는 평균 소음 수준을 가지며 회전 중 이 블레이드의 공기 역학적 특성은 낮고 양력은 음수이며 블레이드를 비틀어야 할 수도 있습니다.
Linglett 유형 팁이 있는 블레이드는 소음 수준이 가장 낮고 공기 역학적 특성은 평균이지만 이 블레이드에 의해 생성되는 양력은 수평 팁이 있는 블레이드보다 약간 낮습니다. 후자.
팁이 수평인 블레이드는 소음 수준이 가장 크며 양력도 가장 큰 값을 가지며 이는 블레이드 영역이 넓기 때문에 발생할 수 있습니다.
따라서 최적의 블레이드 및 팁 설계를 결정하기 위해서는 블레이드 및 팁 설계에 대한 추가 연구가 필요하며, 블레이드 회전 소음, 와류 소음 및 블레이드 박수 소음에 대한 연구가 수행되었다는 점도 주목할 필요가 있습니다. 고려되지 않았습니다.
서지
1. 존슨 W. 헬리콥터 이론: 2권의 책. 당. 영어에서 - M.: Mir, 1983. - (항공 및 로켓 및 우주 기술). 책 2. 1024초,
2. 항공 음향: 작품 모음 - M.: TsAGI, 1978. - 67 p. ; 25cm. -- (TsAGI.Proceedings; 1902호).-- 70k.
3. 항공 음향: 작품 모음 - M.: TsAGI, 1979. - 100 p. ; 26cm -- (TsAGI.Proceedings, 2000년호).-- 1.03
4.Ansys CFX- 솔버 모델링 가이드. 483초
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초음속 여객기 설계자가 해결해야 할 주요 문제 중 하나는 초음속 비행에 필연적으로 수반되는 음속 붐파의 강도를 최소화하는 것입니다. 소닉붐 강도가 감소된 초음속 항공기를 설계하기 위한 기초는 주어진 비행 모드(고도, 속도) 및 항공기의 기하학적 매개변수에 대한 지상의 음파 다이어그램을 직접 계산하는 것입니다.
소닉 붐을 계산하는 방법에는 항공기 배치 근처의 근거리장을 결정하는 문제와 대기 중 음파를 지구 표면으로 전파하는 문제라는 두 가지 문제를 해결하는 것이 포함됩니다. 흐름 문제를 해결하려면 유선형 본체의 모양, 흐름 영역(분리 또는 아음속 영역)에 대한 제한을 제거하고 실제 엔진의 작동을 시뮬레이션할 수 있는 가장 정확한 방정식을 사용할 가능성을 고려하는 것이 중요합니다. . 이 연구의 주요 목표는 Reynolds 평균 Navier-Stokes 방정식을 풀어서 소닉 붐을 계산하는 방법을 개발하는 것입니다. Reynolds 평균 Navier-Stokes 방정식의 해를 구현하는 시스템으로는 소닉붐 계산에 적합하고 테스트 예제를 테스트한 ANSYS CFX 소프트웨어 패키지(TsAGI 라이센스 계약 번호 501024)가 사용되었습니다.
Navier-Stokes 방정식의 병렬 계산 원리를 기반으로 하는 최신 소프트웨어 시스템은 복잡한 모듈식 구조를 갖고 있으며 기본 솔버 모듈 외에도 흐름에 대한 계산 실험을 효과적으로 수행할 수 있는 다양한 소프트웨어 도구가 포함되어 있습니다. 복잡한 구성의 몸체 주변의 가스 또는 액체. ANSYS CFX 및 ANSYS Fluent와 같은 최신 전산유체역학 소프트웨어 시스템의 기본 작동 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 1.
항공기
소닉 붐을 계산할 때, 즉 초음속으로 비행하는 항공기로 인해 발생하는 지구 표면의 교란을 결정할 때 3차원 흐름장은 두 영역으로 나눌 수 있습니다.
- 특징적인 크기의 구역 1 아르 자형몸길이 순서 엘(r~엘);
- 주문의 특징적인 크기를 가진 영역 2 아르 자형비행 고도 H (R~H).
대개 Н>>L(예를 들어 고도가 15,000m이고 항공기 길이가 50m인 경우 없음=300).
설명된 공식에서는 두 가지 문제를 해결해야 합니다. 그 중 하나는 3차원 흐름의 초기 데이터를 생성하고, 두 번째는 신체에서 지구 표면으로의 교란 전파를 계산합니다.
첫 번째 단계에서는 항공기 레이아웃 주변의 흐름을 계산하고 주변의 흐름 매개변수를 찾는 것이 필요합니다(그림 2). 표면 S1는 교란된 흐름과 교란되지 않은 흐름(마하 원뿔)의 경계이며, 평면은 S2, 다가오는 흐름의 속도와 평행하게 몸 아래에 있지만 닿지는 않습니다. 비행기 S3그리고 S4세그먼트에서 나오는 역마하 원뿔의 포락선에 의해 결정됩니다. AB.
ANSYS CFX 소프트웨어 패키지(그림 3)를 위해 특별히 개발된 매크로는 방법론을 기반으로 근거리 계산 데이터를 사용하여 지상의 소닉 붐 다이어그램을 계산할 수 있게 해줍니다. 매크로가 CFX-Post 포스트 프로세서에 통합되었습니다.
ANSYS CFX 환경에서
항공기 레이아웃 주변의 흐름 문제가 해결된 후 소닉 붐의 강도를 계산하려면 먼저 CFX 포스트 프로세서에서 다가오는 흐름과 평행한 평면을 생성해야 합니다. 이 평면은 항공기 아래에 위치하게 됩니다. 가까이에 있지만 만지면 안 됩니다(그림 4). 이 평면은 그림에 나와 있습니다. 2는 비행기에 해당 S2. 지상의 소닉붐을 결정하기 위해 이 방법을 사용하려면 비행기의 압력 분포를 정확하게 계산해야 합니다. S2. 이는 계산 메시의 품질에 대한 높은 요구 사항을 제시합니다. 준비시 항공기와 비행기 사이의 영역에서 국부 그라인딩을 사용해야합니다. S2.
매크로가 작동하려면 다음 매개변수를 설정해야 합니다.
- 입구 영역(Inlet Region) - 흐름이 계산 영역으로 들어가는 경계 표면입니다.
- Zhilin 비행기-비행기 S2;
- 대칭 - 전체 모델(전체) 또는 대칭 절반(절반)이 사용되는지 여부를 결정하는 매개변수입니다.
- 비행 고도 - 항공기 비행 고도;
- 몸체 길이 - 항공기의 특징적인 길이
- X 단계 수 - 세로 축을 따른 단계 수.
- 고도 단계 수 - 높이의 단계 수입니다.
마지막 두 매개변수는 공간의 이산화 정도를 결정합니다. 기본값(각각 500과 2000)을 사용하면 상당히 높은 정확도의 솔루션을 얻을 수 있습니다. 세로 축을 따라 단계 수를 늘리려면 많은 양의 RAM이 필요하며 프로그램 오류가 발생할 수 있습니다.
쌀. 5. Tu-144 항공기: a - 후면도; b - 현재 라인
계산 모델의 표면과 노즐 제트의 모양
MIPT 대학원생 조규철은 Ty-144 항공기에 대한 일련의 테스트 계산을 수행했습니다(그림 5). ㅏ). 계산은 CFX 소프트웨어 패키지와 개발된 매크로를 사용하여 이루어졌습니다. Tu-144 발전소를 모델링할 때 비행기 교란 장에 대한 엔진 제트의 영향도 고려해야 합니다. S2그리고 소닉 붐의 다이어그램입니다. 그림에서. 6 ㅏ본 작품에 사용된 발전소의 형태와 위치를 보여줍니다. 노즐 개구부의 방향과 각도는 그림 1에 나와 있습니다. 6 비. 제트 방향 θcd받음각과 노즐 각도( θc)최적의 값과 같다고 가정 — 10 .
a - 제트 유출의 다이어그램; b - 노즐
쌀. 7. Tu-144 항공기의 소닉 붐 다이어그램에 대한 엔진 제트의 영향: a - N자형 파동의 초과 압력 다이어그램, b - 실험의 두 번째 피크
실험 데이터와 비교한 계산 결과는 그림 1에 나와 있습니다. 7. 엔진 제트를 고려하면 초과 압력 다이어그램에 두 번째 피크가 생성됩니다(그림 7). ㅏ). 실험에서 Tu-144 항공기 음파의 초과 압력 다이어그램에는 더 강렬한 두 번째 피크가 있습니다(그림 7). 비), 이는 실험 중에 기록되지 않은 노즐의 흐름 각도에서 작동하는 노즐 제트의 영향의 결과일 수 있습니다. 쌀. 5 비계산된 제트 유출 매개변수에서 엔진을 작동하는 Tu-144 항공기 주변의 흐름 특성을 보여줍니다.
모든 버전의 ANSYS CFX에 적용 가능하고 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 근거리장을 결정하기 위한 도구로 사용된 이 산업 코드의 알고리즘에 유기적으로 포함된 생성된 매크로를 통해 우리는 다음을 계산하기 위한 효과적인 절차를 개발할 수 있었습니다. 지상의 소닉 붐.
문학
- Zhilin Yu.L., Kovalenko V.V. 소닉 붐 문제의 근거리장과 원거리 장의 연결 // TsAGI의 과학 노트, XXIX. 1998. No. 3 및 4. P. 111-122.
- Menter F.R., Galpin P.F., Esch T.,
Kuntz M., Berner C. 압력 기반 방법을 사용한 공기역학적 흐름의 CFD 시뮬레이션 // 논문 ICAS 2004-2.4.1. 일본, 요코하마, 2004. 11 p. - Vozhdaev V.V., Kovalenko V.V., Teperin L.L., Chernyshev S.L. 초음속 여객기 // Polet의 레이아웃을 연구할 때 지상의 음속 붐 강도를 결정하는 방법론. 2013. No. 10. P. 17-27.
- Zavershnev Yu.A., Rodnov A.V. 소닉 붐을 위한 1세대 초음속 여객기의 비행 테스트 // 국제 과학 및 기술 회의 "항공 과학의 새로운 개척" ASTEC'07, 모스크바, 2007년 8월 19-22일.