Моделирование входа космического аппарата в атмосферу
advertisement
Рис. 7. Эффективность захвата капель поверхностью гондолы двигателя при нулевом курсовом угле. Красным цветом отмечены результаты численного эксперимента, а черным — результаты натурных испытаний в аэродинамической трубе углу, а на рис. 8 — углу в 45°. На обоих рисунках результаты численного моделирования хорошо согласуются с известными экспериментальными данными2. В этих исследованиях программный комплекс FLUENT применялся для изучения основ­ных закономерностей осаждения частиц воды из потока на различные препятствия, такие как крыло самолета или гондола двигателя. Располагая данными по эффективности захвата, всегда можно оценить скорость нарастания льда на интересующем пользователя участке корпуса самолета. Сложности в проведении трехмерных экспериментов, связанных с обледенением, приводят к тому, что для исследования многих сотен возможных Рис. 8. Эффективность захвата капель поверхностью гондолы двигателя при курсовом угле в 45°; использовалась модель DPM полетных условий приходится полагаться на аналитические расчеты и численные эксперименты. Для прогнозирования характера обледенения использовались две различные модели многофазных сред FLUENT. Полученные с их помощью результаты отлично согласуются друг с другом — частично за счет того, что объемная концентрация воды в воздухе была небольшой. Это дает основание инженерам, занимающимся исследованием обледенения самолетов в широком диапазоне полетных условий, сократить число испытаний в аэродинамической трубе и в ряде случаев заменить их численными экспериментами с применением CFD-пакетов. Моделирование входа космического аппарата в атмосферу Марса Исследователи Dipartimento di Scienza e Ingegneria dello Spazio (DISIS) из Universitа degli Studi di Napoli (Италия) применили FLUENT для моделирования вхождения космического аппарата в атмосферу Марса. 2 Условия марсианской атмосферы на Земле моделируются с помощью ударных труб, плазматронов, высокоэнтальпийных дуговых устройств. Для решения этой задачи инженеры DISIS доработали стандартный симулятор входа См.: Papadakis, M., Elongonan, R., Freund, G. A. Jr. et al. Указ. соч. www.ansyssolutions.ru ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007 Технологии Распределение температуры вокруг космического зонда при входе в атмосферу Марса со скоростью 6 км/с космических аппаратов в атмосферу (в англ. — SPES), в результате чего он приобрел способность моделировать существенные тепловые и гидродинамические нагрузки, характерные для входа космических аппаратов в атмосферу планет. SPES представляет собой плазменную аэродинамическую трубу мощностью 40 кВт, в которой можно воспроизводить температуры и газовые смеси различного состава, типичные для процесса входа космических аппаратов в атмосферу планет. В частности, для моделирования марсианской атмосферы с удельными энтальпиями, соответствующими условиям свободного полета, можно использовать смеси из углерода, кислорода и азота в разных молекулярных формах. Температуры в установке SPES могут достигать 15000 K, а плотности — 0,005 кг/м3. Была проведена верификация FLUENT на предмет корректного прогноза неравновесных эффектов, наблюдаемых при высоких температурах в сверхзвуковых аэродинамических трубах типа SPES. Результаты численного моделирования сравнивались с экспериментальными данными. При нормальных условиях свободного потока марсианская атмосфера состоит в основном из CO2 и N2. Но при движении объекта со сверхзвуковой скоростью на его передней (головной) части образуется скачок уплотнения. Температура в этом месте резко повышается, что вызывает процессы диссоциации и рекомбинации. В результате появляются еще шесть дополнительных соединений. Подобные явления наблюдаются и при возвращении космических кораблей на Землю. www.ansyssolutions.ru Атмосфера Земли состоит в основном из O2 и N2. Высокие температуры, возникающие при входе в плотные слои атмосферы, вызывают реакции, в результате которых образуются и другие молекулы. Модель FLUENT, имитирующая условия атмосферы Марса и SPES, включала восемь молекул (CO2, CO, C, O, O2, N2, N и NO), между которыми протекало четырнадцать реакций. Большинство плазменных аэродинамических труб не приспособлены для масштабных продувок макетов, поскольку в них невозможно одновременно воспроизвести все безразмерные параметры, например число Маха, Рейнольдса и Дамкелера. Поэтому при продувках в аэродинамических трубах инженеры обычно интересуют- Газовый состав атмосферы Марса на линии торможения космического зонда ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007 Температуры и линии тока вокруг модели капсулы в экспериментальной камере SPES (в условиях «марсианской» атмосферы) ся только одним конкретным параметром потока. Например, для тестирования системы тепловой защиты обшивки летательного аппарата они мо- гут воспроизводить один и тот же тепловой поток и полную удельную энтальпию. Но даже в этом случае при равной полной энтальпии наблюдаются различия между условиями свободного полета и продувки в аэродинамической трубе, вызванные неравновесными эффектами. Если CFD-пакет способен корректно моделировать эти явления в масштабе лабораторного эксперимента, то его данные можно экстраполировать для действительных условий свободного полета при входе в атмосферу. При высоких температурах материал поверхности зонда может выступать в роли катализатора, способствующего рекомбинации атомов. Граничные условия, заданные во FLUENT, учитывали результаты экспериментальных измерений каталитических свойств различных материалов обшивки. Это позволило исследователям решить одну из главных задач эксперимента, которая состояла в оценке тепловых потоков в точке торможения при использовании в обшивке зонда материалов с различными каталитическими свойствами. Полученные результаты свидетельствуют, что каталитические свойства поверхности оказывают большое влияние на протекающие вблизи корпуса реакции в атмосфере, подобной марсианской. Технологии CFD в задачах гидроэнергетики Latif Bouhadji, ASL-AQFlow, Inc. (Канада) Плотина Lower Monumental в Келотусе (шт.Вашингтон, США) Водоприемники водозаборов ГЭС располагаются перед турбинами и выравнивают поток на входе в них. Кроме того, для защиты водо- www.ansyssolutions.ru приемных устройств от мусора, который всегда присутствует в воде, наносов и т.п. используются сороудерживающие решетки. Улучшая параметры течения в водозаборах, нельзя забывать, что вода — это среда обитания различных видов рыб, для которых необходимо предусмотреть возможность обхода водозаборов. Компания ASL-AQFlow, Inc. разработала акустический сцинтилляционный расходомер (ASFM) для бесконтактного измерения скорости и расхода жидкости через водоприемники низконапорных гидроэлектростанций. Эти измерения позволяют гидроинженерам оценивать эксплуатационную эффективность турбин и степень влияния рыбозащитных устройств на производительность водозаборов. Погрешность измерения полного расхода жидкости при помощи ASFM составляет приблизительно 1%. ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2007
