Ansys CFX позволяет сократить время разработки воздушных винтов и подъемных воздухонагнетателей для судов на воздушной подушке (СВП).
Отдел разработки морских систем компании CDI (CDIM-SDD, ранее называвшийся Band, Lavis, & Associates, Inc.)  использует компьютерное моделирование для создания подъемных воздухонагнетателей и воздушных винтов для перспективных крупных судов на воздушной подушке (СВП). Использование программного комплекса ANSYS позволяет существенно сократить время проектирования в сравнении с ранее используемыми традиционными методами расчета. Разрабатываемое СВП будет использоваться для перевозки грузов и пассажиров и будет иметь в два раза большую полезную нагрузку по сравнению с существующими судами такого же типа. Перед сотрудниками CDIM-SDD была поставлена задача разработать новый воздушный винт под мощность в два раза большую, чем подводимая к винтам в настоящее время. Увеличенная в два раза полезная нагрузка также потребовала разработать новые подъемные воздухонагнетатели, способные обеспечивать большее давление и расход воздуха.

Было использовано специализированное программное обеспечение для построения геометрии лопастей и программный комплекс вычислительной гидродинамики ANSYS CFX для расчёта характеристик различных вариантов конструкции. Были определены потребная мощность, тяга, распределение скоростей на входе для воздушных винтов, а также потребная мощность, расход воздуха и повышение давления на воздухонагнетателях. ANSYS CFX позволяет выполнить практически любой расчёт динамики жидкости и газа. При этом расчёт в ANSYS CFX может быть успешно выполнен для любой задачи, в которой грамотно задана геометрия и граничные условия. Большие задачи с высоким уровнем детализации можно решать на кластере из четырёх компьютеров частотой 2,6-2,8 Гц [примечание переводчика: необходимо учесть, что статья была опубликована в 2005 году], причём ANSYS CFX автоматически распределяет вычисления между компьютерами.

Моделирование, анализ и перепроектирование

Сотрудники CDIM начали с моделирования лопастей существующего воздухонагнетателя в версии CFX-5 с использованием CFX-TurboGrid для создания сетки. Расчёт воздушного винта был проведен после расчёта системы воздухонагнетателя, когда было определено, какая доля общей установленной мощности доступна для привода на винт. Модуль CFX-TurboGrid был использован для создания сетки как вокруг лопастей винта, так и для направляющего аппарата. CFX-TurboGrid позволил сотрудникам CDIM быстро создавать сетку при изменении геометрических параметров (например, при исследовании зазора между законцовкой лопасти винта и кольцом) и для различных расчётных случаев, в которых изменяется угол установки лопастей.

Расчёт исходной конструкции показал хорошее совпадение результатов расчёта с экспериментальными данными по существующему СВП. Это позволило сотрудникам CDIM направить свои усилия на создание нового проекта. Новая геометрия лопастей была построена на основе проведенных расчётов с помощью специализированного программного обеспечения, которое позволяет работать с многочисленными параметрами геометрии лопасти. Полученная геометрия была импортирована в CFX-TurboGrid для создания сетки. Расчётная область для моделирования системы воздухонагнетателя в ANSYS CFX включала внешний объём, с которого воздух поступает во входное устройство, вращающийся вентилятор с лопастями и спиралевидный направляющий аппарат с двумя раздельными выходными устройствами различной геометрии. Для определения распределения скоростей на входном устройстве был проведен расчёт всего судна в целом, этот этап был крайне важен для определения потребной мощности и тяги воздушного винта.

Оптимизация проекта на основе итерационного анализа

Итерационный характер проектирования был реализован путём передачи результатов каждого расчёта, проведенного в ANSYS CFX, в программное обеспечение для построения геометрии лопастей. Такой подход позволил инженерам CDIM рассмотреть большое количество вариантов конструкции и, в итоге, получить оптимальную геометрию. Процесс проектирования с использованием ANSYS CFX занял на порядок меньше времени, чем потребовалось бы, как это делалось ранее, для разработки, создания прототипа и испытаний даже одного варианта конструкции. Наконец, с помощью CFX-5 сотрудники CDIM рассчитали аэродинамическую трубу для испытаний лопастей воздушного винта. Результаты  расчетов хорошо согласовывались с результатами последующих натурных испытаний.

Этот проект наглядно показывает, что ANSYS CFX – бесценный инструмент для анализа системных решений. Главное его преимущество состоит в том, что все элементы системы могут рассчитываться совместно, что позволяет оценить их взаимное влияние и определить общие характеристики системы. Даже детали простой геометрии могут представлять сложность для расчёта, если они работают в тесной взаимосвязи. Используя итерационный подход и связав специализированные инструменты и методы проектирования с ANSYS CFX, сотрудникам CDIM удалось разработать оптимальную геометрию ключевых элементов СВП. Разработка подъемного воздухонагнетателя и системы воздушного винта под требования перспективного СВП потребовала небольших временных затрат и минимального количества натурных испытаний.

Распределение статического давления на выходе из спиралевидного направляющего устройства воздухонагнетателя.

Распределение скоростей потока в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения винта. Видно ускорение потока перед входным устройством и распределение скоростей на выходе из кольца.

Источник: ANSYS Solutions, Spring 2005
Автор: John Purnell, ведущий инженер отдела разработки морских систем компании CDI