Все знают, какими шумными бывают взлёты самолётов. Это связано с тем, что на взлёте мощность авиационного двигателя и аэродинамическое сопротивление близки к максимальным. Оптимизация аэродинамики во время взлёта является ключом к достижению финансовых и экологических показателей в аэрокосмической отрасли.

Возможно, не всем это известно, но авиационное топливо является второй по величине статьёй расходов авиакомпаний после оплаты труда. А поскольку цены на него непредсказуемы, то можно ожидать увеличения расходов, если не будут приняты меры по оптимизации затрат.

Как упоминалось ранее, на взлёте мощность авиационного двигателя и аэродинамическое сопротивление близки к максимальным, поэтому наибольший расход горючего наблюдается именно на этом этапе полёта. Более того, в случае рейсов малой дальности во время взлёта самолёт может потратить до 25 процентов от общего запаса топлива. В Европе, например, 45 процентов всех рейсов считаются рейсами малой дальности – расстояние менее 500 км (311 миль).

Таким образом, снижение аэродинамического сопротивления при взлёте является одним из наиболее эффективных способов минимизации расхода топлива. Эту задачу позволяют решить инструменты вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics) и технологии высокопроизводительных вычислений (HPC – high-performance computing).

Оптимизация взлёта самолёта требует сложных расчётов

В первые 10 минут высота полёта, конфигурация и аэродинамические характеристики самолёта быстро меняются. Например, поначалу наблюдается значительный экранный эффект, но он уменьшается и исчезает по мере взлёта самолёта.

Кроме того, самолёт отрывается от взлётно-посадочной полосы с выпущенными предкрылками, закрылками и шасси. Однако шасси убирают, когда самолёт начинает уверенно набирать высоту, что значительно снижает аэродинамическое сопротивление и шум.

Если мы хотим отразить в расчёте все эти особенности, то придётся учитывать в модели такие явления гидрогазодинамики как:

• переходные режимы в пограничном слое;
• отрыв и присоединение потока;
• взаимодействия спутного следа с пограничным слоем.

Чтобы за краткие сроки получить точное решение такой сложной задачи гидрогазодинамики, потребуются мощные ресурсы высокопроизводительных вычислений (HPC) и возможности параллельной обработки данных.

Как выполнить расчёт взлёта самолёта всего за пару часов

Для того, чтобы корректно выполнить аэродинамический расчёт взлёта самолёта, потребуется сетка с десятками, а то и сотнями миллионов ячеек. А это означает, что перед нами стоит непростая задача, ведь для расчёта взлёта самолёта с такой огромной сеткой потребуется большая вычислительная мощность.

Однако теперь, благодаря программному продукту ANSYS Fluent и суперкомпьютерам Cray серии XC, этот расчёт можно выполнить на 2000 вычислительных ядрах всего за два часа, используя сетку со 189 миллионами ячеек.

Компания ANSYS рекомендует именно такие параметры, поскольку они были проверены в рамках форума по расчету подъемной силы (High Lift Prediction Workshop – HiLiftPW), организованного Американским институтом аэронавтики и астронавтики (AIAA). При этом было проработано три варианта тестовых расчётов, рассмотрено две конфигурации закрылков и четыре варианта сеток.

Результаты расчётов были экспериментально подтверждены на дозвуковой аэродинамической трубе Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) и показали отличное совпадение данных. Сравнение производилось по значениям аэродинамических сил, моментов и коэффициентов давления, наряду с визуализацией методом масляной плёнки.

Подробнее о выполненных расчетах и экспериментах можно прочесть в статье Cray and ANSYS Give Aircraft Takeoffs a Big Lift (на английском языке). А дополнительную информацию о развёртывании высокопроизводительных вычислительных кластеров локально или в облаке вы найдете в статье HPC Clusters Made Easy for Engineering Simulation (на английском языке).

Источник: www.ansys.com
Автор: Wim Slagter, Krishna Zore