Обледенение в полете является критическим для безопасности аспектом конструкции самолета, однако это очень сложное физическое явление, которое чрезвычайно трудно воспроизвести с помощью дорогостоящих физических испытаний. Недавние нормативные изменения и внимание отрасли к особым опасностям, представляемым высотными кристаллами льда и переохлажденными крупными каплями (SLD), еще больше усложнили процесс проектирования и время вывода на рынок новых самолетов и технологий.
Новинка: точное прогнозирование ледохода
Усовершенствованный решатель напряжений точно решает проблемы растрескивания и выпадения массы наросшего льда из-за вращательных и аэродинамических сил. Эту новую функцию можно использовать для лопастей вентиляторов, пропеллеров и роторов вертолетов. Для вращающихся компонентов выпадение льда может вызвать дисбаланс, повреждение на выходе или даже загрязнение камеры сгорания.
Новинка: поддержка CFX для защиты от обледенения
CFX теперь можно использовать для точной оценки противообледенительных характеристик при анализе сопряженной теплопередачи (CHT).
Крейсерский полет коммерческого самолета на высотах, где неблагоприятные метеорологические явления, такие как ледяные облака, редки, и их, как правило, можно избежать. Но во время взлета и посадки они, возможно, не смогут избежать пересечения атмосферных слоев, где неблагоприятные условия полета могут возникнуть в самый неподходящий момент: на малых скоростях и больших углах атаки, когда даже небольшое количество льда может образоваться и радикально ухудшить тщательно оптимизированные аэродинамические характеристики крыльев и руля. Поэтому коммерческие самолеты оснащены системами защиты от обледенения и должны быть сертифицированы для безопасных полетов в известных условиях обледенения.
ANSYS FENSAP-ICE предлагает передовое программное обеспечение для трехмерного моделирования, проектирования и сертификации, которое обеспечивает улучшенные аэродинамические решения и решения для защиты от обледенения в полете экономически эффективным способом за счет решения всех пяти основных аспектов. бортового обледенения:
- Поток воздуха
- Удар капельки и ледяного кристалла
- Обледенение
- Аэродинамическая деградация
- Тепловые нагрузки для защиты от обледенения и удаления обледенения
FENSAP-ICE совместим с широко используемыми генераторами сеток на основе CAD, поэтому возможно повторно использовать сетки, уже созданные для аэродинамических исследований. Не имея значительных геометрических ограничений, он применим к самолетам, винтокрылым машинам, UAVs, реактивным двигателям, гондолам, зондам, детекторам и другим установленным системам. OptiGrid - это инструмент оптимизации анизотропной сетки, который включен для простого получения высококачественных результатов, не зависящих от пользователя.
Возможности
FENSAP-ICE может рассчитать трехмерную форму льда, изморози или льда смешанного типа на любой поверхности самолета для любых условий обледенения. Он имеет встроенный графический интерфейс для облегчения выбора условий обледенения из приложений C, D и O. Формы льда на крыльях, стабилизаторах, управляющих поверхностях, датчиках данных о воздухе, роторах и гребных винтах, лопастях и каналах турбореактивных двигателей, обтекателях, камерах и т. д. можно использовать для оценки снижения производительности. Обледенение на заборных решетках можно использовать для расчета эффектов засорения. Предлагаются различные модели шероховатости, в том числе аналитическая модель, исключающая зависимость от эмпирических корреляций. С помощью Multishot можно моделировать большие рожки глазури в 2D и 3D. Параметр «Расширенные данные обледенения» позволяет моделировать форму льда «клюв», которая растет, когда температура застоя выше точки замерзания.
Накопление льда на крыльях, стабилизаторах и роторах ухудшает аэродинамические характеристики этих компонентов. Это снижает подъемную силу, увеличивает скорость сваливания, уменьшает угол атаки сваливания, значительно увеличивает сопротивление, которое может быть трудно преодолеть для небольших самолетов, вызывает сильные вибрации роторов вертолетов, увеличивает блокировку между лопастями ротора компрессора турбомашины и т. Д. Только шероховатость льда из-за простых миллиметров льда достаточно, чтобы вызвать заметные изменения аэродинамических характеристик. Сильное нарастание льда на стороне всасывания крыльев может привести к потере контроля над элеронами, в то время как лед на горизонтальных стабилизаторах может вызвать срыв хвоста. Несчастные случаи случаются из-за обледенения в полете, и, к сожалению, некоторые из них закончились смертельным исходом. FENSAP-ICE может рассчитать воздушный поток на обледеневшем самолете с измененной сеткой с измененной поверхностью, с учетом аналитически рассчитанного распределения шероховатости льда. Затем результаты можно использовать для оценки потерь производительности замороженных компонентов.
В 2014 году FAA расширило требования к сертификации, представив Приложение O, в котором описываются две основные среды с переохлажденными крупными каплями (SLD): замерзающая морось и ледяной дождь. SLD могут обойти системы защиты от обледенения, разработанные в соответствии с Приложением C, и поэтому они очень опасны. FENSAP-ICE предоставляет комплексные модели и удобную среду для поддержки SLD.
Аналогичная графическая среда представлена в Приложении D, также представленном в 2014 году Федеральным управлением гражданской авиации для обеспечения защиты от трудно обнаруживаемых кристаллов льда, возникающих на больших высотах над сильными конвективными ячейками. FENSAP-ICE позволяет пользователю определять общее содержание воды и содержание воды в жидкой среде, предоставляет все модели для моделирования сложной физики образования кристаллического льда и охватывает всю среду кристаллов льда.
Функция FENSAP-ICE Turbo может точно прогнозировать очень сложную трехмерную среду обледенения в многоступенчатых компрессорах. Агентства по безопасности полетов сообщили о многих инцидентах с турбовентиляторными двигателями, характеризующимися срывом пламени или откатом в присутствии кристаллов льда на большой высоте. Недавние исследования показали, что в компрессоре низкого давления может образовываться лед в средах со смешанными фазами, содержащими небольшие капли или не содержащие их, но с большой концентрацией кристаллов льда. Из-за своих сложных кинематических свойств кристаллы льда могут проникать в сердечник компрессора, где они начинают таять из-за повышения температуры на пути прохождения газа, в конечном итоге прилипая к поверхностям и вызывая нарастание льда. Обледенение вызывает искажение и закупорку воздушного потока, что приводит к откату компрессора и даже к скачку давления.
Эффективность систем защиты от стравливания воздуха или электротермической защиты от льда (IPS) можно изучить с помощью FENSAP-ICE посредством сопряженной теплопередачи (CHT) между воздухом, водой, льдом и твердыми материалами, составляющими IPS. Области воздушного потока отделены от металлической или композитной обшивки компонента самолета, поэтому можно использовать все решатели воздушного потока Ansys. Для систем с отводом воздуха вычисляется установившееся тепловое равновесие между доменами, чтобы убедиться, что защищенная область свободна от льда. Для электротермических систем время отклика IPS на циклическую активацию нагревательных прокладок анализируется с помощью зависящего от времени моделирования CHT, охватывающего фазовый переход, теплопроводность и возврат воды, чтобы точно предсказать количество льда, который образуется, тает и повторно замерзает. Можно проанализировать самые разные конфигурации IPS.
Одна из основных трудностей CFD заключается в том, что вычислительные сетки должны быть сгенерированы до того, как можно будет узнать местоположение и детали решения, - эмпирический процесс, который требует взаимодействия с пользователем, но неизменно приводит к неидеальным результатам.
OptiGrid устраняет эту трудность, оценивая и затем равномерно распределяя ошибку усечения переменных решения с помощью четырех операций: укрупнения, уточнения, замены и перемещения узла. Первые три операции ускоряют оптимизацию, но только перемещение узла гарантирует, что расположение узлов, длина ребер, направления и соотношение сторон ячеек действительно оптимизированы и соответствуют желаемым требованиям.
Преимущества заключаются в превосходной точности на наиболее эффективных в вычислительном отношении сетках и исследовании независимости сетки каждый раз, когда выполняются циклы решения и оптимизации сетки.