Repülőgép CFD Szimuláció a NASA Common Research Modell Felhasználásával

A legnagyobb kihívást minden repülőgép CFD szimuláció esetén a megfelelő geometria előállítása jelenti. Biztos vagyok benne, hogy találkoztál már olyan csilli-villi CFD szimuláció eredményekkel, amelyek mindenféle vadászgépeket mutatnak, de ki kell ábrándítsalak. Ezek a modellek a legnagyobb jóindulattal is csak közelítésnek tekinthetők, semmi többnek. Minél megbízhatóbb a forrás, annál valószínűbb, hogy elfogadható közelítésről van szó. Saját tapasztalatból tudom, hogy egy repülőgép IGAZI modelljét megszerezni óriási kihívás, majdnem lehetetlen. Legyen szó akár egy utasszállító gépről, katonai gépről nem is beszélve. És ha meg is küldik az IGAZI modellt mert az ügyfeled a saját projektjéhez megkapta a repülőgép gyártójától az IGAZI(!) repülőgéppel együtt, akkor is csak ahhoz a munkához használhatod, semmi máshoz. Nem készülhet közösségi média poszt belőle csak azért, hogy virítsd kinek dolgozol.

Nekünk, akik ezzel foglalkozunk viszont szükségünk van arra, hogy leteszteljünk egy-egy turbulencia modellt vagy fal menti prizma réteg vastagság beállítást, hogy az IGAZI repülőgép CFD szimuláció munka gyorsabb, hatékonyabb legyen. A jó hír, hogy van megoldás a pontos geometria problémájára. Úgy hívják, hogy a NASA Közös Kutatási Modell (Common Research Model), vagy röviden CRM.

A kutatható geometria hiánya egy mindenkit érintő probléma

A repülőgép ipar szereplői kénytelenek voltak szembenézni azzal, hogy a szigorodó környezetvédelmi előírások miatt szükséges légellenállással és felhajtóerővel kapcsolatos kutatásokat nem tudták összehangolni a közösen használható geometriák hiánya miatt. Ezt a problémát felismerve 2010-ben John C. Vassberg (a Boeing munkatársa) tervezett egy repülőgép modellt, amelynek törzse valahol a Boeing 777 és 787 között volt. És kifejezetten ehhez a széles törzshöz tervezett egy hangsebesség körüli repülésre alkalmas szárnyat is. Így született meg a CRM [1].

A 2010-től összehangolt erőfeszítések során a Boeing vezette az aerodinamikai tervezést, a NASA vállalta a szélcsatorna modell tervezését és gyártását. Ebből következik, hogy ha ezzel a modellel akarsz dolgozni, a NASA weboldalán találod meg a szükséges adatokat és eredményeket [2].

Mindenki hozzáférhet, de még dolgozni kell vele

A közös aerodinamikai kutatási alapok létrehozása érdekében tett minden erőfeszítés elismerésre méltó és nagyon fontos. Azonban ha el akarsz kezdeni dolgozni az ott fellelhető modellekkel, a saját munkádra is szükség lesz. Hogy mennyi dolgod lesz, mire egyáltalán el tudod indítani a CFD szimulációt, a CAD és a CFD szoftvereidtől függ. Ez nem olyan, hogy gyere gombóc, hamm, bekaplak.

Több modell is van a CRM oldalán, jól nézd meg, hogy melyiket használod. Az általam használt változatot a High-Speed CRM/Geometries/DPW6 Geometries könyvtárban találod. Én azért választottam a DPW_v09_2016_01_28_ParasolidR25 modellt, mert az én CAD szoftverem a parasolid modelleket (.x_t kiterjesztéssel) szereti a legjobban. Ha letöltöd, ezt kapod:

Mivel a CRM-et úgy tervezték, hogy elsősorban a szélcsatornában legyen használható, eredetileg nem terveztek hozzá függőleges vezérsíkot. Viszont másoknak is kellett a teljes repülő modellje, ezért terveztek hozzá egyet a Boeing 777 vezérsíkja alapján. Amit ugyanott találsz, mint ahol a DPW6 modellt. A függőleges vezérsík sem passzolt tökéletesen a törzshöz. Ezért a vezérsík alsó felületét lejjebb kellett mozgatnom megnyújtva ezzel a modellt, miközben a törzshöz viszonyított helyzete nem változott.

Így lesz kész és teljes a CRM

Én mindenképpen egy valós méretű (nem méretarányosan kicsinyített), tiszta, zárt térfogat (és nem felület) modellt akartam, mivel ilyenre volt szükségem a későbbi tesztekhez. Ehhez a törzs felület modelljét a szimmetria sík mentén be kellett zárni. Ha te is ezt akarod, bizonyosodj meg arról, hogy a szimmetria valóban sík. Én a géptörzs nyitott oldalának körvonalát használtam a szimmetria felület létrehozásához és mivel ez nem síkot adott, egy kicsit faragnom kellett a zárt térfogaton. Ezt leszámítva egyébként a türközés után a géptörzs felek szépen illeszkedtek.

És ha már a valós méret szóba került, az én CAD szoftveremben a DPW6_v09 modelt a 25.4-szeresére kellett nagyítanom. Gondolom a parasolid beállítások miatt volt ez így, mivel az eredeti CRM modell 22 láb (6.7056m) hosszú volt. Az [1] állítja, hogy a fesztáv 2323.5 coll (58.7629m) és miután felnagyítottam a modellt, az általam a szárny két legkülső vége között mért 58.918m egész jól közelítette ezt. Miután minden alkatrészt összeillesztettem, a teljes CRM modell így nézett ki:

A Reynolds szám az alapja mindennek

A saját eredményeid és szimulációs beállításaid ellenőrzése érdekében először referencia eredményeket kell találnod. A Vassberg cikk [1] ebből a szempontból is fontos adatokat tartalmaz. Vannak benne színes ábrák, amelyek a nyomástényező (Cp) eloszlását mutatják a repülőgép felületén. A részletesebb ábrák a szárny-törzs (WB) konfigurációra vonatkoznak (nincsenek vezérsíkok és hatómű gondola). De a 20. oldalon viszont van egy grafikon sorozat, ahol összehasonlítja a WB és a szárny-törzs-hajtómű-gondola (WBNP) Cp értékeit. Az összehasonlítást a szárny fesztáv bizonyos százalékainál kijelölt állomásokon végzi el, amely fontos és értékes adatokkal szolgál a munkához.

Néhány ábra közli, hogy a bemutatott eredmények milyen repülési körülmények között készültek, néhány ábra viszont nem. Azok, amelyek a repülőgép felületén a Cp térképet mutatják, például nem közlik az állásszöget (Angle of Attack, AoA, alfa, vagy α). A szövegben állítják, hogy egy ilyen repülőt Mach 0.85-re (a hangsebesség 85%-ára) és Re=40×10⁶ -ra (Reynolds szám) tervezik. Ez a két adat a legfontosabb ahhoz, hogy meghatározd, a már kész modelled milyen körülmények és CFD szimuláció beállítások mellett fog repülni. Ha az eredményeidet szélcsatorna, vagy mások által készített CFD szimuláció eredményeihez akarod hasonlítani, ezekre oda kell figyelned. Az ok a hasonlósági kritériumok között keresendő.

Amikor két modell tényleg hasonló

Én például életnagyságú modellel dolgozom, de a szélcsatornában értelemszerűen nem tudnak ekkora gépet megmérni. Az arányosan kicsinyített modellt a szélcsatornában meghatározott Reynolds-szám beállítással mérik adott Mach-szám esetén. Megmondják például, ahogy ezt az [1] teszi, hogy a szélcsatornában M=0.85 esetén lemérték például 5 milliós és 30 milliós Reynolds-számmal jellemzett körülmények között. A legjobb az, amikor a szélcsatorna beállítások között megvan a tervezési pontnak megfelelő adat pár. A mi esetünkben ez M=0.85 és Re=40×10⁶ . Az életnagyságú modellen végzett CFD szimuláció és a szélcsatornában megmért kicsinyített változat eredményei csak akkor lesznek pontosan összevethetők, ha a Mach-szám és a Reynolds-szám pár megegyezik.

Viszont ez nem mindig jön ilyen szépen össze. A helyzet az, hogy az [1] 3. táblázata négy szélcsatorna működési pontot írt le, amelyek közül egyik sem stimmelt a tervezési ponttal. Tény, hogy az [1] cikk értékes adatokat tartalmaz az ő CFD szimulációik eredményeiről és a NASA CRM weboldalán szintén ott vannak az [1]-től függetlenül előállított CFD szimuláció eredmények. A High-Speed CRM/Computational Approach/Computational Results/ menüpont alatt egy sor AoA-hoz vannak adott koordináta ponthoz rendelt Cp érték eredmények, de ezek mind M=0.85 és Re=5×10⁶ -hoz készültek. Ráadásul úgy, hogy a modelljeik nem tartalmazták a hajtóművet és a gondolát. Ez a Re=5×10⁶ -os működési pont ugyan nem stimmel a tervezési ponttal, de stimmel az [1] 3. táblázatának sárga színnel jelölt működési pontjával.

Nyomástényező összehasonlítása Re=43×10⁶-nál

Ha csak elég közeli és nem azonos kulcsadatokhoz (Mach szám, Reynolds szám) tartozó eredményeket találsz, akkor az összehasonlítás legalább abban segítséget nyújt, hogy eldönthesd, jó úton jársz-e egyáltalán. Az alábbi ábra a nyomástényező eloszlását mutatja a szárny felső (szívott) felületén. A bal oldalon a Vassberg [1] cikkben lévő eredményt, míg a jobb oldalon a CFD Engineering szimulációk eredményét láthatod.

Az én eredményeim olyan repülési körülmények között készültek, amelyek szintén kicsit odébb vannak a tervezési ponttól: M=0.85, Re=43×10⁶ a M=0.85, Re=40×10⁶ helyett. Mivel a bal oldali képhez tartozó kulcs adatok nem ismertek, azt feltételezem, hogy az [1]-ben a nagy Reynolds számú esethez ezek állhatnak a legközelebb.

Ugyan a felületi eloszlásnál nem közölték, hogy milyen repülési körülményeket használtak, de a szárny bizonyos metszeteihez tartozó Cp adatok grafikonjainál ezeket pontosan megadták. Szóval ezekben jobban megbízom, mint a szemre összehasonlításban. Amit viszont a grafikonoknál nem adtak meg, az az állásszög. De a cikkben szereplő más Cp adatoknál meg ott volt, hogy AoA=2°, így azt feltételeztem, hogy a grafikonos összehasonlítás adatait is ugyanezzel az állásszöggel készítették. Két fesztáv metszetet választottam ki: a 38.6%-os és 72%-os pozíciókat, hogy a Vassberg [1] eredményeit összehasonlítsam az enyémmel.

A fenti összehasonlítás azt a következtetést engedi levonni, hogy igazam lehetett az AoA=2°-os beállításával. A belépőélen és a szárny alsó felületén jó az egyezés. Az én CFD eredményeim (pirossal) kicsit nagyobb Cp-t adtak a felső felületen a kilépőél irányába haladva, de egyrészt ez az eltérés nem túl nagy, másrészt ennek oka az eltérő Reynolds szám lehet, az enyém 3 millióval nagyobb.

Nyomástényező összehasonlítás a törzsön Re=5×10⁶-nál

Az összehasonlítások alapján a szárny egész jól működött a szimulációimban, de kíváncsi voltam, hogy a törzzsel mi a helyzet. A Vassberg cikkben nem voltak használható eredmények a törzsre, ezért lefuttattam egy szimulációt a M=0.85, Re=5×10⁶ és AoA=2°-os működési pontban, mivel a NASA oldalán ilyen alacsony Reynolds számra voltak a teljes gépet lefedő CFD szimuláció eredmények.

Megint nem teljesen pontos az egyezés, mert a NASA minta eredményei olyan modellel készültek, amelyben nem volt benne a hajtómű burkolat és a gondola. Minden nem jöhet össze egyszerre. Az alábbi ábra a CFD Engineering szimulációinak nyomástényező eredményeit mutatja.

A szimmetria sík és a törzs metszésvonalán mérhető nyomástényező a NASA CFD szimuláció eredményeivel összehasonlítva a következő ábrán látható. A folyamatos vonal a törzs felső, a szaggatott vonal a törzs alsó felét jelenti. A zöld vonalak a NASA, a piros vonalak a CFD Engineering eredményeit mutatják.

Az egyezés elég jó mind a törzs felső, mind az alsó felén. A különbségek pedig a geometria eltéréseire vezethetők vissza. A kék nyilak a hajtómű burkolat és gondola miatti eltérést mutatják, míg a fekete nyilak a függőleges vezérsík helyének hatását szemléltetik.

Nyomástényező összehasonlítás a szárnyon Re=5×10⁶-nál

A szárny szokásos metszeteiben felvett Cp összehasonlítás is jó visszajelzést ad. A 37%-os fesztávnál a két görbe közötti különbség jellege egyezik azzal, amit a Vassberg [1] cikk bemutat a hajtómű és a gondola hatásainak elemzésekor.

A 72%-os fesztávnál, ahol a gondolának már nincs jelentős hatása a szárny felületein kialakuló nyomásviszonyokra, a NASA és az én eredményeim szintén jó egyezést mutatnak. Különösen a belépő- és kilépőélen, valamint a szárny alsó felületén vannak nagyon közel az eredményeink. Vassberg [1] is közöl egy összehasonlítást erre a szárny metszetre, és ő is hasonló jellegű eltérést mutat, mint amilyen a jobb oldali ábrán látható.

Mindebből az következik, hogy van a birtokunkban egy életnagyságú széles törzsű utasszállító repülőgép modell. Továbbá a Reynolds szám, illetve a Mach szám által meghatározott működési pontokban a repülőgép CFD szimuláció magabiztosan, nagy pontossággal képes minden fontos nyomás adatot kiszámolni a gép teljes felületén.

Világos, hogy ezt a feladatot hova tudjuk tovább fejleszteni. Mit szólnál érdekes alakú, a gép törzsére felszerelt tárgyak hatásának vizsgálatához?

Dr Dúl Róbert