Библиографическое описание:

Хоробрых М. А., Фролов В. А. Разработка дренажной модели профиля с механизацией для автоматизированного эксперимента в аэродинамической трубе [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). — М.: Буки-Веди, 2012. — С. 105-109.

Цель и задачи научной работы:
Целью исследований является автоматизация эксперимента, экспериментальное и расчётное определение величины подъёмной силы, силы лобового сопротивления и отрывной зоны при обтекании профиля с вращающимся цилиндром и выдувом воздуха. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
  1. Проектирование в программном пакете SolidWorks модели дренированного профиля крыла;
  2. Выполнен расчёт обтекания профиля при помощи пакета газодинамического анализа Flow Simulation, являющегося составной частью пакета SolidWorks [1], который основывается на методе конечных элементов. Применение этого пакета позволяет достаточно точно получать основные характеристики профиля: Cx, Cy и др., а также визуализировать картину обтекания профиля;
  3. Изготовление модели дренированного профиля крыла по математической модели с помощью технологии быстрого прототипирования (Rapid Prototyping) или как её ещё называют - 3D-печать;
  4. Вывод дренажных трубочек и подготовка модели к эксперименту;
  5. Автоматизация эксперимента;
  6. Экспериментальное исследование обтекания модели профиля в аэродинамической трубе.
Достигнутые научные и (или) научно-технические результаты:
Экспериментальная модель профиля с отклоненным закрылком и вращающимся цилиндром с выдувом струи через щель цилиндра, спроектирована таким образом, что позволяет провести автоматизированный эксперимент. Под автоматизированным экспериментом предполагается автоматическое изменение углов атаки модели и закрылка, снятие показаний дифференциального электронного манометра в автоматическом режиме. На рисунке 3 приведена схема проведения автоматизированного эксперимента.

Рис.1. Схема проведения автоматизированного эксперимента


До недавнего времени процесс проектирования и изготовления аэродинамических моделей занимал до нескольких недель, а порой и месяцев. Процесс изготовления аэродинамических моделей во многом совпадает с более общим процессом, имеющим место в промышленности, который имеет название «прототипирование». Процесс прототипирования это создание объектов по их компьютерной 3D-модели. Сфера разработки и изготовления макетов находится в постоянном развитии, что способствует появлению новых инструментов и приёмов.
Пожалуй, самым ярким примером такого развития является технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping) или как её ещё называют ‒ 3D-печать. С помощью 3D-принтеров можно в кратчайшие сроки создать образцы практически любых объектов, в том числе макеты зданий, промышленных конструкций, элементов сложных механизмов и многое другое.
Достигается это за счёт так называемого процесса «наращивания» объекта с использованием специальных компонентов по заранее подготовленной компьютерной 3D-модели.
В работе впервые на кафедре аэрогидродинамики СГАУ описывается применение технологии 3D-печати, для изготовления дренажной модели профиля крыла с механизацией. Данный метод изготовления моделей является более быстрым, точным и недорогим по сравнению с традиционным методом изготовления аэродинамических моделей.
На рис. 2 представлена 3D-модель спроектированная с помощью программного пакета SolidWorks, а на рис. 3 – физическая модель «выращенная» с помощью 3D-принтера Spectrum Z™510 [2] от фирмы производителя Z Corporation (рис. 4).

Рис. 2. 3D-модель профиля

Рис. 3. Физическая модель «выращенная» с помощью 3D-принтера


Рис. 4. 3D-принтеры компании Z Corporation.


3D-принтеры компании Z Corporation отличаются от конкурентных мировых аналогов высокой производительностью, хорошей цветопередачей и наименьшей стоимостью изготовления прототипов.
Актуальность работы заключается в том, что с помощью вращающегося цилиндра и выдува струи воздуха, возможно, улучшить аэродинамику летательного аппарата или транспортного средства, тем самым уменьшить потребление энергии (керосина, бензина).
Ниже приводятся основные характеристики 3D-принтера Spectrum Z™510:
  • скорость печати: 2 слоя в минуту;
  • размеры рабочей части: 254×356×203мм;
  • толщина одного слоя: 0,0875 мм;
  • разрешение печати: 600×540 dpi;
  • количество печатающих головок: 4.
Возможные материалы: высококачественные композитные материалы, материалы для непрерывного литья, стандартным материалом является порошок на основе гипса.
Для подсчёта стоимости будущего изделия учитывается не габаритный, а только полезный объём 3D-модели. Изделия проектируются пустотелыми для экономии используемого материала и уменьшения полезного объёма модели. Примерная стоимость рассчитывается исходя из 1см3 = 40 руб., в зависимости от сложности 3D-модели и её размеров.
На протяжении исследования были применены следующие методы:
  1. Применение программного пакета SolidWorks;
  2. Современный метод прототипирования – 3D-печать.
В дальнейшем будут применяться программные продукты для написания кода для проведения автоматизированного эксперимента в аэродинамической трубе и будет применен метод Particle Image Velocimetry (PIV) [2]. PIV - это бесконтактный метод визуализации изменения скорости потока.
На рис. 6 показано сравнение результатов математического моделирования расчёта аэродинамических характеристик профиля в вычислительном пакете SolidWorks Flow Simulation с экспериментальными результатами [3]. Расчеты выполнены на персональном компьютере с процессором Intel Core i5, 2.3 ГГц, ОЗУ 4 Гб с общим количеством расчётных ячеек 941364. Время расчёта одного угла атаки составило примерно 45 минут.

Рис. 5. Картина распределения давления.


Рис. 6. Экспериментальные результаты сравнения результатов математического моделирования.


На рис. 6 показано хорошее согласование расчётных и экспериментальных данных для коэффициента подъемной силы профиля GA(W)-1 без закрылка. Незначительное расхождение между экспериментальными и расчётными данными наблюдается только на углах атаки близких к критическим. Можно отметить, что оценка среднего квадратического отклонения в диапазоне углов атаки от -7 до +10 градусов составляет 2 %, а во всем диапазоне углов атаки, показанном на рис. 6, эта же величина равна 4 %. Таким образом, математическое моделирование в вычислительном пакете SolidWorks Flow Simulation при использовании модели турбулентности даёт хорошо согласованный результат с экспериментом.
Выполненная работа по проектированию и изготовлению дренажной модели аэродинамического профиля с механизацией позволяет сделать вывод о больших преимуществах использования новых технологий на основе применения 3D‒принтеров для создания новых аэродинамических моделей. У экспериментатора появилась возможность в кратчайшие сроки спроектировать и изготовить аэродинамическую модель практически неограниченной сложности. Практически отпадает необходимость в использовании труда высококвалифицированных и высокооплачиваемых модельщиков.

Литература:
  1. Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. – М.: Бином, 2004. – 289 с.
  2. Д.М. Маркович, М.П. Токарев Алгоритмы реконструкции трехкомпонентного поля скорости в методе Stereo PIV Вычислительные методы и программирование 2008 T.9. c311-326.
  3. Кашафутдинов С.Т., Лушин В.Н. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профилей. – М.: Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина, 1994. – 74 с.
Основные термины: автоматизированного эксперимента, дренажной модели профиля, аэродинамической трубе, изготовления аэродинамических моделей, проведения автоматизированного эксперимента, Разработка дренажной модели, Flow Simulation, SolidWorks Flow Simulation, математической модели, пакете solidworks flow, обтекания профиля, вычислительном пакете solidworks, углов атаки, обтекания модели профиля, профиля крыла, модели профиля крыла, модели дренированного профиля, диапазоне углов атаки, аэродинамических характеристик профиля, углов атаки модели

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle