Перевесит ли снижение лобового сопротивления на 8% увеличение веса от этого нестандартного винглета, протестированного с помощью CFD?

Во-первых, отличный вопрос и отличное расследование! Этот тип исследования «давайте посмотрим, что произойдет» уведет вас далеко, если вы решите заняться аэродинамикой на продвинутом уровне (и, конечно, в других областях). Не так давно мне пришлось написать аналогичный отчет: не имея ресурсов и знаний аэрокосмических гигантов, я тоже задавался вопросом, почему я мог, казалось бы, изобретать конструкции, которые на первый взгляд казались значительно превосходящими их. Я думал, что у меня крылышки опущены на холодную.

Потом я пошел работать в Боинг и начал общаться с аэродинамиками. Я поступил в аспирантуру по воздухоплаванию. Оказывается, неудивительно, что многое невозможно получить из учебников для студентов и общедоступных данных. Хотя я, очевидно, не могу быть здесь исчерпывающим — и, вероятно, даже не буду отвечать на ваш вопрос в письме — я могу дать вам несколько вещей для размышления. Чтобы было ясно, я бы не пошел намного дальше, чем вы, с вашим моделированием и симуляцией, но если вы хотите обсудить некоторые вопросы для своей статьи, вот некоторые из них в произвольном порядке. Я сделал некоторые предположения о вашем уровне знаний, поэтому, пожалуйста, простите меня, если это покровительственно, и спросите меня, нужны ли вам разъяснения.

Верность вашей базовой модели

Крылья... были такими же, как у 737MAX... Крыло такое же, как у 737NG.

На каких данных вы основывали свою модель? Крыло Боинг-737 — это не просто аэродинамический профиль, некоторая конусность и некоторая крутка. Я заметил, что вы не включили гондолы/пилоны или обтекатели закрылков. Конструкция серийного винглета тесно связана с интеграцией общей конструкции крыла, включая все дополнительные компоненты, свисающие с него.

Причина, по которой винглеты 737 MAX эффективны

В 737 MAX используется винглет Advanced Technology (AT). Мы знаем, что хорошо сконструированное удлинение крыла более аэродинамически эффективно, чем винглет . Но размах крыла 737 должен оставаться в определенных пределах, чтобы работать с той же наземной инфраструктурой, что и предыдущие модели, поэтому винглет — хорошее решение. Но что, если бы мы могли иметь немного того и другого? Ну, винглет AT делает именно это :

Нижнее крылышко сконфигурировано таким образом, что отклонение крыла вверх при полетной нагрузке приблизительно в 1 g вызывает перемещение нижнего крылышка вверх и наружу из статического положения в положение в полете, что приводит к эффективному увеличению размаха крыла.

Таким образом, чтобы действительно понять эффективность крыла AT, вам нужно смоделировать эту отклоненную геометрию.

Другим фактором, влияющим на эффективность крылышка AT, является его естественный ламинарный поток :

На предыдущих винглетах сопротивление из-за трения воздушного потока о винглет является одним из основных факторов, препятствующих эффективному воздушному потоку ... Боинг решает эту проблему с помощью детальной конструкции, материалов поверхности и покрытий, которые обеспечивают ламинарный или более плавный поток воздуха. крылышко.

Режим потока, который вы моделируете

Крылышки AT наиболее эффективны, поскольку их эффективность складывается из длинных, высокоскоростных и высотных крейсерских этапов. Все, что вы дали, это истинная скорость полета, но для такого рода анализа транспортных самолетов гораздо важнее число Маха. Вы не указали температуру воздуха, но, судя по указанной вами плотности, похоже, что эта симуляция находится на уровне моря, что означает, что ваше число Маха недостаточно велико. Но на самом деле это может частично объяснить ваши результаты. Обратите внимание на кривую аэродинамического сопротивления : в общем, спироидное крылышко, подобное вашему, уменьшает индуктивное сопротивление за счет некоторого паразитного сопротивления. Как видите, мы можем позволить себе некоторое дополнительное паразитное сопротивление на более низких скоростях, поскольку доминирует индуктивное сопротивление.

Если бы я сделал одно предложение, это было бы запустить вашу симуляцию при реалистичном числе Маха (около 0,8) и посмотреть, что произойдет. Но будьте осторожны...

Ограничения вашего программного обеспечения CFD

Мы приближаемся к тому моменту, когда CFD, если он реализован правильно, вполне хорош для моделирования характеристик самолета в крейсерском полете. Большая часть испытаний в аэродинамической трубе для больших самолетов в наши дни сосредоточена на условиях большой подъемной силы и маневрирования, где CFD падает намного короче. Конечно, мы всегда хотим проверить наш CFD в аэродинамической трубе для всех условий полета, но для хорошо понятных конфигураций в крейсерском режиме результаты часто хорошо совпадают с точки зрения расчета общей производительности. Но предостережение «при правильной реализации» является ключевым. У меня лично нет опыта работы с SOLIDWORKS Flow Simulation, но похоже, что это программное обеспечение общего назначения для CFD, поэтому я бы не слишком доверял его результатам для больших, сложных и высокоскоростных симуляций, таких как те, которые требуются для этого анализа.

В частности, существует проблема турбулентности. Не в смысле неустойчивого воздуха, толкающего самолет, а в смысле хаотического обтекания его поверхности. На самом деле настолько хаотично, что ни один компьютер в мире не может точно смоделировать движение за достаточно короткое время вычислений. Вместо этого мы используем модели турбулентности, которые пытаются аппроксимировать происходящее таким образом, чтобы его можно было решить достаточно быстро. SOLIDWORKS использует модель k-epsilon , которая популярна для программного обеспечения общего назначения, но здесь может быть не лучшим выбором. В частности, отмечает Уилкокс ,

Даже доказуемая неадекватность модели [k-эпсилон] для течений с неблагоприятным градиентом давления мало что сделала, чтобы воспрепятствовать ее широкому использованию.

Поскольку на потоки над аэродинамическими профилями сильно влияют неблагоприятные градиенты давления, я бы проявлял осторожность. Я могу сказать вам, что Боинг хорошо использует модель турбулентности Спаларта-Аллмараса в сочетании с моделированием отдельных вихрей (Спаларт — сотрудник). Но выбор правильной реализации CFD для конкретной задачи — это сложный процесс, требующий большого внимания и внимательности.

Первая возможность заключается в том, что CFD в вашей САПР не так сложна, как программное обеспечение, используемое инженерами Boeing. Это означает, что в вашей конструкции могут быть недостатки, которые не проявляются в вашем программном обеспечении, но проявляются в Боинге (или даже не там, но проявляются в аэродинамической трубе).

Во-вторых, я видел только одну тестовую конфигурацию полета. Самолеты делают больше, чем просто летают на большой высоте, и винглеты должны быть хороши в любых условиях. Особенно они не должны негативно влиять на сваливание и вращение.

Ваши крылышки выглядят хлипкими, и я бы беспокоился о том, что они могут оторваться или деформироваться в турбулентных условиях. Эти уродства повлияют на их работу, возможно, в худшую сторону.

Прежде всего, отличный анализ! Я не эксперт в аэродинамике, но из того немногого, что я знаю, самолеты — это компромисс. Когда вы проектируете самолет, вы должны создавать формы, которые можно изготовить, не слишком дорого стоить и быть прочными (и соответствовать правилам). И последнее, но не менее важное: вы должны проверить сопротивление на нескольких этапах полета и в различных конфигурациях (закрылки/предкрылки): не только в крейсерском режиме, и проанализировать, как эта новая конструкция влияет на подъемную силу. Кроме того, я не знаю, насколько точен Solidworks CFD: учтите, что аэродинамическая труба все еще используется, потому что CFD не совсем точен.

Я забыл одну вещь: структуры имеют вес. Если для создания сложной формы вам придется использовать более прочный материал, то самолет будет иметь больший вес, что сведет на нет ваш выигрыш в лобовом сопротивлении. В чем разница в лобовом сопротивлении между винглетом без винглета и винглетом B737 MAX?

В то время как все остальные поднятые вопросы справедливы, также важно вернуться к основам и сначала понять, что на самом деле должны делать винглеты и что влияет на летно-технические характеристики самолета:

Крылышки не уменьшают «сопротивление профиля» или силу сопротивления, которая существует, когда подъемная сила отсутствует. Скорее всего, они немного увеличат сопротивление профиля. Если ваше снижение лобового сопротивления происходит из-за уменьшения лобового сопротивления профиля, это сразу вызывает подозрение, граничащее с сумасшествием вечного двигателя. Крылышки обычно уменьшают «индуцированное сопротивление», которое представляет собой часть общей силы сопротивления, возникающую, когда крыло начинает создавать подъемную силу. Степень создаваемого индуктивного сопротивления зависит от эффективности крыла и его размаха или от «эффективного размаха», вычисляемого путем умножения физического размаха на эффективность крыла. Предполагается, что винглеты увеличивают «эффективный размах» крыла без превышения физических ограничений размаха. Это означает, что уменьшение лобового сопротивления будет тем выше, чем больше подъемной силы вам нужно создать или чем выше угол атаки. Поскольку большие авиалайнеры обычно проектируются с учетом нескольких основных крейсерских условий при относительно малых углах атаки, они обычно заявляют об улучшении топливной эффективности порядка 2-4% за счет добавления винглетов.

Важно сравнивать значения сопротивления при равных значениях подъемной силы, а не при равных углах атаки. При определенном угле атаки винглеты могут быть эффективны либо за счет уменьшения лобового сопротивления, либо за счет увеличения подъемной силы (обычно за счет небольшого увеличения физического размаха), либо за счет того и другого. Важным параметром производительности, который вы должны отображать, является поляра сопротивления, где подъемная сила отображается в зависимости от сопротивления. Самолет будет лететь под любым углом атаки, необходимым для поддержания перегрузки в 1 g, которая будет зависеть от его веса и характеристик подъемной силы. Угол атаки сильно влияет на конструкцию, но не влияет на производительность. При сравнении различных конфигураций наложение поляр сопротивления покажет вам все, что вам нужно знать, в том числе, чем отличаются значения сопротивления профиля. Вы должны запускать свои симуляции при разных углах атаки и отображать полученные коэффициенты подъемной силы в зависимости от полученных коэффициентов сопротивления. Быстрая проверка случая, который вы уже запускали, заключается в том, чтобы убедиться, что резкое снижение лобового сопротивления не сопровождается резким снижением подъемной силы. Поскольку ваша основная подъемная поверхность не изменилась, этого не должно быть.

Все, что все остальные говорят о случайных недостатках cfd, особенно о «быстрых и простых» решениях, встроенных в пакеты САПР, верно, но я все же не ожидал такой радикальной разницы между двумя относительно похожими конфигурациями, работающими на одном и том же программном обеспечении. Я бы удостоверился, что абсолютно все остальное в симуляциях различных конфигураций одинаково, проверил изменения сопротивления и подъема профиля и сделал некоторую визуализацию потока, чтобы попытаться понять, что происходит в симуляции, чтобы вызвать падение. Затем я бы проверил, происходит ли то же самое при более высоком числе Маха. В идеале вы хотели бы проверить другие программные пакеты, но я понимаю, что это может быть невозможно и может выходить за рамки вашего эссе.

Я бы сказал, что важнее всего то, что компьютерная модель должна быть подтверждена результатами аэродинамической трубы. Как известно любому, кто действительно знаком с дебатами о климате, компьютерные модели, пытающиеся имитировать чрезвычайно сложные явления, часто в какой-то момент начинают расходиться с реальностью, и вам все равно нужно проверить в реальном мире, чтобы подтвердить или опровергнуть модель, чтобы действительно выяснить это.

Могу поспорить, что ваша версия работает хорошо, потому что моделирование неадекватно для воспроизведения какого-то тонкого эффекта, и что если вы протестируете ее в аэродинамической трубе, вы будете разочарованы.

Структурный анализ немного похож. Компьютеризированный анализ конечных элементов, выполненный для конструкции на прочность и выносливость, имеет свои ограничения и все еще должен быть подтвержден прогоном на стенде для испытаний на выносливость, и очень часто компьютерные прогнозы неверны. Вот почему так важно как можно раньше завершить испытания на выносливость конструкций в рамках производственной программы, чтобы свести к минимуму количество исправлений, которые необходимо вносить в процессе эксплуатации, когда испытания выявляют неадекватно смоделированные конструкции.

Во-первых, поздравляю с нестандартным мышлением и интересной концепцией!

Предыдущие ответы коснулись многих важных моментов, поэтому извините, если я повторю какой-либо из них, но вот мои первоначальные комментарии:

1. Все законцовки крыла (или удлинители) уменьшают сопротивление, вызванное подъемной силой. Условия эксплуатации сильно влияют на величину индуктивного сопротивления. Существует квадратичная зависимость между индуктивным сопротивлением и коэффициентом подъемной силы (CDi=CL^2/PI*AR). Поэтому важно охарактеризовать характеристики законцовки крыла в репрезентативном диапазоне. При низком CL будет точка пересечения, когда законцовка крыла будет давать штраф из-за потерь вязкости и аэродинамического сопротивления.

2. Выполнение CFD-анализа в дельта-режиме требует хорошего представления базового самолета. Я предлагаю вам проверить свою методологию моделирования на репрезентативной Общей исследовательской модели (CRM), в которой есть данные аэродинамической трубы, доступные для проверки. Для этого полезны семинары по прогнозированию сопротивления ( https://aiaa-dpw.larc.nasa.gov/Workshop4/workshop4.html ), они предоставляют геометрию, сетки, данные аэродинамической трубы, и вы можете увидеть распространение прогнозов CFD других сторон. Если вы не можете получить разумные цифры для базового уровня, вы знаете, что ваш подход нуждается в доработке.

3. Ваше сравнение должно выполняться в условиях согласования подъемной силы, а не согласования по альфа-каналу. Этого можно достичь либо путем проведения альфа-развертки для обеих моделей и интерполяции, либо, в зависимости от вашего решателя, вы можете позволить альфа-каналу плавать и установить фиксированный CL (это то, что мы делаем).

4. Ухудшение изгибающего момента корня крыла также является важным фактором, так как дополнительные нагрузки от удлинения законцовки крыла обычно требуют дополнительного усиления лонжерона, что, в свою очередь, увеличивает вес и снижает прирост производительности.

5. Еще одним соображением является дополнительный момент снижения тангажа, создаваемый вашим устройством законцовки крыла. Так как законцовка создает подъемную силу и расположена позади ЦТ самолета, возникает дополнительный момент снижения тангажа. Это должно быть урезано горизонтальным хвостовым оперением, что повлечет за собой дополнительный штраф за сопротивление, что снова снизит ваш прирост производительности.

6. Аэродинамическая эффективность обычно указывается в терминах подъемной силы / аэродинамического сопротивления. Я заметил на изображениях вашей модели, что вы моделируете только крыло и фюзеляж, и это нормально, но для расчета L/D вы должны принять во внимание недостающие компоненты: горизонтальное оперение, вертикальное оперение, гондолы двигателей, пилоны двигателей. Поскольку расчет подъемной силы над сопротивлением требует деления на сопротивление, эта операция нелинейна. Теория сопротивления плоской пластины может использоваться для оценки вклада отсутствующих компонентов в сопротивление. Это сделает анализ производительности более репрезентативным для полной конфигурации самолета.

7. Характеристики управляемости также являются важной областью рассмотрения, например: тряска, поведение при сваливании, реакция на рыскание и т. д. Это очень большая область, в которую нужно вдаваться, поэтому я не буду!

В любом случае, вы можете видеть из приведенного выше краткого списка, что существует множество соображений, которые необходимо учитывать для жизнеспособной технологии законцовки крыла.

Я надеюсь, что это поможет, продолжайте в том же духе!