Разработка программного комплекса для моделирования обледенения летательных аппаратов

Разработка программного комплекса для трёхмерного моделирования задач обледенения летательных аппаратов с целью быстрой оценки массы льда и изменений аэродинамических характеристик рассматриваемого тела.

Работа посвящена созданию программного комплекса на основе свободного (открытого) программного обеспечения для трехмерного моделирования обледенения летательных аппаратов в различных условиях обтекания, включая мелкие, крупные капли. При длительном воздействии низких температур на поверхности летательного аппарата и элементов его конструкции образуется и накапливается лёд, который в свою очередь может негативно влиять на работу двигателей, а также приводить к увеличению массы и изменению аэродинамических характеристик летательного аппарата. Возникает необходимость исследовать влияние обледенения на безопасность и устойчивость полета.

Математическая модель предполагает наличие двух фаз: газ (воздух) с переохлажденными каплями воды и лед с водяной пленкой на его поверхности. В качестве модели движения потоков переохлажденных капель применено эйлерово континуальное приближение, преимуществом которого (для данной задачи) является использование балансных уравнений одного типа для каждой группы капель и обеих фаз и, соответственно, единого алгоритма решения всей системы уравнений, что в свою очередь повышает эффективность процесса распараллеливания и скорость расчетов. Для профилей и геометрии наледи использовался метод погруженных границ совместно с алгоритмом SIMPLEС. Для учета термогидродинамики пленки воды реализованы следующие подходы: модель сухого льда и модель Майерса. Уравнения этих моделей аппроксимируются на конечно-элементной сетке явным методом Эйлера. Для определения объемной доли льда используется алгоритм MULES. В условиях натекания "мелких" капель рассматривалась одна группа капель в виде монодисперсного потока с заданным диаметром. При рассмотрении "крупных" капель возможен их распад в потоке газа и переход в группы более мелких капель.

Решатель организован согласно архитектуре, представленной на рис. 2, с использованием пакета OpenFOAM. Шаг расчета начинается с построения поверхностной сетки межфазной поверхности. После этого выполняется расчет аэродинамики (обтекание тела). Далее происходит решение уравнений, описывающих движение капельного потока. После этого поля скорости, температуры окружающей среды и масса капель, достигших поверхности, передаются в модуль расчета пленки. Расчет пленки происходит по уравнениям модели сухого льда или по модели Майерса. В результате решения уравнений определяются толщины пленки воды и льда, а также скорость нарастания льда. По значению этих параметров изменяется распределение значения объемной доли льда на основной сетке и вычисляется новое положение поверхности межфазной границы для построения погруженной границы.

Применяемые принципы позволяют перенести основную часть вычислительной нагрузки на решение задачи внешней аэродинамики при медленно меняющемся профиле. Программа эффективна при параллельных вычислениях за счёт равномерности распределения вычислительной нагрузки по процессам, однотипности вычислительных операций и численных схем для всех процессов. Алгоритмы с низкой эффективностью параллельных вычислений (но малозатратные в последовательном режиме) изолированы в отдельные модули. В итоге эффективность параллельного масштабирования решателя становится близкой к программам, предназначенным для решения стационарных задач аэродинамики.

В качестве валидации рассмотрено двумерное и трехмерное моделирование обледенения модели профиля крыла NACA0012, установленного под углом атаки 4 градуса, при скорости 67 м/c, T = -26 C, LWC = 1 g/m3. Результаты моделирования сравнивались с экспериментальными данными для t = 360c.

a)

б)

Получено удовлетворительное совпадение результатов с экспериментальными данными и с результатом, полученным в программном пакете LEWICE [https://doi.org/10.2514/6.2017-3416].

• На основе пакета OpenFOAM разработаны и реализованы вычислительный алгоритм (решатели) и библиотеки, предназначенные для моделирования обледенения летательных аппаратов.
• Разработанные трехмерные программные средства расчета обледенения интегрированы с другими промышленными программами (такими как Salome, GMSH, Paraview), которые могут быть использованы на различных этапах пре- и постпроцессинга. Интеграция обеспечивается применением в разработанном программном комплексе общепризнанных стандартов и разрешений используемых файлов.
• Применяемые принципы позволили добиться высокой скорости вычислений на 1 ядре, а параллельная масштабируемость программы приближена к стандартному решателю стационарных задач. Использование неявного представления межфазной поверхности в новом решателе позволило проводить вычисления аккреции льда в условиях размеров нароста, сопоставимых с размерами тела или превышающих его.
• Проведена верификация и валидация разработанного численного алгоритма. Сравнение результатов расчетов с данными экспериментов показало, что отклонение результатов по массе и толщине льда не превышает 15%, что является удовлетворительным результатом с практической точки зрения.