Моделирование аэротермодинамических характеристик виртуального прототипа перспективного сверхзвукового авиалайнера на крейсерском режиме полета


Просмотр статьи
PDF, 2,1 МБ

Numerical study of aerothermodynamic characteristics of the supersonic airliner prototype in cruising flight mode

Results of theoretical and computational study of supersonic flow around complex three-dimensional model of high-speed civil transport aircraft are presented. The Reaction Engines' LAPCAT A2 (Long-Term Advanced Propulsion Concepts And Technologies) airliner designed under the project of the same name is chosen as the virtual prototype. The computations are conducted using the software package for numerical simulation of aerothermodynamics and aerophysics of arbitrary high-speed aircraft configurations developed in Institute for Problems in Mechanics Russian Academy of Sciences (IPMech RAS). The problem of external flow around the surface of the LAPCAT A2 commercial airplane is solved to demonstrate the capabilities of the developed aerothermodynamic integrated model. The complete set of aerothermodynamic data of complex spatial configuration that are of interest to developers of new civil aircrafts is obtained. The complex flow pattern, the interactions of shock waves formed around the three-dimensional airliner model, the thermal loads on the civil aircraft surface, the local and integral aerodynamic characteristics of the flight vehicle model, the effect of variation of angle of attack on these characteristics at small angles for anticipated cruising flight conditions (at an altitude of H = 25.4 km at a Mach number of M = 5) are predicted.

civilian supersonic aircraft, gas dynamics, numerical simulation, computational aerodynamics, software systems, unstructured mesh, Computer-Aided Design, virtual prototype, comprehensive 3D models


Том 18, выпуск 1, 2017 год



В работе представлены результаты расчетно-теоретического исследования сверхзвукового обтекания сложной трехмерной модели высокоскоростного гражданского самолета. В качестве прообраза виртуального прототипа был выбран авиалайнер LAPCAT A2, проектируемый в рамках одноименной программы Long-Term Advanced Propulsion Concepts And Technologies. Расчеты выполнялись с использованием программного комплекса для численного моделирования аэротермодинамики и аэрофизики интегральной компоновки высокоскоростного летательного аппарата произвольной конфигурации, разработанного в Институте проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН (ИПМех РАН). На примере решения задачи внешнего обтекания гражданского самолета LAPCAT A2 демонстрируются возможности созданной аэротермодинамической модели летательного аппарата в полной компоновке. Для исследуемой сложной пространственной конфигурации получен полный набор аэротермодинамических данных, представляющих интерес для разработчиков новых образцов гражданской авиационной техники. Для предпо-лагаемых условий крейсерского режима полета со скоростью M = 5 на высоте H = 25.4 км предсказаны: конфигурация поля течения; структура и характер взаимодействия ударных волн, образующихся при обтекании пространственной модели авиалайнера; тепловые характеристики поверхности; локальные и интегральные аэродинамические характеристики летательного аппарата; характер изменения указанных характеристик от угла атаки (для малых углов).

сверхзвуковой авиалайнер, газовая динамика, математическое моделирование, вычислительная аэродинамика, программные комплексы, неструктурированные сетки, гражданский пассажирский самолет, автоматизированное проектирование, виртуальный прототип, трехмерные реалистичные модели


Том 18, выпуск 1, 2017 год



1. Reaction Engines Ltd. http://www.reactionengines.co.uk/
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Engines_A2
3. Verstraete D., Sharifzadeh S., Hendrick P. Definition and Aero-Elastic Optimisation of the Structure of the LAPCAT A2 Mach 5 Airliner // 28th International Congress of the Aeronautical Sciences. 2012. 9p.
4. Steelant J. Sustained Hypersonic Flight in Europe: Technology Drivers for LAPCAT II // 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. 2009. AIAA 2009-7240. 8p.
5. Железнякова А.Л. Унифицированный подход к созданию сложных виртуальных поверхностей и расчетных сеток для комплексного имитационного 3D моделирования современных изделий аэрокосмической техники // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Том 17, вып. 2. 24 с. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-2/articles/634/
6. Rogers D.F. An Introduction to NURBS with Historical Perspective. Morgan Kaufman Publishers, San Fransisco, 2001. 324 p.
7. Piegl L.A., Tiller W. The NURBS Book. Springer, 1997. 646 p.
8. Lee K. Principles of CAD/CAM/CAE Systems. Addison-Wesley, California, 1999. 582 p.
9. SolidWorks. http://www.solidworks.com/
10. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Расчет гиперзвукового обтекания тел сложной формы на неструктурированных тетраэдральных сетках c использованием схемы AUSM // ТВТ, 2014, т. 52, № 2, с. 283–293.
11. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Применение метода расщепления по физическим процессам для расчета гиперзвукового обтекания пространственной модели летательного аппарата сложной формы // ТВТ, 2013, том 51, № 6, с. 897–911.
12. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. На пути к созданию модели виртуального ГЛА. I. – М.: ИПМех РАН, 2013. – 160 c.
13. Иванов И.Э., Крюков И.А. Метод расчета вязких пространственных течений на нерегулярных сетках // Материалы IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2012), Алушта, 25-31 мая, 2012. Изд-во “МАИ-ПРИНТ”, Москва, 2012. C. 240,241. ISBN 978-5-4316-0063-0.
14. Ермаков М.К. Многопроцессорное моделирование аэродинамики гиперзвукового летательного аппарата на трехмерных неструктурированных сетках // Материалы XXIII Научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского Московской обл., 1-2 марта 2012. С. 104 – 105.
15. Ермаков М.К. Моделирование гиперзвукового обтекания летательного аппарата на суперкомпьютере “Ломоносов” // 6-я Всероссийская школа-семинар “Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем”: Сборник научных трудов. - М: ИПМех РАН. 2012. С. 18 – 23. ISBN 978-5-91741-066-1.
16. Железнякова А.Л., Кузенов В.В., Петрусев А.С., Суржиков С.Т. Расчет аэротермодинамики двух типов моделей спускаемых космических аппаратов. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2010. Том 9. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/144/
17. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование поля течения при входе в атмосферу земли спускаемого аппарата с аэродинамическим качеством // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. "Машиностроение". 2009. №2. C.3–25.
18. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата Х-43 // Препр. ИПМех им. А.Ю. Ишлинского РАН. № 950. 2010. 82 с.
19. Железнякова А.Л., Кузенов В.В., Петрусев А.С., Суржиков С.Т. Численный анализ конвективного нагрева двух моделей спускаемых космических аппаратов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. "Машиностроение". 2009. №3. C.3–15.
20. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата Х-43 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. "Машиностроение". 2010. №1. C.3–19.
21. Суржиков С.Т. Аналитические методы построения конечно-разностных сеток для расчета аэротермодинамики спускаемых космических аппаратов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Сер. “Машиностроение”. 2004. № 2. С.24–50.
22. Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный теплообмен космического аппарата сферической формы в углекислом газе // ТВТ. 2011. Т.49. № 1. С.92–107.
23. Котов Д.В., Суржиков С.Т. Расчет течений вязкого и невязкого газа на неструктурированных сетках с использованием схемы AUSM // Вычислительная механика сплошных сред. 2011. Т.4. №1. С.36–54.
24. Железнякова А. Л., Суржиков С. Т. Построение пространственных неструктурированных сеток на NURBS-поверхностях сложных изделий авиационной и ракетно-космической техники методом молекулярной динамики //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2014. Т.15, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2014-15-1/articles/108/
25. Zheleznyakova A.L. Molecular dynamics-based triangulation algorithm of free-form parametric surfaces for computer-aided engineering // Computer Physics Communication. 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.cpc.2014.12.018.
26. Zheleznyakova A.L., Surzhikov S.T. Molecular dynamic-based unstructured grid generation method for aerodynamic application // Computer Physics Communication, Vol.184, 2013. P.2711–2727.
27. Железнякова А. Л. Молекулярно-динамический метод построения неструктурированных сеток в сложных пространственных областях и на криволинейных поверхностях //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т.13, вып. 4. http://chemphys.edu.ru/issues/2012-13-4/articles/368/
28. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. – М.: Наука, 1982. – 391 с.
29. Марчук Г.И. Методы расщепления. – М: Наука, 1988. – 263 с.
30. Liou M. S., Steffen C. A New Flux Splitting Scheme – J. Comput. Phys., Vol. 107, 23-39, 1993.
31. Jivraj F., Varvill R., Bond A., Paniagua G. The Scimitar Precooled Mach 5 Engine // Proc. 2nd European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS'2007). 10p.
32. Liseikin V.D. Grid Generation Methods. – Berlin: Springer, 1999.
33. Thompson J.F., Soni B. K., Weatherill N. P. Handbook of Grid Generation. CRC Press, 1998.