Технология композитных неструктурированных сеток для компьютерного моделирования обтекания многоступенчатой космической системы


Просмотр статьи
PDF, 9,3 МБ

Overlapping unstructured grid technology for the numerical simulation of flow around multistage space system

The application of the composite grid concept in the framework of unstructured approach for the numerical simulation of flow around complex multistage space systems is discussed. The group of streamlined bodies of arbitrary configuration under the changes in the number of system elements and their mutual arrangement is considered. This technology is based on the application of overlapping unstructured grids, which are independently generated for each object of the system. The proposed aerodynamic model of system of arbitrarily located objects having complex configurations is based on the computational technologies for unstructured mesh generation and for the integration of the Navier – Stokes / Euler equations, which are developed in Institute for Problems in Mechanics Russian Academy of Sciences (IPMech RAS). The algorithm implementation requires minor source code modifications. The possibilities of the approach are demonstrated by the example of the numerical simulation of flow around complex multistage space transportation system Space Shuttle. The created virtual prototype of the space system arrangement unites in itself the set of volume grids, which are inde-pendently generated for individual stages based on the most realistic virtual surfaces. A mathematical description of the geometry of each system element contains all the basic details of the corresponding configuration.

Composite computational mesh, overlapping grids, unstructured mesh, group of streamlined bodies, aerodynamic arrangement, reusable space transportation system, gas dynamics, numerical simulation, computational aerodynamics, software systems, computer-aided design (CAD), virtual prototype, comprehensive 3D models.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.3.763


Том 19, выпуск 3, 2018 год



Обсуждается применение концепции композитных сеток в рамках неструктурированного подхода для численного моделирования обтекания сложных многоступенчатых аэрокосмических систем. Рассматривается группа совместно обтекаемых тел произвольной конфигурации с изменяемым взаимным положением и числом объектов, входящих в систему. Технология основана на использовании неструктурированных перекрывающихся пространственных сеток, независимо сгенерированных для каждого объекта исследуемой системы. Предложенная численная модель аэродинамики системы произвольно расположенных тел сложной конфигурации построена на основе вычислительных технологий создания неструктурированных сеточных моделей и решения полной системы уравнений механики сплошной среды (уравнений Навье – Стокса), разработанных в ИПМех РАН. Программная реализация расчетной модели не требует значительной модификации исходных кодов. Возможности подхода продемонстрированы на примере численного моделирования обтекания космической транспортной системы Space Shuttle во взлетной конфигурации, включающей орбитальный космоплан, внешний топливный бак и твердотопливные ускорители. Созданный виртуальный прототип полной компоновки многоразовой космической системы объединяет в себе набор объемных сеточных моделей отдельных ступеней, независимо сгенерированных на основе максимально реалистичных компьютерных поверхностей. Математическое описание геометрии каждого модуля содержит все основные детали и конструктивные элементы соответствующего прообраза.

Композитная расчетная сетка, сетки с перекрытием, неструктурированные сетки, обтекание группы тел, аэродинамическая компоновка, многоразовая космическая транспортная система, газовая динамика, математическое моделирование, вы-числительная аэродинамика, программные комплексы, автоматизированное проектирование, виртуальный прототип, трехмерные реалистичные модели.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.19.3.763


Том 19, выпуск 3, 2018 год



1. NSTS 1988 News Reference Manual: Space Transportation System. https://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/
2. Jenkins D.R. Space Shuttle: The History of Developing the National Space Transportation System. 1996, 320 p.
3. История разработки многоразовой транспортно-космической системы (МТКС) “Спейс Шаттл”. http://www.buran.ru/htm/shuttle.htm
4. Многоразовый орбитальный корабль “Буран”. http://www.buran.ru/htm/mtkkmain.htm
5. Фотогалерея NASA. http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle/
6. 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/
7. Rogers D.F. An Introduction to NURBS with Historical Perspective. Morgan Kaufman Publishers, San Fransisco, 2001. 324 p.
8. Piegl L.A., Tiller W. The NURBS Book. Springer, 1997. 646 p.
9. Lee K. Principles of CAD/CAM/CAE Systems. Addison-Wesley, California, 1999. 582 p.
10. SolidWorks. http://www.solidworks.com/
11. 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/
12. 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.
13. 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.
14. 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/
15. Железнякова А.Л. Моделирование аэротермодинамических характеристик виртуального прототипа перспективного сверхзвукового авиалайнера на крейсерском режиме полета//Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2017. Т.18, вып. 1. http://chemphys.edu.ru/issues/2017-18-1/articles/672/
16. 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.
17. 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.
18. Железнякова А.Л., Суржиков С.Т. На пути к созданию модели виртуального ГЛА. I. – М.: ИПМех РАН, 2013. – 160 c.
19. 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.
20. 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.
21. 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.
22. 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.
23. 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/media/published/025.pdf
24. Iliff K.W., Shafer M.F. Space Shuttle Hypersonic Aerodynamic and Aerothermodynamic Flight Research and the Comparison to Ground Test Results / NASA Technical Memorandum 4499, 1993.
25. Young J.C., Underwood J.M., Hillje E.R. The Aerodynamic Challenges of the Design and Development of the Space Shuttle Orbiter. NASA Report, 1985.
26. Bornemann W.E., Surber T.E. Aerodynamic Design of the Space Shuttle Orbiter. AGARD CPP-247, paper 11, Sept. 1978. 24 p.
27. Muylaert J., Walpot L., Rostand P., Rapuc M., Brauckmann G., Paulson J., Trockmorton D., Weilmuenster K. Extrapolation from wind tunnel to flight: Shuttle orbiter aerodynamics. NASA Technical Report. 1998. 16 p.
28. Arrington J.P., Jones J.J. Shuttle Performance: Lessons Learned, Part 1. NASA-CP-2283-PT-1. 1983. 760 p.
29. Arrington J.P., Jones J.J. Shuttle Performance: Lessons Learned, Part 2. NASA-CP-2283-PT-2. 1983. 647 p.
30. Aerodynamic Design Data Book. Orbital Vehicle STS-1. Rockwell International. 1980. 1640 p.
31. Space Shuttle: Solid Rocket Boosters / NASA. http://www.nasa.gov/returntoflight/system/
system_SRB.html
32. Moore D.R., W.J. Phelps. Reusable Solid Rocket Motor – Accomplishments, Lessons, and a Culture of Success // AIAA Space 2011 Conference and Exposition, Long Beach, CA. 23p.
33. Space Shuttle: The External Tank. / NASA. https://www.nasa.gov/returntoflight/system/
system_ET.html
34. Железнякова А.Л. Компьютерное моделирование спуска орбитальной ступени космической системы Space Shuttle в плотных слоях атмосферы Земли // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2017. Т.18, вып. 2. 39 с. http://chemphys.edu.ru/issues/2017-18-2/articles/716/
35. Encyclopedia Astronautica. Index: O. OME. http://www.astronautix.com/o/ome.html
36. Fundamentals of Space Systems / V.L. Pisacane, R.C. Moore (Editors), Oxford University Press, New York. 1994. 772 p.
37. Harland D.M. The Story of the Space Shuttle. Springer-Verlag, Praxis Publishing Ltd. 2004. 444 p.
38. Owen J.W. Shuttle Propulsion Overview – the Design Challenges / NASA-CR-2012-2485. 2012. 15 p.
39. Liseikin V.D. Grid Generation Methods. – Berlin: Springer, 1999.
40. Thompson J.F., Soni B. K., Weatherill N. P. Handbook of Grid Generation. CRC Press, 1998.
41. Nakahashi K., Togashi F. Overset unstructured grid method for flow simulation of complex and multiple body problems / ICAS 2000 CONGRESS. ICAS 0263. 10 p.
42. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. – М.: Наука, 1982. – 391 с.
43. Марчук Г.И. Методы расщепления. – М: Наука, 1988. – 263 с.
44. Liou M. S., Steffen C. A New Flux Splitting Scheme – J. Comput. Phys., Vol. 107, 23-39, 1993.
45. Martin F.W., Slotnick J.P. Flow Computations for the Space Shuttle in Ascent Mode Using Thin-Layer Navier-Stokes Equations // Applied Computational Aerodynamics, P.A. Henne, ed., AIAA, 1990, pp. 863–886.