CADFEM REVIEW №03 2016

www.cadfem-cis.ru

Выпуск

03 | 2016

REVIEW Научно-технический журнал от компании КАДФЕМ

Инженерный анализ — это больше, чем программное обеспечение®

АВИАКОСМОС

4 Новая космическая гонка

12 «Новый» ковш для Бе-200ЧС

23 Виртуальные испытания реактивных двигателей

Актуальная информация о применении численного моделирования в инженерной отрасли

СЛОВО РЕДАКТОРА

УДАЧНОГО ВАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ!

Д

CADFEM REVIEW Научно-технический журнал Выпуск 03 | 2016 Учредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, д. 46 Тел.: (495) 644-06-08 Факс: (495) 644-06-09 info@cadfem-cis.ru www.cadfem-cis.ru Генеральный директор: Валерий Локтев Верстка: СОЛОН-Пресс По вопросам публикации статей и размещению рекламы обращаться в отдел маркетинга: marketing@cadfem-cis.ru © ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016 Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции. www.cadfem-cis.ru

орогие друзья и коллеги! После небольшого перерыва мы возобновляем выпуск корпоративного журнала компании КАДФЕМ — «CADFEM REVIEW». Журнал получил обновленный дизайн и красивую креативную обложку. В этот раз мы решили совместить форматы русской версии журнала ANSYS Advantage и традиционного CADFEM REVIEW, что позволило нам немного увеличить объем печатаемых статей. Новый номер посвящен, прежде всего, аэрокосмосу и другим смежным индустриям. В этом году Россия совершила очередной рывок в Большой Космос, введя в эксплуатацию новый космодром «Восточный». В конце сентября в ЦАГИ прошли статические испытания фюзеляжа и кессона крыла самолета МС-21. Не за горами и летные испытания этого флагмана отечественного авиастроения. Мир не стоит на месте, он постоянно меняется. И в 21-веке мы видим новые тренды, указывающие на усиление государственночастного партнерства в сфере космической деятельности, в производстве авиационной техники и двигателестроении. Этой теме в новом номере посвящена статья Томаса Маркусика «Новая космическая гонка». Маркусик, бывший инженер SpaceX и основатель частной компании Firefly Space Systems, Inc., в своей статье рассказывает о процессах демократизации космоса и роли компьютерного моделирования в бизнес модели компании Firefly. Тему виртуального моделирования и испытаний продолжает статья немецких инженеров из компании Lufthansa Technik. Инженеры Lufthansa оптимизируют процесс ремонта с помощью численного моделирования конкретного двигателя для оценки состояния отдельных компонентов и их влияния на работу двигателя. Благодаря моделированию специалисты компании оптимизируют объем ремонтных работ при тесном взаимодействии с клиентами. Отдельно хочется отметить наших коллег из ТАНТК им. Г. М. Бериева, которые решили поделиться с нашими читателями своим опытом по использованию технологий ANSYS на примере задач, связанных с модернизацией водо-заборного устройства самолета Бе-200ЧС. И, наконец, мы рады представить вашему вниманию наш новый проект — ИНФОГРАФИКА, который поддерживают и разрабатывают инженеры АО «СимуЛабс». Первая инфографика посвящена соплу Лаваля — техническому устройству, которое нашло широкое применение как в авиации, так и в ракетно-космической отрасли. Пролистайте журнал до середины. Вас ждет приятный сюрприз — большой плакат с инфографикой. Удачного всем моделирования! Денис Хитрых, Директор АО «СимуЛабс», R&D khitrykh@simulabs.ru CADFEM REVIEW

1

СОДЕРЖАНИЕ

4 ЛИДЕР ОТРАСЛИ

4 НОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ГОНКА Интервью.

8 Моделирование системы климат-контроля самолета Для обеспечения комфорта и безопасности пассажиров необходимо, чтобы система климатконтроля самолета эффективно работала как во время полета, так и на земле. Анализ на системном уровне и подробный CFD-расчет помогли обеспечить выполнение соответствующих стандартов.

12 МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

12 «Новый» ковш для Бе-200ЧС Численное моделирование гидродинамического нагружения ковшей водозаборного устройства самолёта Бе-200ЧС в ПК ANSYS.

20 ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

16 Ламинаризация пограничного слоя на крыле сверхзвукового самолета Специалисты ЦАГИ выполнили расчет в ANSYS CFX положения ламинарно-турбулентного перехода на крыле сверхзвукового самолета.

20 Моделирование приводнения БПЛА Численное моделирование приводнения беспилотного летательного аппарата позволяет сократить расходы на летные испытания и быстрее получить результаты.

23 Виртуальные испытания реактивных двигателей Создание виртуального экспериментального стенда для испытания реактивных двигателей позволяет компании Lufthansa Technik улучшать характеристики двигателей.

2

CADFEM REVIEW. 03'2016

34

30

45

ЭНЕРГЕТИКА

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

МЕДИЦИНА

26

34

45

Энергетика инноваций

Расчет электромагнитных помех в автомобилях

Диагностика артериальной непроходимости с помощью ANSYS CFD

Интервью.

30 Вибро-акустический анализ гидротурбины Многодисциплинарные расчеты помогают решить проблему вибраций в турбине Френсиса.

Благодаря новой технологии ANSYS HFSS электромагнитная совместимость и помехи могут рассчитываться более эффективно.

39 Разработка системы беспроводной передачи энергии с помощью ANSYS HFSS Благодаря использованию численного моделирования компания Murata Manufacturing разработала более эффективный метод электропитания беспроводным способом.

42 Оптимизация системы охлаждения платы с помощью ANSYS Icepak Моделирование помогает обеспечить безопасную работу электронных устройств при высокой температуре окружающей среды.

www.cadfem-cis.ru

Неинвазивные расчетные методы по определению перепада давления в области артериальной непроходимости позволяют кардиологам назначать более эффективное лечение.

48 Моделирование слуховых аппаратов с помощью ANSYS Инженерные расчеты помогают быстро рассмотреть различные варианты проектов слуховых устройств и улучшить их характеристики.

52 Моделирование перемешивающего устройства CFD моделирование помогает экономить время и средства, подтверждая масштабируемость перемешивающих устройств до 5000 литров.

CADFEM REVIEW

3

ЛИДЕР ОТРАСЛИ

НОВАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ГОНКА Интервью

Томас Маркусик, бывший инженер SpaceX и основатель компании Firefly Space Systems, Inc., в своем интервью для журнала Dimensions рассказывает о процессах демократизации космоса и роли компьютерного моделирования в бизнес модели компании Firefly. Томас Маркусик ранее занимал должности: вице-президента Virgin Galactic по силовым установкам, старшего инженера по системам в Blue Origin, директора Техасского испытательного полигона, главного инженера по силовым установкам в SpaceX. До этого Маркусик был научным сотрудником и инженером по силовым установкам в NASA и USAF. Защитил диссертацию по специальности машиностроение и авиа-и ракетостроение в Принстонском университете.

Т

омас Маркусик (Thomas Markusic) основал компанию Firefly Space Systems, Inc. в 2014 году с одной простой целью — сделать космос более доступным. Бывший инженер SpaceX использует ракетные технологии нового поколения и передовые инженерные методики, чтобы создать массовое производство бюджетных пусковых систем для малогабаритных спутников. Перед ним стоит задача быстро вывести эти пусковые системы на рынок при помощи самых простых и экономичных из существующих на данный момент технологий. Мало кто переписывает установленные в отрасли правила в той же мере, как это делает Firefly, и эта ком4

CADFEM REVIEW. 03'2016

пания способна преподать полезные уроки всем организациям, желающим активизировать свои опытно-конструкторские работы. ПРИ ОПИСАНИИ МИССИИ FIREFLY ВЫ ЧАСТО УПОТРЕБЛЯЕТЕ ТЕРМИН «НОВЫЙ КОСМОС». КАКОЙ СМЫСЛ ВЫ ВКЛАДЫВАЕТЕ В ЭТО ПОНЯТИЕ? В основе парадигмы «старого космоса» лежал государственный контроль за

 Firefly Beta — вторая ракета в семействе ракет-носителей, специально разработанных для легких спутников

доступом к космическому пространству и культура, характеризующаяся бюрократией и сводами правил, и относительно медленным прогрессом в методологии. В противоположность этому, «новый космос» — это доработка того, на чем пионеры 1950-1960 годов остановились. Это работа над смелыми идеями по созданию высокоскоростного космического сообщения для человечества, разработке кораблей многоразового использования для вывода на земную орбиту, и, в конце концов, колонизации других планет.

Firefly стремится к демократизации космоса через кардинальное снижение

стоимости запуска и кардинальный рост доступности космических полетов для большего количества людей. Через приватизацию космической отрасли мы хотим разрушить господствующую концепцию большого космоса о медленном прогрессе и высоких затратах. Мы, как молодая компания в космической отрасли, переключаемся на методы массового производства, быстрое применение практического опыта и повсеместное использование современных инструментов проектирования, таких как инженерный анализ, что поможет ускорить наш путь к достижению цели.

 ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ В FIREFLY Ракетный двигатель Firefly состоит из 12 ракетных сопел, входящих в один кластерный аэроспайк. Решатель ANSYS CFD был использован для оценки сложного трехмерного поля течения, которое создается при слиянии 12 струй, и для значительного снижения температуры

www.cadfem-cis.ru w ww www ww w .ca ccaadfem-cis.ru

В ОСНОВУ КОНЦЕПЦИИ FIREFLY ЛЕГЛИ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ИННОВАЦИЙ И РАЗРУШЕНИЯ СТЕРЕОТИПОВ. КАК ЭТИ ИДЕИ НАХОДЯТ ОТРАЖЕНИЕ В ВАШЕЙ БИЗНЕС МОДЕЛИ, КОРПОРАТИВНОЙ КУЛЬТУРЕ И СРЕДИ ВАШЕЙ КОМАНДЫ ИНЖЕНЕРОВ? Прежде всего, свою производственную площадку мы намерено решили разместить в городе Остин штата Техас, чтобы находиться как можно дальше от старожилов космической отрасли. Мы — компания нового формата, с новыми связями, новыми идеями и новыми методами работы. Если вы удивлены тем, что наша штаб-квартира расположена в Остине, это именно та реакция, на которую мы рассчитываем. Кроме того, в Firefly мы отказались от стандартных названий должностей и их иерархии. Мы создали такую схему взаимодействия, где границы должностных обязанностей мало заметны, и люди действительно ощущают себя частью компании и нацелены на достижение общего успеха. Мы намеренно поощряем общение и взаимодействие, чтобы каждый сотрудник был способен ясно видеть свой вклад в успехе компании в целом. И, наконец, мы упорно стараемся, чтобы в нашей команде были совершенно разные люди. Старшие инженеры из традиционной космической отрасли у нас работают бок о бок с недавними выпускниками колледжей. Почему это важно? Потому что разнообразие взглядов способствует развитию внутренних способностей, идей, духа победы и лидерства, что приводит к созданию инноваций. По данным на середину 2015 года, 12% наших инженеров составляли женщины, я могу предположить, что это довольно высокий процент для аэрокосмической отрасли — и статистика, которой Maureen Gannon, наш вице-президент по развитию бизнеса, очень гордится. Она является большим активистом по поддержке разносторонних подходов в нашей компании. ВЫ МОЖЕТЕ РАССКАЗАТЬ ПОДРОБНЕЕ ПРО СХЕМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВАШИХ ИНЖЕНЕРОВ? Мы стараемся избегать таких должностей как аналитик, конструктор и т. д. Мы твердо убеждены, что с помощью современных интегрированных систем CADFEM REVIEW

5

ЛИДЕР ОТРАСЛИ

НАУКА И ТЕХНИКА: МИР НЕ ТОЛЬКО ДЛЯ МУЖЧИН Маурин Гэннон (Maureen Gannon), вицепрезидент по развитию Firefly Space Systems, Inc., очень любит свою работу. В ее сферу ответственности входит взаимодействие с инженерами и разработка коммерческих решений, способствующих реализации планов по насыщению неба спутниками, запущенными ее компанией. Время от времени, она задумывается о своем собственном пути и часто задается вопросом, почему она сама не стала инженером. «Мне всегда были интересны наука и техника, но поскольку я девушка, то в школе не получала поддержку в выборе этой специальности ни в качестве дальнейшего обучения, ни в качестве будущей профессии», — вспоминает Gannon. «В то время я чувствовала, что эта сфера мне недоступна.» После получения степени бакалавра в области международных отношений и степени магистра в сфере международного менеджмента, Gannon начала работать в технологических компаниях в США и заграницей — и быстро поняла, что большинство инженеров, с которыми она общалась, именно мужчины. В результате она решила продолжить инженерный путь и поступила в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы получить базу технических знаний. Она обнаружила, что опять находи-

лась в окружении мужчин. «Я начала осознавать, что я не единственная девушка, кто интересуется наукой и техникой, но меня никто не поддерживал, или я не чувствовала себя комфортно в выборе этого пути для построения карьеры». Сегодня содействие юным девушкам и молодым женщинам в выборе специальностей в сфере науки, технологии, проектирования и математики (Science, Technology, Engineering, Mathematics — STEM — образовательная программа) является личным увлечением Gannon. Как клиент Virgin Galactic в 2009 году она создала и стала соучредителем некоммерческого фонда Galactic Unite. Она лично собрала более миллиона долларов на финансирование первой из многочисленных стипендий на специальность STEM для женщин. Благодаря финансированию, просвещению и разъяснительной работе Galactic Unite продолжает оказывать содействие и поддержку молодым людям в выборе технических дисциплин. В дополнение к своим обязанностям вице-президента по развитию бизнеса в Firefly, Гэннон стремится улучшить техническое образование. Она начала развивать сотрудничество с местными университетами, средними и даже начальными школами по распространению информации об инженерных профессиях и других технических

специальностях, и продолжает разрабатывать программы стажировок в Firefly. «Мы работаем, чтобы заинтересовать карьерой в сфере науки не только молодых девушек, а всех студентов, независимо от пола, национальности и происхождения», отмечает Гэннон.

«Firefly был создан, чтобы совершить прорыв в аэрокосмической отрасли — а это означает необходимость привлечения людей с новыми взглядами и с самыми разными подходами. Чем более разносторонний коллектив в нашей компании, тем более разносторонними будут наши идеи. Это повышает наши шансы на создание истинных инноваций».

проектирования, тот же инженер, который работает над проектированием определенной детали, легко может создать ее математическую модель, а также выполнить расчеты механики деформируемого твердого тела и гидрогазодинамики как для отдельной детали, так и для всей системы. Это не всегда легко, поскольку многим людям комфортно работать над одной конкретной задачей. Тем не менее, мы требуем от своих инженеров нести ответственность за свой продукт как за часть системы, и быть уверенными, что они глубоко понимают критерии полного цикла своего продукта, функциональные возможности, его технологичность и эксплуатационные

качества.

системам автоматизированного проектирования, системам автоматизированного производства, системам инженерного анализа, интегрированных сред проектирования и инструментов разработки ПО для выбора одного решения, наилучшим образом подходящего нашей компании и нашему видению. Мы активно внедряем инструменты по конфигурации ресурсов, по управлению полным циклом изделия и системы планирования и управления ресурсами предприятия в дополнение к нашему техническому программному обеспечению — даже на раннем этапе развития нашей компании, когда у нас была относительно небольшая

6

CADFEM REVIEW. 03'2016

КАК ВАШИ РЕВОЛЮЦИОННЫЕ ИДЕИ ВЛИЯЮТ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС? В процессе принятия конструкторского решения мы выполняем серию многодисциплинарных исследований альтернативных вариантов и проводим анализ, прежде чем выбрать путь проектирования. У нас нет особенных подходов при выборе ИТ решений или программного обеспечения. При создании Firefly мы не руководствовались какой-то одной маркой ПО. Мы параллельно инициировали ряд исследований с использованием различных решений по

команда и один продукт. Мы целенаправленно проектируем нашу ИТ инфраструктуру с нуля, прежде чем она станет слишком сложной и вынудит нас прибегнуть к решению, которое будет недостаточно оптимальным для нашей компании. КОСМИЧЕСКАЯ ОТРАСЛЬ ПОДЛЕЖИТ СТРОГОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ, КАК ВЫ СОКРАЩАЕТЕ СРОКИ И ЗАТРАТЫ В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЯЗАТЕЛЬНЫХ СОГЛАСОВАНИЙ, КОТОРЫЙ ОБЯЗАН БЫТЬ ДЛИТЕЛЬНЫМ И СЛОЖНЫМ? Космическая отрасль строго регулируется по практическим соображениям. Даже если вы запускаете ракету в отдаленной местности, например, посреди океана, такой запуск требует тщательного планирования, поскольку ступени ракеты во время подъема неизбежно пересекают населенные районы. Компания Firefly зарегистрирована в США и руководствуется положениями Федерального управления гражданской авиации (FAA) при запуске из любой точки земного шара. В процедуру получения разрешения на запуск вовлечены много государственных и коммерческих структур. Существуют требования по обеспечению безопасности людей и защиты имущества, а также экологические требования, удовлетворение которых требует проведение тщательного инженерного анализа. Чтобы получить все разрешения как можно быстрее, Firefly должен иметь возможность полностью смоделировать процесс запуска от земли до вывода на орбиту с учетом ряда предсказуемых и непредсказуемых граничных условий таких как, погода, давление, электромагнитные и электростатические условия и даже солнечные бури. Другой задачей при проектировании, анализе и численном моделировании является расчет текущей точки падения при возникновении нештатных ситуаций. Вероятность прерывания полета требует проведение анализа наихудших сценариев и выполнение большого объема инженерных расчетов. В то время как традиционные подходы по смягчению последствий неудачных попыток запусков требуют огромных ресурсов и средств, Firefly эффективно применяет технологии инженерного анализа для разработки и www.cadfem-cis.ru

верификации встроенных механизмов по обеспечению безопасности нового поколения для нашей первой ракеты. И они будут удовлетворять самым строгим государственным стандартам. Демонстрируя работоспособность наших технологий, инструменты инженерного анализа помогают нам получить разрешения регулирующих органов и добраться до космоса быстрее.

FIREFLY НЕ ТОЛЬКО СТРЕМИТСЯ К ДЕМОКРАТИЗАЦИИ КОСМОСА ЧЕРЕЗ СНИЖЕНИЕ ИЗДЕРЖЕК, НО ТАКЖЕ К СОЗДАНИЮ БОЛЕЕ ЭКОЛОГИЧНЫХ И БОЛЕЕ УСТОЙЧИВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. КАК ВАШИ ИНЖЕНЕРЫ УРАВНОВЕШИВАЮТ ЭТИ ПРИОРИТЕТЫ, КОТОРЫЕ, КАК ПРАВИЛО, ПРОТИВОРЕЧАТ ДРУГ ДРУГУ? Критерии экономичности, экологичности, надежности и эффективности не являются взаимоисключающими. Как ни странно, когда научные подходы, технические решения и законы природы приходят в гармонию, все становится лучше. Вы можете наблюдать это явление повсеместно, на примере современных зданий, мостов, дорог, экологически чистой энергетики и даже в автомобилях представительского класса. Например, неизбежно, что в автомобилях будущего в независимости от источника энергии будут электродвигатели. Это было предопределено. Электрические двигатели — это вращающиеся машины, и в их принципах работы функционально и в нужной форме лежит такой фундаментальный закон природы, как электромагнетизм. КПД таких двигателей составляет более 90%. На протяжении 100 лет инвестиции и усилия самых талантливых исследователей были направлены на совершенствование механизмов двигателей внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением поршня. Представьте, какие были бы результаты, если эти силы и средства были сосредоточены над разработкой более чистых продуктов, которые находятся в гармонии с природой, а не противодействуют ей. В Firefly заложена подобная философия. Мы изучаем любой возможный вариант, где с помощью законов физики и природы можно сделать наши ракеты лучше, проще, более эффективными,

более доступными и более экологичными. В наших ракетах используются технологии с максимальной передачей энергии, являющиеся «более простым, более скорым» продуктом для доступа в космос. НЕМНОГИЕ КОМПАНИИ СПОСОБНЫ ПРИВНЕСТИ РЕВОЛЮЦИОННЫЕ ИДЕИ В ОТРАСЛЬ, КАК ЭТО ДЕЛАЕТ FIREFLY. В ЧЕМ ИХ УНИКАЛЬНОСТЬ? Я считаю, что все инновационные компании занимаются решением проблем. Они создают продукты, услуги и инструменты для решения сложных социальных и глобальных задач, иногда используют неожиданные подходы. И каждый сотрудник, начиная с генерального директора, увлечен и сосредоточен на решении этой проблемы. Инженеры в Firefly — это те люди, кто в действительности применяют силу естественных наук для решения технических задач по доступу в космос. Но во главе каждой технологической компании должны быть руководители, глубоко разбирающиеся в инженерном деле и имеющие понимание тех задач, которые пытаются решить инженеры, в дополнение к мыслям об ответственности перед акционерами. Firefly стремится к достижению сложной технической цели, и его руководство должно хорошо мыслить за пределами финансовых понятий. Понимание самой природы производимого оборудование, которое создает тягу для преодоления земного притяжения, требует решения совершенно других управленческих задач, нежели при разработке программного обеспечения. Компании-революционеры также амбициозны, упорны и нацелены на достижение результатов как можно скорее. Я сам инженер, и я невероятно впечатлен скоростью, с которой команда разработчиков Firefly добивается результатов. Это самая продуктивная команда, с которой мне довелось работать, и этот процесс очень увлекательный. Наши дела идут хорошо. Всего за 20 месяцев мы создали испытательные стенды, соответствующие мировым стандартам, и провели испытания ракетных двигателей с использованием конструкций собственной разработки. Ничто не способно привести техническую команду к успеху, как ясное видеС ние важной цели.

CADFEM REVIEW

7

ЛИДЕР ОТРАСЛИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ КЛИМАТКОНТРОЛЯ САМОЛЕТА Для обеспечения комфорта и безопасности пассажиров необходимо, чтобы система климат-контроля самолета эффективно работала как во время полета, так и на земле. Анализ на системном уровне и подробный CFD-расчет помогли обеспечить выполнение соответствующих стандартов.

Авторы: Xiong Shen, Центральная лаборатория контроля качества воздуха в помещениях, Институт экологии и инженерии, Тяньцзиньский университет, Тяньцзинь, Китай Qingyan Chen, преподаватель инженерной механики, университет Пердью, Вест Лафейетт, США

Д

ля комфортного и безопасного авиаперелета необходим салон, в котором обеспечиваются благоприятные условия для пассажиров несмотря на существенно меняющиеся условия внешней среды. При этом все системы и компоненты самолета должны работать согласованно, чтобы поддерживать необходимые давление и температуру в салоне. Система климат-контроля самолета состоит из нескольких ключевых компонентов, включая теплообменники, трубопроводы, компрессоры, вентиляторы, турбины и водоотделители. При крейсерской высоте полета 9-12 км температура окружающей среды составляет от –50 до –60°C, а давление — от 0,3 до 0,2 атм. В салоне самолета такие условия являются недопустимыми, поэтому для безопасного и комфортного перелета система климат-контроля должна привести температуру и давление в норму. Этого можно достичь, например, используя горячий воздух высокого давления из двигателя, который охлаждается внешним потоком воздуха в теплообменнике. Затем компрессор еще больше повышает давление воздуха до достижения необходимого давления, но 8

CADFEM REVIEW. 03'2016

при этом температура получается слишком высокой. Такой горячий воздух снова охлаждается в основном теплообменнике и, после прохождения через турбину, давление и температура воздуха достигают необходимых значений. Процесс охлаждения приводит к конденсации водяных паров, в связи с чем конденсат необходимо удалять с помощью водоотделителя. В конце охлажденный

воздух смешивается с отфильтрованным отработанным воздухом из салона для обеспечения комфортных значений давления и температуры. Затем система климат-контроля доставляет воздух из коллектора в салон, чтобы охладить воздух, который нагревается пассажирами и оборудованием, а также для поддержания давления, соответствующего 1,8 км над уровнем моря.

Воздуховод

Фюзеляж MD-82

Наземная система климат-контроля

 Самолет MD-82 и наземная установка климат-контроля

 Схема течения воздуха от двигателя в кабину через компоненты системы климат-контроля

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА УРОВНЕ СИСТЕМЫ Для эффективного проектирования системы климат-контроля необходимо оценить взаимодействие ее компонентов до проведения летных испытаний. Сотрудники Тяньцзиньского университета (Китай) и университета Пердью (США) исследовали работу системы климат-контроля на системном уровне, а также провели подробные трехмерные CFD-расчеты с использованием программного комплекса ANSYS. Два университета давно используют ANSYS для исследования вопросов, связанных со здоровьем, безопасностью и комфортом людей при авиаперелетах. Компании ANSYS, Boeing и COMAC (Корпорация гражданского авиастроения Китая) являются членами консорциума CARE, целью которого является обеспечение безопасного и комфортного пребывания пассажиров в салоне самолета. На системном уровне температура в салоне регулируется контроллером температуры, в который поступают сигналы обратной связи из салона, использующиеся для изменения расхода воздуха, поступающего из двигат е л я . Ко н т р о л л е р и с п о л ь з у е т пропорционально- интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование, которое также было реализовано в модели системного уровня ANSYS Simplorer. Также была создана трехмерная CFD-модель салона самолета MD-82. При этом геометрия была получена с использованием системы лазерного сканирования. Расчетная сетка CFD-модели содержала около 6.4 млн. ячеек. www.cadfem-cis.ru

Затем был проведен связанный расчет с использованием моделей Simplorer и Fluent для анализа влияния переходных процессов системы климат-кон-

троля на тепловой режим в салоне самолета. В процессе связанного анализа в модуле Simplorer рассчитывалась температура подаваемого в салон воз-

 Геометрическая модель (слева) и расчетная сетка (справа) CFD-модели салона самолета MD-82

Время: 12 с

 Поле температур в салоне самолета, полученное с помощью CFD-модели (этап транспортировки самолета на взлетную полосу в летнее время)

CADFEM REVIEW

9

Воздух из окружающей Наземная среды система климатконтроля

Воздуховод

Подаваемый воздух

ЛИДЕР ОТРАСЛИ

Датчики температуры

 Схема подачи воздуха из окружающей среды в салон через наземную систему климат-контроля. Точки М1 и М2 показывают положение двух исследуемых датчиков температуры

духа, которая затем использовалась в качестве граничного условия в трехмерной CFD-модели. Значения температур в различных точках салона, полученные с помощью CFD-модели, сравнивались с требуемыми величинами, и все отклонения направлялись в контроллер температуры, который корректировал расход воздуха, поступающего из двигателя. Этот расход использовался в качестве нового граничного условия в модели системы климат-контроля Simplorer, и такой итерационный процесс продолжался до завершения.

Ученые исследовали поведение системы климат-контроля с использованием моделирования на системном уровне и CFDрасчета в программном комплексе ANSYS. НАЗЕМНАЯ УСТАНОВКА КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ До начала моделирования системы климат-контроля салона самолета необходимо было оценить точность моделирования подобной системы, не 10

CADFEM REVIEW. 03'2016

прогревается в холодное время года и охлаждается в летние месяцы. Специалисты использовали тот же подход: создали модель наземной установки климат-контроля в ANSYS Simplorer, а затем провели связанный расчет с применением CFD-модели салона самолета MD-82. Ученые исследовали влияние различного положения датчиков, направляющих данные в модули ПИД, которые контролируют расход. Первый датчик температуры находился в трубе GAC, которая подает воздух в самолет. Второй датчик располагался в салоне на уровне головы пассажира. Измеренные

Исследователи провели связанный расчет с использованием моделей ANSYS Simplorer и ANSYS Fluent для оценки влияния переходных процессов системы климат-контроля на тепловой режим в салоне. требующей проведения летных испытания. Сначала необходимо было создать модель наземной системы климат-контроля (GAC), представляющую собой мобильную установку, которая подает в салон воздух необходимой температуры, когда самолет находится в аэропорту. Установка содержит нагреватель, охладитель и центробежный вентилятор, благодаря чему салон

в салоне MD-82 температура и скорость воздуха (при внешних температурах от –5 до +35°C) хорошо согласовывались с результатами связанного расчета в ANSYS Simplorer и ANSYS CFD. Полученные результаты показали, что расположение температурных датчиков ближе к сидениям пассажиров позволяет обеспечить более равномерное распределение температуры по высоте салона.

 Результаты расчета температуры воздуха в салоне самолета для семи различных этапов полета в холодное (слева) и жаркое (справа) время года, полученные в ANSYS Simplorer

 Результаты расчета температуры воздуха в салоне самолета, подогреваемого наземной системой климат-контроля в январе, хорошо согласовывались с результатами измерений

БОРТОВАЯ СИСТЕМА КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ Разработав и опробовав алгоритм моделирования, исследователи использовали связанный Simplorer–Fluent расчет для анализа поведения бортовой системы климат-контроля в типичных условиях короткого полета самолета. Данный сценарий включал 4 минуты транспортировки самолета на взлетную полосу, 1 минуту для взлета, 15 минут набора высоты, 5 минут крейсерского полета, 20 минут снижения, 40 секунд приземления и 5 минут транспортировки к

месту высадки. В Simplorer было получено изменение массового расхода воздуха, поступающего от двигателя и необходимого для поддержания температуры в салоне на уровне +23°С в течение всех указанных этапов полета. Как и ожидалось, CFD-расчет показал, что скорость и температура воздуха в салоне во время полета меняются более существенно в жаркое время года из-за большей разницы между температурами на земле и на высоте полета. При моделировании различных сценариев связанного расчета наземной и

бортовой систем климат-контроля настройка моделей в Simplorer и Fluent обычно занимала около 4 часов. Расчет в Simplorer происходил достаточно быстро, в то время как нестационарный CFD-анализ теплового состояния в салоне в процессе полета требовал около 60 часов с использованием 32 процессоров. В будущем планируется использовать моделирование пониженного порядка (ROM) вместо выполнения прямых расчетов CFD-модели салона в ANSYS Fluent, что позволит существенно уменьшить время расчета без потери точности получаемых результатов. Исследователи Тяньцзиньского университета и университета Пердью предоставили результаты своих исследований специалистам компаний Boeing и COMAC в рамках сотрудничества консорциума CARE. Ожидается, что эти компании будут создавать собственные виртуальные прототипы для моделирования систем климатконтроля. Кроме того, планируется проведение экспериментального подтверждения выполненных расчетов систем климат-контроля самолета, что позволит улучшить характериС стики таких систем.

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ К НАМ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ ansys.com/social@ansys www.cadfem-cis.ru

www.cadfem-cis.ru

CADFEM REVIEW

11

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

«НОВЫЙ» КОВШ ДЛЯ БЕ-200ЧС Численное моделирование гидродинамического нагружения ковшей водозаборного устройства самолёта Бе-200ЧС в ПК ANSYS Фото: В. Мартынов, 2015

Авторы: Клепцов В. И., ПАО «ТАНТК им. Г. М. Бериева»; Куцев Н. М., Ляскин А. С., ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Р

азработанный в ТАНТК им. Г. М. Бериева самолет Бе-200ЧС является одним из наиболее необычных многоцелевых самолетов. Система специального пожарного оборудования (ССПО) позволяет на режиме глиссирования меньше чем за 20 секунд заполнить водяные баки 12 тоннами воды. Составной частью ССПО является водозаборное устройство (ВЗУ). Такого рода устройства не являются стандартным авиационным оборудованием, поэтому их сертификация требует 12

CADFEM REVIEW. 03'2016

проведения детальных расчетов, стендовых, наземных и летных испытаний. Сертификация ВЗУ проведена для типовой конструкции. Однако в ходе эксплуатации, для улучшения мореходных характеристик самолета на режимах забора воды, конструкция ковшей ВЗУ была изменена с целью уменьшения проходного сечения. Для использования уже имеющихся данных об экспериментальном подтверждении выносливости конструкции ВЗУ необходимо было установить эквивалент между новыми усло-

виями нагружения и предыдущими, с которыми были проведены ресурсные стендовые испытания. При проведении стендовых испытаний поля давлений на ковш ВЗУ заменяются суммарными сосредоточенными нагрузками, а при летных испытаниях регистрируются значения локальных напряжений в различных элементах конструкции ВЗУ. Восстановление суммарных нагрузок по локальным напряжениям является отдельной нетривиальной задачей. Вместо этого был предложен другой подход:

 Рисунок 1 — Старая (слева) и новая (справа) конструкция ВЗУ

четные сетки для двух вариантов конструкции ВЗУ, содержащие около 6,5 млн. тетраэдральных и призматических элементов каждая. На рисунке 2 видна

 Рисунок 2 — Детали поверхностной расчётной сетки в районе ВЗУ

компанией КАДФЕМ совместно с ТАНТК им. Г. М. Бериева было проведено численное моделирование обтекания выпущенного ковша ВЗУ при заборе воды, в ходе которого были определены как локальные напряжения, так и суммарные гидродинамические силы, действующие на ковш ВЗУ в старом и новом варианте. ВЗУ расположено на днище лодки корпуса самолета, за реданом. Конструкция ВЗУ показана на рисунке 1. Его основными элементами являются корпус с валами, кронштейн крепления, и выпускаемый ковш. Для сокращения времени расчетов рассматривалась только часть днища лодки длиной около 9 м (полная длина самолета Бе-200ЧС составляет 32 м). С помощью встроенного сеткогенератора ANSYS Fluent были построены расwww.cadfem-cis.ru

детализация расчетной сетки на поверхностях ВЗУ. Кроме того, дополнительно была построена расчетная сетка для модели без ВЗУ объемом около 3 млн. элементов. Расчет в ANSYS Fluent производился в нестационарной постановке (задача на установление) в два этапа. На первом этапе проводился расчет для модели без заборного устройства с целью установления начального распределения скоростей и давлений и положения свободной поверхности. На втором этапе полученные результаты использовались в качестве начального поля для старта расчета с заборным устройством. Для моделирования двухфазного течения «воздух-вода» использовался

 Рисунок 3 — Форма свободной поверхности воды: вверху общий вид, внизу детали обтекания ковша ВЗУ

CADFEM REVIEW

13

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

метод Volume of Fluid (VOF) — модель сплошных несмешивающихся фаз. Течение считалось полностью турбулентным, для моделирования турбулентности использовалась модель k-ω SST с демпфированием турбулентности у свободной поверхности. На рисунке 3 показана форма свободной поверхности, восстановленная по результатам расчетов. Как видно из рисунка, в расчете воспроизводятся все характерные детали течения: основная волна, формируемая глиссирующей частью днища лодки, брызговые струи, струя воды, создаваемая ковшом ВЗУ. Основным результатом расчетов были распределения избыточного давления на поверхности ковша ВЗУ (рисунок 4). Интегрирование этих распределений позволяет определить силы, действующие на ковш ВЗУ. Кроме того, эти распределения затем экспортировались в ANSYS Mechanical для определения напряженно-деформированного состояния кронштейна ВЗУ. Расчет напряженно-деформированного состояния кронштейна ВЗУ проводился для сравнения напряжений в контрольных точках с напряжениями, записанными в этих же контрольных точках с помощью тензодатчиков на опытном самолете Бе-200ЧС в ходе летных испытаний. Конечно-элементная сетка для расчета напряженно-деформированного состояния была построена в ANSYS Workbench Meshing и преимущественно состояла из тетраэдров второго порядка с серединными узлами (это было обу-

словлено большим количеством криволинейных поверхностей и тонких ребер). Построенная расчетная конечноэлементная сетка содержала около 270 тысяч элементов. Фрагменты конечноэлементной сетки представлены на рисунке 5. Подвижные элементы, такие как соединение «ухо-вилка», связь тяги с осью на стенке ковша и связь вала ковша со втулками, моделировались шарнирными связями с одной отпущенной вращательной степенью свободы. Отдельную проблему представляло сопоставление результатов расчетов в ANSYS Mechanical с результатами измерений с помощью тензодатчиков. Тензодатчик представляет собой тонкое основание с закрепленным на нем первичным преобразователем (тензорезистором). Так как продольные размеры первичного преобразователя намного больше чем поперечные, то тензодатчик воспринимает только деформации растяжения-сжатия, не учитывая при этом изгибных деформаций. Поэтому для определения напряжений в тензодатчиках была предложена оригинальная методика. В местах установки тензодатчиков, были созданы оболочечные тела малой толщины. Для данных тел задан тип конечного элемента SHELL181 с определением только мембранной жесткости. Это позволяет учитывать поверхностные усилия растяжения-сжатия, игнорируя изгибную составляющую. Кроме этого, на каждом оболочечном теле тензодатчика был создан только один конечный элемент,

 Рисунок 4 — Распределение избыточного давления на поверхности ковша ВЗУ

14

CADFEM REVIEW. 03'2016

что позволяет выводить осредненные напряжения по всей поверхности чувствительного элемента. По результатам сравнительного анализа расчетной модели первого приближения было выявлено, что отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет 15-28%. Такая погрешность является неприемлемо высокой. Для модернизации расчетной модели было пересмотрено взаимодействие подвижных элементов ВЗУ. В частности, было изменено шарнирное соединение вала ковша со втулками, установленными в кронштейне ковша. В первоначальном варианте поведение данного соединения было определено как жесткое. В доработанной расчетной модели шарнирное соединение было определено как деформируемое. Это существенно повлияло на расчетное напряженнодеформированное состояние элементов конструкции ВЗУ (см. рисунок 6). После доработки расхождение между расчетными и экспериментальными значениями напряжений уменьшилось до приемлемых 12-15% для большинства контрольных точек. Исключение составили контрольные точки на тяге уборки-выпуска ковша, для которых расхождение составило 18%. Это связано с упрощениями геометрической и конечно-элементной модели тяги. В реальности она представляет собой сборную конструкцию из нескольких элементов с резьбовыми соединениями, в то время как в расчетной модели тяга была представлена единым твердым телом.

Таким образом, настройка расчетной модели привела к удовлетворительному согласованию расчетных и экспериментальных данных, что позволяет сделать вывод об адекватности модели расчета гидродинамических сил, созданной в ANSYS Fluent. Степень отличия полученных на основе этой

модели суммарных гидродинамических сил между двумя вариантами конструкции ковша ВЗУ стала основанием для установления эквивалентов по повреждаемости между проведенными стендовыми испытаниями и эксплуатацией ковшей ВЗУ измененной конС струкции.

 Рисунок 6 — Деформированное элементов ВЗУ: слева — жесткое  Рисунок 5 — Конечно-элементная сетка элементов конструкции ВЗУ

www.cadfem-cis.ru

шарнирное соединение, справа — деформируемое шарнирное соединение

CADFEM REVIEW

15

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

ЛАМИНАРИЗАЦИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ НА КРЫЛЕ СВЕРХЗВУКОВОГО САМОЛЕТА Специалисты ЦАГИ выполнили расчет в ANSYS CFX положения ламинарно-турбулентного перехода на крыле сверхзвукового самолета

Авторы: Вождаев В. В., кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «ЦАГИ» им. проф. Н.Е. Жуковского» Теперин Л. Л., кандидат технических наук, начальник отдела ФГУП «ЦАГИ» им. проф. Н.Е. Жуковского»

В

статье выполнена расчетная оценка возможности естественной ламинаризации пограничного слоя на крыле сверхзвукового самолета. Вычисления проведены с использованием современной модели ламинарно-турбулентного перехода, основанной на уравнении переноса для перемежаемости. В результате показано, что ламинаризация пограничного слоя на крыле обеспечивает преимущество в 6% в полном сопротивлении. Мировая практика создания сверхзвуковых пассажирских самолетов показывает, что разработчики направляют свои усилия на два типа летательных аппаратов: магистральные, рассчитанные на 100-200 пассажиров (так называемые СПС-2), совершающие трансконтинентальные перелеты над океанами, для которых звуковой удар не является существенным ограничением, и самолеты бизнес-класса с 10-20 пассажирами, у которых конструкторы пытаются снизить звуковой удар до минимального уровня. Как показывает практика проектирования компоновок последнего типа, самолет бизнескласса весом 45-50 тонн не может иметь величину звукового удара меньше 20-40 Па при крейсерской скорости полета порядка М=1,8-2,0. От звукового удара можно избавиться вовсе, сохранив 16

CADFEM REVIEW. 03'2016

сверхзвуковую скорость крейсерского полета, но снизив эту скорость до величины, при которой на поверхности земли она будет дозвуковой. Это возможно благодаря тому, что температура воздуха, а, следовательно, и скорость звука снижается с высотой. Начиная с 11 км и до 25 км скорость звука в стандартной атмосфере снижается до 295 м/c по сравнению со скоростью звука на поверхности земли 340 м/с. Если число Маха крейсерского полета будет равно 340/295≈1,15 (число Маха «отсечки» звукового удара), то на земле звуковой удар будет выглядеть как обычный шум реактивного самолета. Схематично эта ситуация показана на рис. 1. На рис. 1 продемонстрировано, что наклон головной волны, индуцированной самолетом, летящим со сверхзвуковой скоростью, постепенно увеличивается, достигая значения 90° на высоте примерно 1,5 километра. При этом наклонный скачок уплотнения становится прямым, после которого, как известно, течение становится дозвуковым. На этой высоте происходит фокусировка (каустика) звукового луча и распространение отраженной ударной волны. На земле можно ощутить только обычный шум (двигателей), исходящий от высоко летящего самолета. Если скорость полета не велика и не велики размеры летательного аппарата, то появляется вторая

Проведенные расчеты показывают, что при относительной толщине 4% ламинарный участок на скользящем крыле занимает 90% хорды крыла до тех пор, пока угол стреловидности не достигнет 10°. После чего ламинарный участок начинает резко сокращаться, что можно объяснить наличием «cross flow» (поперечное течение) на передней кромке стреловидного крыла. При толщинах профиля крыла больше 4% сокращение ламинарного участка наступает раньше. На рис. 3 показана зависимость коэффициента полного сопротивления (трения и давления) прямого крыла (скользя-

 Рисунок 1 — Схема сверхзвукового полета без звукового удара на земле

идея повышения эффективности самолетов бизнес класса за счет снижения сопротивления, а именно снижение сопротивление трения путем естественной ламинаризации пограничного слоя на поверхности крыла. Если указанный выше способ снижения величины звукового удара не вызывает сомнений и подтверждается экспериментом [1], то естественная ламинаризация требует дополнительных расчетных и экспериментальных исследований. Вначале рассмотрим скользящее крыло различной стреловидности, обтекаемое однородным сверхзвуковым потоком с малой начальной турбулентностью (Tu менее 1%). Крыло образовано симметричными в двух плоскостях профилями в виде дужек парабол с относительной толщиной от 4 до 8% хорды. Этот диапазон толщин соответствует практически всем сверхзвуковым компоновкам, для которых расчет выполняется по методике [2]. В качестве модели турбулентности используется модель Ментера, основанная на уравнении переноса для перемежаемости, учитывающая неустойчивость поперечного течения в пограничном слое [3]. Конечно-разностная сетка, построенная в программном комплексе ANSYS (лицензия ЦАГИ №501024), представляла собой комбинацию 40 структурированных по нормали к поверхности крыла пирамидальных слоев для моделирования пограничного слоя и тетраэдров для моделирования остальной части сверхзвукового потока. Общее количество элементов сетки составляло 2 млн. Параметр y+, величина которого определяет точность расчета ламинарно-турбулентного перехода, был равен 3. Режим скользящего течения на крыле обеспечивался периодическим граничным условием на боковых гранях расчетной области, так же как и в представленных выше расчетах. На риc. 2 показано положение ламинарно-турбулентного перехода в зависимости от стреловидности и относительной толщины сечений крыла. Хорда скользящего крыла, измеренная перпендикулярно передней кромке, была равна 1 м для всех углов стреловидности; толщина параболических профилей относительно этой хорды принимала значения 4, 6, и 8%. Число Маха набегающего потока было равно М=1,15, что соответствовало числу Маха «отсечки» звукового удара. Параметры набегающего потока соответствовали полету на высоте 16 км, при этом число Рейнольдса было равно Re=7,44 млн. www.cadfem-cis.ru

 Рисунок 2 — Влияние угла стреловидности и толщины скользящего крыла на положение ламинарно-турбулентного перехода

щего крыла с нулевой стреловидностью) от относительной толщины профиля. На графике рис. 3 нанесены две зависимости: одна для полностью турбулентного пограничного слоя на поверхности крыла (сплошная кривая) и другая с учетом ламинарно-турбулентного перехода. Из предыдущего графика рис. 2 видно, что при нулевой стреловидности положение ламинарно-турбулентного перехода слабо зависит от относительной толщины профиля, поэтому рост полного сопротивления на рис. 3 определяется повышением волнового сопротивления, а сопротивление трения слабо зависит от относительной толщины профиля. Отсюда следует, что преимущество в сопротивлении от ламинаризации пограничного слоя сильно зависит от толщины профиля. Так для крыла с профилем относительной толщины 4% ламинаризация дает приемущество в полном сопротивлении 19%, а для крыла с профилем 8% толщины эта величина составляет 6%. Рассмотрим влияние числа Маха набегающего потока на положение ламинарно-турбулентного перехода на прямом крыле. Из графика рис. 4 видно, что при числе Маха набегающего потока чуть больше М=1,15 зона ламинарного участка пограничного слоя резко уменьшается. При увеличении числа Маха от 1 до 1,2 скачок уплотнения перемещается от бесконечности до передней кромки профиля. При этом существенно меняется градиент давления на передней кромке профиля в CADFEM REVIEW

17

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

 Рисунок 3 — Зависимость коэффициента сопротивления прямого

 Рисунок 5 — Распределение коэффициента давления на поверхности

крыла от относительной толщины профиля

профиля

направлении набегающего потока. Пока скачок уплотнения не достиг передней кромки, на поверхности профиля наблюдается дозвуковой тип распределения давления (рис. 5), поддерживающий ламинарный режим течения в пограничном слое. При увеличении числа Маха набегающего потока до значений больших 1,2, скачок достигает передней кромки, и распределение давления приобретает сверхзвуковой тип (рис. 5). При этом благоприятный градиент давления для поддержания ламинарного состояния пограничного слоя снижается и возникает ламинарно-турбулентный переход. Представляет интерес перенести полученные результаты на компоновку самолета. Для этой цели используем комбинацию крыло-фюзеляж-оперение изображенную на рис. 6, прототипом которой явился самолет бизнес-класса,

разрабатываемый фирмой AERION [4]. Фюзеляж рассматриваемой компоновки имеет заостренную носовую часть и «поджатие» в районе крыла для снижения волнового сопротивления. Крыло имеет наплыв со стреловидностью 73° и центроплан со стреловидностью передней кромки 10°. Крыло построено по симметричным двояковыпуклым параболическим профилям с острой передней кромкой. Относительная толщина крыла изменялась от 4 до 2%. Расчеты обтекания компоновки самолета проводились для режима крейсерского полета с числом Маха М=1,15 на высоте 14, 16, 18 и 20 км. Расчетная область и неструктурированная сетка с выделением специальной зоны около компоновки и зоны пограничного слоя на поверхности соответствовали разработанным требованиям, необходимым для получения достоверных результатов ламинарно-турбулентного перехода. На рис. 7 показана зависимость рассчитанного коэффициента полного сопротивления самолета при нулевом угле атаки от высоты крейсерского полета при числе М=1,15. Минималь-

 Рисунок 4 — Зависимость положения ламинарно-турбулентного перехода от числа Маха

18

CADFEM REVIEW. 03'2016

 Рисунок 6 — Общий вид сверхзвукового самолета бизнес класса

 Рисунок 8 — Область ламинарного участка пограничного слоя на консольной части крыла в зависимости от высоты полета

 Рисунок 7 — Зависимость полного сопротивления самолета от высоты крейсерского полета

ризации пограничного слоя на консольной части крыла. Для этого рассчитаем обтекание компоновки самолета на высоте 16 км при полностью турбулентном состоянии пограничного слоя. Проведенные вычисления показали, что естественная ламинаризация пограничного слоя на крыле дает 6% преимуС щество в полном (трение и давление) сопротивлении.

Список литературы

ное значение коэффициент сопротивления принимает на высоте 16 км. При этом протяженность зоны ламинарного участка, показанная линиями различного типа на рис. 8, непрерывно увеличивается с высотой полета. Представляет интерес оценить выигрыш в сопротивлении, который можно получить за счет естественной ламина-

1. Magleri D.J., Hilton D.A., Huckel V., Henderson H.R., McLeod N.J. Measurements of Sonic Boom Signature From Flights at Cutoff Mach Number // Third Conference on Sonic Boom Research, NASA SP-255, 1970. P. 243-254.

2. Вождаев В.В., Теперин Л.Л. Методика численного моделирования ламинарно-турбулентного перехода на скользящем крыле на основе решений уравнений Навье-Стокса // Полет, №3, 2015. С.25-33.

3. Menter F.R., Smirnov P. A One-Equation Local Correlation-Based Transition Model // Flow Turbulence Combustion, 05 July, 2015. 37 p.

4. Sturdza P. Extensive Supersonic Natural Laminar Flow on the Aerion Business Jet // AIAA Paper 2007–685, 2007. 17 p.

Следите за обновлениями Предыдущие выпуски русской редакции ANSYS ADVANTAGE всегда доступны по адресу www.ansysadvantage.ru

www.cadfem-cis.ru

CADFEM REVIEW

19

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИВОДНЕНИЯ БПЛА Численное моделирование приводнения беспилотного летательного аппарата позволяет сократить расходы на летные испытания и быстрее получить результаты

Автор: Keen Ian Chan, ведущий инженер, Singapore Technologies Aerospace, Сингапур

С

егодня беспилотные летательные аппараты (БПЛА) все чаще используются для выполнения различных задач, включая полеты над водоемами с целью наблюдения за морским пространством. В зависимости от размеров и грузоподъемности БПЛА, вынужденная посадка на воду (приводнение) может вызывать повреждения, оцениваемые в тысячи или миллионы долларов, или даже приводить к полному разрушению корпуса самолета. Например, вследствие удара о воду возникают большие нестационарные нагрузки на корпус, а такие свойства воды, как динамическая плавучесть и 20

CADFEM REVIEW. 03'2016

сжимаемость могут вызвать опрокидывание БПЛА. Понимание того, как уменьшить риск повреждения в таких ситуациях, является важным моментом проектирования беспилотных летательных аппаратов. Проведение летных испытаний с приводнением для новых моделей БПЛА является неоправданным в связи с большими затратами времени и денег на изготовление прототипов, обеспечение свободного воздушного пространства для полетов, оснащение прототипа необходимыми датчиками и создание требуемых условий, при которых происходит удар о воду.

Численное моделирование различных сценариев приводнения является хорошей альтернативой проведению экспериментальных исследований. Однако в процессе расчетов инженеры сталкиваются с необходимостью моделировать многофазную среду (воздух и вода) с учетом сжимаемости воды, при этом расчет должен выполняться с очень маленьким шагом по времени для точного определения импульсной нагрузки. Специалисты компании Singapore Technologies Aerospace (ST Aerospace) использовали программный комплекс ANSYS CFD для решения данной задачи, что позволило сократить

 Инженерам удалось увеличить шаг по времени, разделив область решения на две зоны

расходы на летные испытания и быстрее получить результаты. МНОГОФАЗНАЯ СРЕДА Для моделирования многофазной среды при ударе о воду инженеры ST Aerospace использовали модель VOF (Volume of Fluid) в ANSYS Fluent. В этой модели объемная доля каждой фазы отслеживается во всей области решения для каждой ячейки, при этом точно определяется граница раздела между фазами. В данном расчете схема отслеживания границы интерфейса «Geometric Reconstruction» использовалась для описания изменения поверхности воды. Данная схема является наиболее точной, при этом она совместима с неструктурированными, подвижными и деформируемыми расчетными сетками (MDM). Давление, возникающее при ударе о воду, достаточно велико для ее сжатия, в связи с этим, при моделировании необходимо учитывать сжимаемость воды. В расчете применялось пользовательское программирование (UDF) для описания сжимаемости воды, при этом плотность определялась на основе коэффициента объёмного сжатия. РАЗДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ШАГА ПО ВРЕМЕНИ Для моделирования движения БПЛА относительно соседних ячеек, шаг по времени должен быть пропорционален www.cadfem-cis.ru

размеру этих ячеек. В данной задаче инженерам удалось увеличить шаг по времени, разделив область решения на две зоны. Внутренняя полусферическая зона, содержащая летательный аппарат, остается неизменной относительно самолета. Таким образом, когда БПЛА двигается и вращается под действием сил, возникающих при ударе о воду, внутренняя зона также двигается и вращается. Внешняя зона является неподвижной и зафиксированной в пространстве. В ANSYS Fluent такое разделение можно выполнить с помощью технологии MDM. Данный метод эффективно перестраивает объемные ячейки на интерфейсе между этими двумя зонами. При таком подходе шаг по времени пропорционален размеру ячеек на интерфейсе между зонами, которые значительно больше ячеек в непосредственной близости от летательного аппарата. Это позволяет использовать большие шаги по времени, что, в свою очередь, сокращает количество шагов, необходимых для выполнения всего расчета. В CFD-модели инженеры использовали граничное условие симметрии. Таким образом, проводился расчет только половины самолета, что в два раза уменьшило количество расчетных ячеек и сократило время расчета на 50%. Такой подход позволил моделировать только продольное движение БПЛА, в то время как расчет поперечного движения не учитывался.

Расчет удара о воду начинался с момента, когда летательный аппарат находился на небольшом расстоянии над водой, и выполнялся с малыми шагами по времени. Для каждого шага по времени в CFD-расчете получалось мгновенное поле скоростей, под влиянием которого возникали силы и моменты, действующие на корпус самолета. Полученные силы и моменты использовались в качестве входных данных в решателе 6DOF для выполнения расчета поступательного и вращательного движения на каждом шаге по времени. Таким образом, БПЛА перемещался и менял ориентацию в пространстве вместе с внутренней зоной. Перемещение самолета и внутренней зоны деформировали объемные ячейки на границе раздела между зонами, в связи с чем, такие ячейки перестраивались с помощью технологии MDM для обеспечения высокого качества расчетной сетки. Эта процедура повторялась для каждого шага по времени. ВАЛИДАЦИЯ МЕТОДИКИ Инженеры ST Aerospace провели валидацию своего расчетного подхода с использованием опубликованных в литературе результатов эксперимента [1]. В данном эксперименте 160-градусный конус бросался в воду, при этом исследовались различные массы и скорости удара о воду. Целью эксперимента было измерение силы удара. Для CADFEM REVIEW

21

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

 Валидация расчетного метода

 Резкая посадка характеризуется сильным опрокидыванием

 Для приводнения на фюзеляж свойственно сильное опрокидывание

 Пикирующая посадка оказалась оптимальным способом приводнения

валидации был выбран сценарий, в котором масса конуса составляла 0,324 кг, а скорость удара о воду — 5,04 м/с. Экспериментальные измерения показали максимальную силу 317,844 Н, при этом по результатам моделирования была получена величина 310,977 Н — таким образом, разница составила всего 2,2%. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПРИВОДНЕНИЯ После выполнения валидации специалисты ST Aerospace провели 20 различных расчетов приводнения нового БПЛА, которые включали резкую и пикирующую посадку, а также приводнение на фюзеляж. Кроме того, моделировалось приводнение на фюзеляж, в котором корпус летательного аппарата заменялся корпусом NACA 84.

22

CADFEM REVIEW. 03'2016

Проведение летных испытаний с приводнением для новых моделей БПЛА является нецелесообразным. Резкая посадка, приводнение на фюзеляж, а также посадки БПЛА с корпусом NACA 84 характеризуются сильным опрокидыванием, что является нежелательным, т.к. увеличивает силы, действующие на летательный аппарат. При пикирующей посадке не наблюдалось опрокидывание, и действующие силы были минимальными. Полученные результаты CFD-расчетов приводнения летательного аппарата использовались при проектировании корпуса самолета, способного выдержи-

вать удары о воду. Кроме того, данные моделирования позволят операторам БПЛА выбирать оптимальный способ приводнения. Необходимые результаты были получены без дорогостоящих и опасных летных испытаний, что существенно уменьшило время и стоимость проектирования беспилотных летательС ных аппаратов. Литература [1] Watanabe, S. Resistance of Impact on Water Surface, Part I — Cone, Inst Phys Chem Res Tokyo, 1930, Vol. 12, No. 226, pp. 251–267.

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

ВИРТУАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Создание виртуального экспериментального стенда для испытания реактивных двигателей позволяет компании Lufthansa Technik улучшать характеристики двигателей

Автор Gerrit Sals, инженер по эксплуатации испытательного стенда, Lufthansa Technik AG, Гамбург, Германия

К

апитальный ремонт стандартного реактивного двигателя коммерческого самолета может стоить около 2 млн. долларов США, т.к. команда экспертов должна проверить, починить или заменить около 40 тыс. деталей. Обычно подобный ремонт требуется, когда двигатель используется на протяжении 2000 – 10000 полетов. Объем ремонтных работ может быть различным, в зависимости от компонентов двигателя, которые необходимо починить или заменить, и в значительной степени определяет стоимость капитального ремонта, а также дальнейшую работу отремонтированного двигателя. Инженеры компании Lufthansa Technik оптимизируют процесс ремонта с помощью моделирова-

ВходCell в Test Inlet установку

Камера Test для Chamber испытаний

Секция Part А A

ДетурбулизируюTurbulence щая сетка Screen

Секция Part BB

ния конкретного двигателя для оценки состояния отдельных компонентов и их влияния на работу двигателя. Благодаря численному моделированию специалисты компании оптимизируют объем ремонтных работ при тесном взаимодействии с клиентами. Такой подход позволяет увеличить термодинамическую эффективность и долговечность двигателя, уменьшить потребление топлива и сократить расходы на эксплуатацию. Моделирование также дает возможность продлить эксплуатацию таких критически важных и дорогостоящих компонентов, как лопатки турбин. До недавнего времени моделирование таких двигателей выполнялось только для условий в воздухе или на взлетно-посадочной полосе, суще-

Интерфейсы Interfaces

Part CC Секция

Выходной Exhaust Stack патрубок

Секция Part DD

Демпфирующее Blast устройство Basket

 В связи с высокой сложностью геометрии испытательного стенда, он был разбит на пять моделей, связанных интерфейсами

www.cadfem-cis.ru

ственно отличающихся от условий испытаний на тестовых стендах. В течение долгого времени специалисты Lufthansa Technik хотели создать виртуальный экспериментальный стенд для испытания реактивных двигателей. Однако моделировать экспериментальные стенды достаточно трудно из-за размера и сложности геометрической модели, большого диапазона длин и скоростей, а также чисел Маха, меняющихся от почти нулевого до трансзвукового. Недавно специалистам Lufthansa Technik удалось решить эти проблемы и создать виртуальный прототип одного из испытательных стендов, а также провести сравнение результатов моделирования с экспериментально полученными значениями. Как только инженеры смогут использовать результаты моделирования экспериментального стенда в качестве исходных данных при расчете двигателя, они будут лучше понимать результаты диагностических испытаний, проводимых на экспериментальном стенде, а также точнее прогнозировать влияние различных ремонтных работ на приёмочные испытания. Как результат, ожидается улучшение работы двигателя, более точная оценка объема ремонтных работ и сокращение их стоимости. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕМОНТНОГО ПРОЦЕССА Компания Lufthansa Technik AG является мировым лидером в области CADFEM REVIEW

23

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

 Внешние граничные условия

обслуживания и капитального ремонта самолетов. Для повышения эффективности двигателя и сокращения объема ремонтных работ необходимо глубокое понимание внутреннего взаимодействия его компонентов. Специалисты постоянно отслеживают состояние ответственных узлов двигателя, таким образом, они могут заменяться по мере износа. Дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто при точном определении того, как состояние отдельных компонентов влияет на работу всего двигателя. Установив такую зависимость между состоянием узлов и эффективностью двигателя, можно сосредоточиться на данных компонентах во время капитального ремонта. Инженеры Lufthansa Technik проводят трехуровневое моделирование для определения причинно-следственной связи между состоянием отдельных деталей и работой всего двигателя. На первом уровне используется коммерческая программа для анализа термодинамического цикла, в которой создается модель всего двигателя и определяются такие параметры, как тяга, потребление топлива и температура выхлопных газов. На втором уровне выполняется расчет гидродинамики всего двигателя во множестве средних линий. На третьем уровне в ANSYS CFX проводится подробный CFD-анализ различных частей двигателя. Недавно инженеры Lufthansa Technik смогли усовершенствовать данный процесс благодаря созданию вирту24

CADFEM REVIEW. 03'2016

 Аксиальная скорость в камере для испытаний для безветренных условий (вверху) и поперечного ветра (внизу)

ального экспериментального стенда для получения граничных условий при моделировании двигателей. В основном, внутренние граничные условия получаются из анализа термодинамического цикла, который, в свою очередь, основывается на данных экспериментального стенда. Использование данных, полученных на основе трехмерной полевой модели экспериментальной установки, позволяет инженерам рассматривать работу входного устройства под воздействием влажности, дождя и поперечного ветра. Это, в свою очередь, позволяет им точнее учитывать зависимость между состоянием компонентов и эффективностью работы двигателя в условиях экспериментального стенда. В связи с высокой сложностью геометрии испытательного стенда, было создано пять моделей с интерфейсами между ними. Благодаря дроблению модели экспериментального стенда на части с помощью технологии General Grid Interface (GGI) в ANSYS CFX инженерам удалось уменьшить ее размер и сложность. Такая модульная структура позволяет проводить расчет различных конфигураций установки. В секции А находится входная область экспериментального стенда и делители потока в заборном устройстве; секция В включает поворотные лопатки; в части С расположены камера для испытаний, детурбулизирующая сетка, тягоизмерительный стенд, двигатель и реактивный патрубок; секция D содержит выходной патрубок и выходные делители потока. Область,

окружающая экспериментальную установку, моделировалась отдельно и называлась «средой» (Environment). Кроме того, детурбулизирующая сетка и демпфирующее устройство были включены в расчет как отдельные подобласти. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА Для создания расчетной сетки каждой секции инженеры использовали модуль ANSYS ICEM CFD Hexa. Стоит отметить, что генерация сетки являлась наиболее сложным этапом в данной задаче. Специалисты Lufthansa Technik использовали инструменты диагностики и «лечения» сетки для обеспечения ее высокого качества. Для секций A, B, D и «среды» использовалась гексаэдральная сетка, т.к. она обеспечивает оптимальное соотношение между точностью и требуемыми расчетными ресурсами. Кроме того, сетка может автоматически перестраиваться при внесении небольших изменений в геометрию. Для секции С применялась гексаэдральная сетка со структурой «O-grid», что позволило достичь максимальной точности в этой наиболее важной зоне. Использование интерфейсов позволило сократить время расчета, поскольку не было необходимости применять одну и ту же структуру и плотность сетки во всей модели. Воздух входит в экспериментальный стенд через входное отверстие и ускоряется при прохождении через разделитель потока. Далее поворотные лопатки отклоняют вертикальный поток без

103,000

Static Pressure (Pa)

102,000 101,000 100,000 99,000 98,000 97,000 96,000

EXH_PS1

EXH_PS3 Sim01 (Static)

EXH_PS5

EXH_PS7

Measured

 Поле скоростей в камере для испытаний, полученное при расчете для

 Сравнение результатов моделирования и экспериментально

безветренных условий (вверху) и поперечного ветра (внизу)

полученных значений давления в реактивном патрубке

дополнительного ускорения. Затем поток проходит через детурбулизирующую сетку, что приводит к дополнительному перепаду давления, но при этом поток становится более равномерным. После этого поток проходит через двигатель, вследствие чего повышаются температура, скорость и полное давление. Это, в свою очередь, приводит к ускорению потока, омывающего двигатель. Затем выхлопные газы покидают экспериментальную установку через реактивный патрубок, демпфирующее устройство и выходной патрубок. Специалисты провели расчет экспериментального стенда при двух различных наборах условий окружающей среды, которые использовались как граничные условия. В первом варианте скорость ветра на входе и выходе экспериментальной установки задавалась равной нулю. Во втором варианте скорость поперечного ветра была равна 20 м/с. На экспериментальном стенде различные направления и скорости ветра не исследовались, в то время как в CFDмодели такая возможность была предусмотрена. Внешние граничные условия, необходимые для учета поперечного ветра, включают вход на фронтальной плоскости модели, выход в задней части и граничное условие Opening на левой, правой и верхней плоскостях области решения. Внутреннее граничное условие выхода (вход в двигатель) зависит от внутреннего граничного условия входа (выход из двигателя). Массовый расход в данных граничных условиях связан через функции, зависящие от www.cadfem-cis.ru

статического давления и полной температуры на выходном реактивном сопле двигателя. Эти функции были получены с использованием анализа термодинамического цикла. Такой подход повышает точность модели, т.к. двигатель меняет свой рабочий режим в зависимости от условий течения на экспериментальном стенде.

Численное моделирование позволяет существенно продлить срок эксплуатации двигателя. ВАЛИДАЦИЯ МОДЕЛИ Инженеры Lufthansa Technik решили провести валидацию всей модели, включая возможность рассчитывать давления и скорости в любой точке области решения, чтобы эта информация могла также использоваться при внесении изменений в экспериментальную установку. Валидация модели была выполнена путем сравнения результатов расчета и экспериментальных значений статического давления в различных точках реактивного патрубка. Было получено хорошее согласование результатов: наблюдалось отклонение в

диапазоне от 0,05 до 1,33% в четырех различных точках. Тем не менее, специалисты Lufthansa Technik продолжают работу над уточнением модели, в частности, путем измельчения расчетной сетки в области демпфирующего устройства и выходной зоны. В ближайшем будущем планируется использовать модель экспериментального стенда для получения граничных условий, необходимых при моделировании двигателей в рамках определения объема ремонтных работ. Такие расчеты позволят инженерам улучшать характеристики ремонтируемых двигателей, уточнять объемы ремонтных работ и экономить значительные средства. К примеру, клиент может указать, что отремонтированный двигатель должен обеспечивать определенный уровень температуры выхлопных газов на экспериментальном стенде, и инженеры Lufthansa Technik смогут оптимально определить соответствующий объем работ, необходимый для обеспечения данных условий. Более того, модель экспериментальной установки может использоваться для модернизации стенда и оценки влияния различного положения датчиков в конкретных испытаниях. С помощью численного моделирования Lufthansa Technik не только улучшает характеристики двигателей, но и оптимизирует рабочие процессы с целью финансовой экономии. Высокоточные модели позволяют уменьшить риски и повысить конкурентоспособС ность компании.

CADFEM REVIEW

25

ЭНЕРГЕТИКА

ЭНЕРГЕТИКА ИННОВАЦИЙ Интервью

РУКОВОДИТЕЛИ И ИНЖЕНЕРЫ РАСЧЕТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ GILKES РАССКАЗЫВАЮТ ОБ ОПЫТЕ ВНЕДРЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СОВРЕМЕННОГО ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

М

ировой лидер в области разработки и производства малой гидроэнергетики и насосов систем охлаждения, компания Gilkes, на протяжении многих лет добивалась успеха на рынке благодаря надежным и проверенным решениям. В 2013 году

 Рабочее колесо струйно-ковшовой турбины  Моделирование струйно-ковшовой турбины в ANSYS CFD

26

CADFEM REVIEW. 03'2016

руководство компании осознало, что для сохранения статуса лидера отрасли компании необходимы инновационные решения для выпускаемой продукции. Путем достижения внутренней компетенции в области численного моделирования компания полностью обновила

линейку продукции, сделав это оперативно и с минимальными затратами. Бизнес, имеющий 162-летнюю историю, извлек несколько уроков, которыми могут воспользоваться другие компании, ставящие своей целью создание инновационных продуктов. Ужесточающиеся требования по защите окружающей среды, а также государственная поддержка экологически чистого производства и продукции в ряде стран привели к существенным изменениям в работе инженерных команд во многих отраслях промышленности. Например, в энергетике большее количество новых станций сооружается с помощью альтернативных видов энергии — ветровой, солнечной, водной, что привело к формированию быстрорастущих рынков и появлению новых потребностей клиентов. Команды проектировщиков двигателей или их компонентов сталкиваются как с более строгими стандартами по эмиссии CO, так и с ограничениями по весу для минимизации расхода топлива. Компания Gilbert Gilkes & Gordon Ltd. — чаще называемая Gilkes — работает в областях электроэнергетики и двигателестроения. Gilkes Hydro — мировой лидер по производству гидро-

энергетических систем. Более 6700 турбин, произведенных компанией, установлены в 80 странах мира. Gilkes Pumping Systems производит модельный ряд сложных насосных систем для охлаждения мощных дизельных двигателей, выступая поставщиком ведущих мировых производителей моторов. Компания Gilkes, основанная в Великобритании в 1853 г., большое внимание уделяет традициям. Основное производство находится на одном и том же месте с 1856 г., а с 1881 г. контрольным пакетом акций компании владеют члены одной семьи. С лояльной клиентской базой и признанными конструкторскими решениями Gilkes смогли многие годы сохранять статус лидеров рынка малой гидроэнергетики и насосов систем охлаждения. «Традиционный подход создания высокоэффективной продукции в Gilkes подразумевал натурное тестирование, оптимизацию под имеющиеся производственные мощности и создание модельного ряда на основе базового проекта», — рассказал Линдсей Энтвисл, инженер-механик по насосам систем охлаждения. «Клиенты были очень довольны характеристиками насосов, и этот подход доказывал свою эффективность многие годы». Однако, в последнее десятилетие условия на обоих традиционных рынках работы Gilkes стали меняться. Отчасти вследствие правительственных субсидий на возобновляемые источники энергии, рынок гидротурбин стал быстро расти во многих регионах мира, появились новые конкуренты, а Gilkes пришлось обеспечивать все лучшие характеристики продукции для сохранения доли рынка.

«Gilkes было необходимо обеспечить более высокие показатели эффективности турбин для сохранения доли рынка». www.cadfem-cis.ru

 История успеха компании Gilkes

В дополнение, большее внимание к защите окружающей среды означало перспективу появления новых регулирующих документов и стандартов для дизельных двигателей. Разработанная Gilkes линейка насосов требовала как увеличения показателей производительности для обеспечения уменьшения уровня выбросов, так и сокращения стоимости. Впервые за многие годы требования к продукции, выпускаемой Gilkes, кардинально изменились. МОДЕЛИРОВАНИЕ — КОНКУРЕНТНОЕ ПРЕИМУЩЕСТВО В обоих сегментах рынка основные конкуренты Gilkes быстро продвигались к разработке инновационных конструкторских решений с активным применением технологий вычислительной гидрогазодинамики (CFD) для быстрого проектирования и вывода на рынок новой продукции, отвечающей запросам рынка. Численное моделирование и инженерные расчеты не были новой концепцией для Gilkes. Исторически при необходимости выполнить расчеты компания отдавала CFD внешним субподрядчикам, опытным консультантам в данной области. Gilkes также финансировал в ближайшем университете Ланкастера работу аспиранта, чья диссертация была построена на решении одной из актуальных для Gilkes инженерных задач. «Мы занимались численным моделированием как любители, а не профессионалы. Инженерные расчеты не являлись частью нашей стратегии по созданию инновационной продук-

ции», — поясняет Алан Робинсон, начальник отдела исследований Gilkes по направлению гидротурбин. «В течение долгого времени мы поставляли нашим клиентам продукцию, превышающую их ожидания и запросы, но со значительным увеличением значения показателей эффективности при конкурсных запросах мы поняли, что должны улучшить характеристики нашей продукции. Нам было необходимо использовать инновационные подходы, и инженерный отдел внес предложение создать в рамках компании компетенции в области моделирования, поскольку мы осознали, что это является ключевым конкурентным преимуществом, которым мы не обладали». «Мы представили совету директоров компании возможности программного обеспечения для численного моделирования и пути его использования для улучшения нашей продукции», — продолжает А. Робинсон. «Руководство компании согласилось инвестировать значительные средства не только в технологии, но и в новые кадровые ресурсы с требуемыми навыками численного моделирования». НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В РАБОТЕ В 2013 г. Джо Скотт был нанят в качестве опытного CFD инженера в отдел гидротурбин компании Gilkes. Поскольку Скотт имел за плечами более 20 лет опыта проведения расчетов, то он стал ключевым экспертом в области численного моделирования в обоих подразделениях компании. «Нашим первым уроком был правильный выбор программного обеспеCADFEM REVIEW

27

ЭНЕРГЕТИКА

 Насосы систем охлаждения компании Gilkes (слева) и моделирование двухконтурного судового насоса в ANSYS Structural

чения», — отмечает Скотт. «Даже после того, как мы решили выбрать самые передовые технологии, нам пришлось осуществлять выбор конкретных решений. Мы осознали, что CFD расчеты необходимы для обоих подразделений, и что отдел проектирования насосов также нуждался в конечно-элементных расчетах прочности. Нам был предложен большой выбор расчетных модулей, и нам было необходимо сопоставить возможности этих модулей и текущих потребностей инженеров». В начале Скотт попытался самостоятельно провести обучение коллег основам численного моделирования, но вскоре понял, что лучшим решением является привлечение экспертов ANSYS, проводящих учебные курсы. «Хотя я и знал CFD технологии очень хорошо, проводить внутренние тренинги было очень неэффективно по времени и стоимости для компании.

Кроме того, у меня было недостаточно знаний о расчетах прочности методом конечных элементов. Поэтому мы направили группу специалистов на обучение по работе с ПО, что помогло нам создать ядро команды расчетчиков», — рассказывает Скотт. Сегодня Скотту помогают три расчетчика гидротурбин, четыре CFD специалиста по расчету насосов систем охлаждения и еще три инженера по расчетам прочности. Gilkes в полной мере воспользовался преимуществами телефонной и он-лайн технической поддержки для получения ответов на технические вопросы. «Разработчики программного обеспечения имеют веские причины предлагать техподдержку, и пользователям нет необходимости скромничать при использовании данного ресурса знаний по использованию продукта» — отмечает Скотт.

Gilkes начал использование ПО для

О компании Gilkes Доходы в 2014 г. — 39,6 млн £ Число сотрудников — 239 Центральный офис: Кендал, Великобритания 28

CADFEM REVIEW. 03'2016

инженерного анализа с аренды лицензии на одно рабочее место, а в 2015 г. в компании осознали необходимость принятия долгосрочных решений в данном направлении. «Когда мы получили возможность оценить реальные потребности по использованию в компании программного обеспечения для инженерных расчетов, мы увидели, что появляется смысл в приобретении бессрочных лицензий, а не аренде ПО», — отмечает Скотт. «Это было финансовое решение, основанное на частоте и регулярности использования ПО в 2015 г.» ДОЛГОЖДАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В компании Gilkes освоение численного моделирования было подхвачено многими сотрудниками, которые выразили желание обучиться применению передовых навыков. «Наши инженеры выполняли большое количество сложных расчетов традиционными методами, поэтому они были необычайно воодушевлены при получении нового современного инструмента», — говорит Робинсон. «Они активно обучались новым практикам расчетов». Новый фокус компании на моделирование также привлек недавних выпускников, которые смогли применить навыки, полученные при обучении в колледже. «Обычно существовала дистанция между практиками ведения рас-

4

СОВЕТА ОТ КОМПАНИИ GILKES ДЛЯ КОМПАНИЙ, ПЛАНИРУЮЩИХ ВНЕДРЕНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

1. Тщательно выбирайте программное обеспечение Убедитесь, что разработчик ПО — лучший на рынке, а также подберите оптимальную конфигурацию модулей, соответствующую потребностям.

2. Воспользуйтесь базой знаний разработчика ПО Профессиональные тренинги, телефонная поддержка, клиентский портал — все это служит для помощи клиентам. Воспользуйтесь этими ресурсами.

3. Продумайте форму лицензирования, отвечающую фактическому использованию ПО Gilkes изначально брал ПО в аренду, а после понимания фактического объема использования, приобрел бессрочные лицензии.

4. Сообщайте о назревших потребностях в изменениях Даже положительные изменения могут негативно восприниматься сотрудниками компании, пока они не осознают причины по изменению формата работы.

четов в компании и навыками, которым обучали в университете», — отмечает Энтвисл, который начал работу в Gilkes в 2014 г. «Когда я пришел в Gilkes эта дистанция уже начала сокращаться. А сегодня Gilkes использует самые передовые инженерные практики. Работать здесь очень увлекательно».

Изменения в компании приветствовались сотрудниками, но с точки зрения организационной культуры было необходимо проделать большую работу. «Раньше наши инженеры применяли свои навыки на всех этапах проекта», — поясняет Робинсон. «Теперь мы выстроили модульный процесс, в котором

«Мы представили совету директоров компании возможности программного обеспечения для численного моделирования и пути его использования для улучшения нашей продукции. Руководство компании согласилось инвестировать значительные средства». www.cadfem-cis.ru

сотрудники имели различные роли и зоны ответственности. У нас есть специалисты на каждую стадию, включая экспертов по CFD и прочностным расчетам. Нам пришлось изменить бизнес-процессы и переназначить роли сотрудников, но это было необходимо для полного внедрения технологий моделирования как ключевой компетенции. Было крайне важно, чтобы каждый сотрудник принял потребность в изменениях», — добавил Робинсон. «Мы пришли к выводу, что эффективность нашей работы должна быть улучшена, а один упущенный заказ позволил каждому осознать, что мы должны изменить порядок работы. Я бы посоветовал руководству компаний делиться видением с инженерами, потому что это существенно помогло нам преодолеть внутреннее сопротивление изменениям в Gilkes». НАЧИНАЯ НОВУЮ ЭРУ В течение трех коротких лет Gilkes прошел путь от компании, не имеющей собственных компетенций в области численного моделирования, до отдела с 10 инженерами, регулярно использующих программные системы инженерного анализа. Компания инвестировала в развитие данного направления около 150 тысяч фунтов включая затраты на лицензии, серверы и обучение персонала. Теперь в Gilkes изучают возможность создания высокопроизводительного кластера для расчетов больших моделей, чтобы проводить моделирование еще более эффективно. «Инженерный анализ лежит в основе новой стратегии выполнения высокоинтеллектуальных и наукоемких вычислений для непрерывной оценки и улучшения нашей продукции», — говорит Робинсон. «Сложно оценить финансовый эффект от наших инвестиций в моделирование. Но я могу с уверенностью утверждать, что мы уже видим значительный возврат затраченных средств за счет получения большего количества контрактов. Сегодня мы можем производить инновационную продукцию быстрее и с меньшими затратами на разработку. Мы уверены, что применение моделирования оказывает огромное влияние на нашу компанию и приведет Gilkes в новую эру С успеха».

CADFEM REVIEW

29

ЭНЕРГЕТИКА

ВИБРО-АКУСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГИДРОТУРБИНЫ Многодисциплинарные расчеты помогают решить проблему вибраций в турбине Френсиса

Автор: Björn Hübner, инженер-проектировщик, Voith Hydro Holding GmbH & Co. KG, Хайденхайм, Германия

С

ильные вибрации и пульсации давления в гидравлических турбинах могут негативно влиять на их эффективность работы, срок службы и надежность, приводя к возникновению шума, трещин и даже поломке устройства. Компания Voith Hydro является ведущим производителем оборудова-

30

CADFEM REVIEW. 03'2016

ния для гидроэлектростанций. Во время исследований специалисты компании обнаружили сильные вибрации, способные вызвать образование усталостных трещин в направляющих лопатках гидротурбины Френсиса. В турбине с вертикально расположенным валом вода подается горизонтально в спиралевидную трубу, которая располагается

вокруг вращающегося колеса турбины. Неподвижные направляющие лопатки регулируют и направляют поток воды к периферии колеса турбины. Внутри каналов рабочего колеса потенциальная энергия водяного давления преобразуется в крутящий момент, который приводит в движение колесо, вал и генератор. Вода выходит из колеса турбины

вертикально вниз в отводящую трубу, где оставшаяся кинетическая энергия преобразуется в дополнительный гидравлический напор. С помощью прочностного расчета специалисты Voith определили, что самовозбуждение и резонанс направляющих лопаток не являются причиной вибраций. Гидродинамический анализ показал срыв вихрей на лопатках рабочего колеса, что могло быть причиной вибраций. Рассматриваемая турбина состоит из 24 направляющих и 13 рабочих лопаток, скорость вращения которых составляет 75 оборотов в минуту. Измерения показали, что все направляющие лопатки были подвержены вибрациям на частотах от 290 Гц до 305 Гц, однако было невозможно измерить вибрации на лопатках колеса турбины в процессе работы. Чтобы определить, как срыв вихрей на рабочем колесе влиял на направляющие лопатки, специалисты провели расчет FSI с применением конечноэлементной модели рабочего колеса в водной среде. В модели использовались конечные элементы типа Fluid для расчета динамического взаимодействия рабочего колеса с потоком жидкости. Результаты моделирования показали, что возбуждения на выходных кромках лопаток рабочего колеса были причиной вибраций. Расчетные данные хорошо согласовались с экспериментальными — частота вибраций составляла около 300 Гц. Вибрации значительно уменьшились после изменения формы выходной кромки лопаток прототипа рабочего колеса благодаря минимизации срыва вихрей. РЕЗОНАНС И САМОВОЗБУЖДАЮЩИЕСЯ КОЛЕБАНИЯ Чтобы определить причину вибраций, инженеры Voith начали с исследования возможности возникновения резонансных эффектов или самовозбуждающихся колебаний направляющих лопаток, которые могут возникать на собственных частотах. Модуль ANSYS Mechanical использовался для создания конечноэлементной модели направляющей лопатки в водной среде и проведения модального анализа для получения первых четырех форм колебаний. Инженеры обнаружили, что среди полученных форм колебаний не было близких к наблюдаемой частоте www.cadfem-cis.ru

Инженеры компании Voith Hydro обнаружили сильные вибрации, способные вызвать образование усталостных трещин в направляющих лопатках гидротурбины Френсиса.

 Рабочее колесо и вал (показаны красным), направляющие лопатки с сервоприводом (показаны зеленым)

Расчет направляющей лопатки в водной среде

92 Гц

175 Гц

327 Гц

400 Гц

 Модальный анализ показывает, что собственные частоты направляющих лопаток сильно отличаются от измеренных частот вибраций

вибрации; это означало, что не было резонанса или самовозбуждения направляющих лопаток. Такой результат был подтвержден физическими измерениями, которые показали, что все направляющие лопатки

вибрировали в узком диапазоне частот, несмотря на небольшие отличия в геометрии и состояние подшипников (что может приводить к небольшому отличию в собственных частотах колебаний лопаток).

Чтобы определить, как срыв вихрей на рабочем колесе влиял на направляющие лопатки, специалисты провели расчет FSI. CADFEM REVIEW

31

ЭНЕРГЕТИКА

 Вибро-акустическая конечноэлементная модель рабочего колеса в

 Срыв вихрей не наблюдался в области направляющих лопаток с

водной среде

использованием Q-критерия

СРЫВ ВИХРЕЙ Для исследования возможности возникновения вихревого следа за направляющими лопатками проводился нестационарный гидродинамический расчет с использованием ANSYS CFX. Форма выходной кромки направляющих лопаток была спроектирована так, чтобы исключить возникновение срыва вихрей, и расчет это подтвердил. Таким образом, инженеры убедились в том, что проблема не была связана с вихревым следом за направляющими лопатками. После этого проводился нестационарный CFD расчет лопаток рабочего

колеса. Поскольку форма выходной кромки изготовленной лопатки может незначительно отличаться от спроектированной, проводился анализ двух вариантов: со скошенной и тупой выходной кромкой. Срыв вихрей происходил с частотой 220 Гц для тупой кромки и 370 Гц для скошенной. Для жесткого рабочего колеса частоты срыва вихрей на разных лопатках и вдоль задней кромки одной лопатки обычно отличаются несмотря на то, что все направляющие лопатки вибрируют на одинаковой частоте. Причиной может являться то, что если некоторые собственные

 CFD расчет лопаток рабочего колеса показал наличие вихрей, отображаемых с использованием двух различных Q-критериев

32

CADFEM REVIEW. 03'2016

частоты расположенного в воде рабочего колеса находятся в частотном диапазоне срыва вихрей, и если соответствующие формы колебаний включают изгиб выходной кромки лопатки, в таком случае, частота срыва вихрей может синхронизироваться и резонировать на данной собственной частоте. Эффект синхронизации может вызывать вибрации большой амплитуды. СВЯЗАННЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ Вихри, которые срываются с лопаток рабочего колеса, попадают в отводящую трубу и напрямую не влияют на направляющие лопатки. В связи с этим, даже в случае эффекта синхронизации должно быть дополнительное объяснение причины распространения пульсаций давления вверх по потоку к направляющим лопаткам. С помощью ANSYS Mechanical проводились модальный и гармонический расчеты для исследования динамического взаимодействия рабочего колеса с потоком жидкости. При этом использовалась вибро-акустическая модель рабочего колеса, которое взаимодействует с водной средой, моделируемой с применением элементов Fluid. Конечноэлементная модель включала вращающуюся систему координат

 Поле давлений (слева) и аксиальное перемещение рабочего колеса (справа) виброакустической формы колебаний с двумя диаметральными узловыми линиями (собственная частота 301 Гц)

 Поле давлений (слева) и аксиальное перемещение рабочего колеса (справа) виброакустической формы колебаний с тремя диаметральными узловыми линиями (собственная частота 325 Гц)

рабочего колеса и упрощенную модель неподвижных частей с полной вращательной симметрией. Рабочее колесо было зафиксировано в осевом и окружном направлениях в области соединения с валом, а граница взаимодействия находилась между рабочим колесом и водной средой. В результате проведения упрощенного модального анализа вибро-акустической модели были получены формы колебаний и соответствующие собственные частоты. Значения многих собственных частот оказались близкими к экспериментально

измеренному диапазону частот вибраций направляющих лопаток. Многие связанные вибро-акустические формы колебаний показывали большие изгибные перемещения на выходных кромках лопаток рабочего колеса; кроме того, наблюдались сильные флуктуации давления в области направляющих лопаток. Для получения более четкого понимания вибро-акустических явлений в области рабочего колеса и направляющего аппарата проводился гармонический анализ. Рабочее колесо

Для получения более четкого понимания вибро-акустических явлений в области рабочего колеса и направляющего аппарата проводился гармонический анализ. www.cadfem-cis.ru

возбуждалось вращательной силой с определенным числом диаметральных узловых линий. Каждая собственная частота характеризуется специфической формой колебаний, определяемой числом диаметральных узловых линий. На каждой лопатке рабочего колеса сила действует на выходную кромку перпендикулярно поверхности лопатки. Результаты расчета показали наличие вибро-акустических резонансов с большими изгибными перемещениями и высокими пульсациями давлений. Оба критерия (давление и перемещение) характеризовались четкими резонансными пиками на частоте 295 Гц для форм колебаний с тремя диаметральными узловыми линиями и 306 Гц для форм колебаний с семью диаметральными узловыми линиями, что хорошо согласуется с измеренными вибрациями. Результаты гармонического и модального расчетов показывают, что вследствие вибро-акустического резонанса происходит синхронизация и усиление срыва вихрей. Соответствующие вибро-акустические формы колебаний распространяются и усиливают пульсации давлений как во вращающихся, так и в подвижных компонентах турбины. Пульсации давлений вызывают синхронные вибрации направляющих лопаток на собственных частотах виброакустических форм колебаний. Проблема была решена путем изменения формы выходной кромки, которая уменьшила и рассинхронизировала срыв вихрей на лопатках рабочего колеса, что привело к значительному уменьшению вибраций направляющих лопаток. Выяснение причины данной вибрационной проблемы и ее решение было бы невозможным при использовании однодисциплинарного подхода. Инженеры должны были разобраться во всех физических аспектах, касающихся данной проблемы, и использовать соответствующие многодисциплинарные С инструменты для ее решения.

Литература Hübner, B.; Seidel, U.; D’Agostini Neto, A. Synchronization and Propagation of Vortex-Induced Vibrations in Francis Turbines due to Lock-In Effects Based on Coupled Vibro-Acoustic Mode Shapes.

Proceedings of the 4th International Meeting on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems, Belgrade, 2011.

CADFEM REVIEW

33

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В АВТОМОБИЛЯХ Благодаря новой технологии ANSYS HFSS электромагнитная совместимость и помехи могут рассчитываться более эффективно

Авторы: Arnaud Christophe Pierre Marie Colin, ведущий специалист по электромагнитной совместимости; Artur Nogueira de São José, специалист по электромагнитной совместимости; Ana Carolina Silveira Veloso, специалист по электромагнитной совместимости, компания Fiat Chrysler Latin America, Бетим, Бразилия; Juliano Fujioka Mologni, ведущий инженер, ESSS, Бразилия; Markus Kopp, ведущий инженер, ANSYS

В

наши дни автомобили все чаще становятся мобильными точками доступа в Интернет. При этом в них появляются беспроводные линии связи, мультимедийные устройства, электронные блоки управления, а также гибридные/электрические приводы, в связи с чем чрезвычайно важным становится расчет электромагнитных помех и совместимости. Специалисты компании Fiat Chrysler (Бразилия) занимаются сертификацией новых укомплектованных автомобилей, исследуя возможные электромагнитные помехи с помощью натурных экспериментов и методов численного моделирования (ANSYS HFSS). В связи с активным внедрением электронных компонентов в автомобилях, были разработаны многочисленные законодательные ограничения и промышленные стандарты, которые необходимо соблюдать всем автопроизводителям. Один из первых промышленных стандартов появился в Европе в 1972 году и был посвящен требованиям 34

CADFEM REVIEW. 03'2016

по уровню шума от электрической свечи зажигания. С тех пор было разработано множество норм для автомобильной отрасли. Большинство стандартов, директив и правил принимаются с целью обеспечения безопасности транспортных средств. Это означает, что все встроенные системы должны продолжать функционировать при воздействии электромагнитных помех, а после окончания их воздействия системы должны вернуться в нормальный режим работы (автоматически или с помощью ручной перезагрузки). Основной проблемой для инженеров Fiat Chrysler является то, что

в каждом современном автомобиле находится более 5 километров проводов. Несмотря на то, что в основном провода вызывают электромагнитные помехи, в самих электронных блоках также присутствует множество других источников помех. Кроме того, мобильные телефоны, планшеты и устройства с Bluetooth могут потенциально создавать электромагнитное излучение. Для современных электронных устройств и компонентов уже не подходят традиционные методы исследования электромагнитной совместимости и влияния помех. Было разработано несколько стандартов для автомобиль-

Расчет электромагнитной совместимости и помех приобретает все большую значимость в связи с тем, что в автомобили активно добавляются электронные компоненты.

Коэффициент отражения

Частота (МГц)

 Сравнение результатов в дальней зоне показывает, что метод FE-BI также точен, как и традиционные методы

Помещение с усилителем

Экранирующая оболочка

Помещение управления

Антенна

Динамометр на вращающемся стенде

Поглощающий материал

 Безэховая камера в соответствии со стандартом ISO 11451-2 (верхний рисунок). Виртуальная тестовая камера, используемая в расчетах ANSYS HFSS (нижний)

www.cadfem-cis.ru

ной отрасли, целью которых являлось сокращение вероятности возникновения электромагнитных помех в автомобилях (эти нормативные документы подразумевали проведение лабораторных испытаний). Одним из наиболее важных международных стандартов является ISO 11451-2, предполагающий использование антенны, создающей электромагнитное излучение в направлении автомобиля, который находится в безэховой камере. При этом, во время таких испытаний электронные устройства автомобиля должны нормально функционировать, несмотря на излучение от антенны. Стандарт ISO 11451-2 служит для того, чтобы определить устойчивость легковых и грузовых автомобилей к внешним источникам электромагнитного излучения, независимо от типа двигателя автомобиля (включая гибридные/электрические). В соответствии со стандартом, испытания должны проводиться для всего автомобиля, находящегося в экранированной камере с поглощающим покрытием, что позволяет имитировать условия открытого пространства. В таких исследованиях пол обычно не имеет поглощающего покрытия, однако его использование допустимо. Испытания подразумевают создание с помощью антенны электромагнитного излучения в диапазоне частот 10 кГц — 18 ГГц. При этом напряжённость электромагнитного поля должна находиться в диапазоне 25 В/м — 100 В/м и выше. Во время эксперимента вся встроенная электронная аппаратура должна работать в штатном режиме, в том числе в условиях качания частоты. Проведение натурных испытаний по стандарту ISO 11451-2 занимает много времени и требует доступа к дорогостоящему оборудованию. Численное моделирование может служить эффективным и экономичным средством для сокращения времени проектирования и расходов на научно-исследовательскую деятельность. В последние годы появилась возможность проводить конечноэлементные расчеты с использованием метода DDM (domain decomposition method) в программном комплексе ANSYS HFSS. Технология DDM позволяет разбивать всю моделируемую область на подобласти, каждая из которых рассчитывается одним из доступных ядер CADFEM REVIEW

35

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

двух значительно меньших областей, окружающих моделируемые объекты. Поверхности этих областей находились довольно близко к антенне и автомобилю. Инженеры Fiat Chrysler не моделировали поглощающее покрытие, т.к. отсекающая граница в методе FE-BI является эквивалентом открытого пространства. Полное время расчета составило всего 28 минут, что в 10 быстрее по

 Сравнение моделей FEM, IE и FE-BI. Уменьшение размера области решения при использовании метода FE-BI (по сравнению с традиционным конечноэлементным или другим численным трехмерным расчетом) приводит к сокращению времени расчета

или компьютеров, соединенных в сеть. Метод DDM позволяет инженерам проводить расчет всего автомобиля, однако в HFSS существует другой подход к расчету больших электромагнитных задач — гибридный метод FE-BI. Технология FE-BI позволяет использовать метод граничных элементов для описания границы отсечения в конечноэлементом расчете. Таким образом, данный подход сочетает все преимущества методов конечных и граничных элементов и позволяет специалистам компании Fiat Chrysler существенно уменьшить моделируемую область по сравнению с традиционным конечноэлементным методом. Поскольку расстояние от корпуса автомобиля до границы отсечения может быть сколь угодно малым, размерность расчетной сетки может быть уменьшена, и соответственно, сокращается время расчета и требуемые вычислительные ресурсы. Для демонстрации возможностей метода FE-BI специалисты Fiat Chrysler, совместно с инженерами компании ESSS, партнера по продажам ANSYS в Южной Америке, провели расчет всего автомобиля с использованием данной технологии. Затем, с использованием стандарта ISO 11451-2, результаты расчета применялись для оценки электромагнитных помех в электронных системах автомобиля. При расчете вся область камеры для испытаний, заполненная воздухом, была уменьшена до 36

CADFEM REVIEW. 03'2016

сравнению с использованием традиционного FEM расчета. Более того, общий объем оперативной памяти, требуемый для FE-BI моделирования составил 6,8 Гб, что также в 10 раз меньше по сравнению с предыдущими расчетами, в которых использовался метод конечных элементов. Результаты расчета, полученные с использованием метода FE-BI, показали, что искомые величины практически не

Технология FE-BI в модуле ANSYS HFSS позволяет моделировать автомобиль целиком, что соответствует стандартам по определению электромагнитной совместимости.

 Две подобласти рассчитывались одновременно с использованием технологии HFSS FE-BI. Голубым цветом показана моделируемая область воздуха, при этом основная часть воздушного объема не рассматривается

 Электрическое поле на поверхности автомобиля и в среднем сечении области решения для традиционного FEM расчета (вверху) и FE-BI расчета (внизу)

Расположение печатной платы

 Диаграмма направленности антенны в дальней зоне при Ф=90 градусов для всей модели

Печатная плата без проводки

 Расположение печатной платы в автомобиле

Печатная плата с проводкой

a) Распределение электрического поля

b) Индикаторная диаграмма полученного сигнала на микропроцессоре. Электромагнитные помехи наблюдаются при подсоединении проводки

отличались от полученных в FEM расчетах, в частности, электрические поля, рассчитанные на поверхности автомобиля и в средней плоскости сечения, а также диаграмма направленности в дальней зоне для всей модели. Метод FE-BI также может использоваться для определения устойчивости встроенных модулей управления. Для демонстрации этой возможности специалисты добавили в модель печатную плату (PCB), подсоединенную к проводке двигателя. Передаваемый сигнал идет от датчика, находящегося на нижней части двигателя, к печатной плате по проводке, проходящей по всему двигателю. Проводка соединяется с платой с помощью красного четырехконтактного разъема. Один из контактов разъема припаян к дорожке, начинающейся в верхней части платы со стороны разъ-

c) Диаграмма полученного сигнала на микроконтроллере. На кривую сильно влияет источник электромагнитных помех, с конечной частотой ошибочных битов 1E-2. Это означает, что один бит из ста будет неправильно воспринят микроконтроллером

 Печатная плата без проводки. Расчет сигнала CAN J1939 в печатной плате без проводки (слева) и

 Место подсоединения проводки к печатной

печатной плате с проводкой (справа)

плате

www.cadfem-cis.ru

CADFEM REVIEW

37

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

ема и проходящей через сквозную перемычку, соединенную с обратной частью платы, где дорожка соединяется с микроконтроллером. В данном случае, специалисты рассматривали только один вид сигнала CAN J1913 в соответствии с протоколом бортовой диагностики OBD. Проводка автомобиля играет ключевую роль при анализе электромагнитных помех, поскольку она может выступать в качестве источника излучения. Чтобы лучше понять влияние проводки, инженеры ESSS провели два расчета. Первый включал печатную плату, проводку вдоль всего шасси и излучающую антенну. Во втором расчете инженеры убрали проводку, а случайный сигнал CAN J1939 воздействовал непосредственно на разъем печатной платы вместо датчика, расположенного на нижней части двигателя. С использованием FE-BI решателя в ANSYS HFSS инженеры получили электромагнитные поля и параметры рассеяния для двух расчетов (с проводкой и без нее). Расчеты показали возникновение резонанса в печатной плате при

Название

Кривая S 11 печатная плата без проводки S 11 антенна S 11 печатная плата с проводкой Антенна и печатная плата (без проводки) Антенна и печатная плата (c проводкой)

Частота (МГц)  S-матрица для печатной платы (без проводки и с проводкой)

Численное моделирование позволяет рассматривать различные сценарии возникновения электромагнитных помех, вызываемых электронными коммуникационными устройствами водителя или пассажиров. подсоединенной проводке. Частота этого резонанса является функцией длины провода, подключенного к печатной плате. Проводка, соединенная с печатной платой, усиливала сигнал от антенны на более чем 30 дБ в диапазоне частот 152 МГц — 191 МГц. Затем с помощью решателя для схем ANSYS HFSS инженеры провели расчет сигнала CAN J1913 в проводке и печатной плате. Полевые величины частотной области, полученные в HFSS, легко комбинировались с сигналами временной области, полученными в модуле ANSYS Designer. В ANSYS Designer существует возможность задавать различные сигналы, 38

CADFEM REVIEW. 03'2016

возбуждающие антенну и проводку. В расчетах специалисты использовали постоянный синусоидальный сигнал 150 В для возбуждения антенны, с задержкой 8 мкс и частотой, меняющейся в диапазоне от 10 МГц до 500 МГц. Начальная задержка времени была задана для того, чтобы проследить влияние электромагнитных помех на передаваемый сигнал. В первом расчете сигнал CAN J1939 задавался на конце провода в месте датчика, а во втором — сигнал подавался непосредственно на разъем печатной платы без проводки. Расчет с проводкой показал, что внешнее излучение в диапазоне частот 152 МГц — 191 МГц оказывает

существенное влияние на работу системы с датчиком. Технология FE-BI, присутствующая в ANSYS HFSS позволяет моделировать весь автомобиль в соответствии со стандартами по определению электромагнитной совместимости. По сравнению с традиционным конечноэлементным подходом, в методе FE-BI скорость расчетов в 10 раз выше, а вычислительных ресурсов требуется в 10 раз меньше. Благодаря этому инженеры могут проводить расчеты всего автомобиля со всеми подсистемами в виртуальной безэховой камере — в соответствии со стандартами по оценке влияния электромагнитных помех и определению совместимости. Численное моделирование позволяет рассматривать различные сценарии возникновения электромагнитных помех, вызываемых электронными коммуникационными устройствами водителя или пассажиров. Кроме того, моделирование позволяет лучше понимать проблемы, вызываемые нестационарными электромагнитными шумами, возникающими в разнообразС ных моторах.

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ ANSYS HFSS Благодаря использованию численного моделирования компания Murata Manufacturing разработала более эффективный метод электропитания беспроводным способом Автор: Tatsuya Hosotani, преподаватель (университет Doshisha) и ведущий научный сотрудник, Murata Manufacturing Co., Ltd., Нагаокакё, Япония.

В

наши дни резко увеличилось количество устройств, оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой («Интернет вещей»). В связи с этим, возникает вопрос — как обеспечить их энергией? Поскольку данных устройств очень много и они рассредоточены в помещении, часто не возможно подключить их к проводному источнику питания. Использование батарей для каждого устройства может создавать трудности при его обслуживании. Кроме того, возникают экологические проблемы, связанные с утилизацией батарей. Идеальным решением может быть электропитание беспроводным способом, однако на практике такой подход пока не реализован. Специалисты компании Murata Manufacturing использовали программный комплекс ANSYS для создания виртуального прототипа системы беспроводной передачи энергии (Direct-

Current-Resonance Power Transfer System) для ее последующего коммерческого использования. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ На сегодняшний день наиболее известным методом беспроводной передачи энергии является стандарт Qi, который заключается в использовании электромагнитной индукции между плоскими катушками. База подключается к источнику энергии и содержит передающую катушку, которая генерирует переменное магнитное поле. Согласно закону электромагнитной

Резонатор Переключатель

Cr

C rs

Vi

Благодаря численному моделированию существенно сокращается время, требуемое для испытаний, а также экономятся десятки тысяч долларов на исследование каждого прототипа. www.cadfem-cis.ru

R ac Lp Ri

Ls R is

 Схема системы беспроводной передачи энергии Direct-CurrentResonance

CADFEM REVIEW

39

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Магнитное векторное поле

Электрическое векторное поле

 Магнитное и электрическое векторные поля, создаваемые передающей катушкой

индукции Фарадея, магнитное поле индуцирует переменный ток в принимающей катушке. Однако, поскольку электромагнитная индукция требует, чтобы передающая и принимающая катушки находились очень близко друг от друга, такой подход не позволяет решить проблему передачи энергии устройствам, находящимся на удалении от источника питания. При использовании стандарта Qi, зарядное устройство обычно находится в физическом контакте с заряжаемым прибором. Другой вариант — высокочастотная беспроводная передача энергии — позволяет работать на больших расстояниях (по сравнению с электромагнитной индукцией), но характеризуется низкой эффективностью. Одной из причин низкой эффективности является множество этапов преобразования энергии. Сначала переменный ток преобразуется в постоянный, а затем — в промежуточный высокочастотный сигнал, требуемый для работы усилителя мощности. После этого высокочастотный сигнал возбуждает передающую катушку, а на следующем этапе он передается по воздуху к принимающему устройству. В итоге, этот сигнал преобразуется в постоянный ток, необходимый для работы устройства. Каждый из этих этапов преобразования энергии требует значительных энергозатрат, что приводит к очень низкой эффективности работы системы в целом. Системы высокочастотной беспроводной передачи энергии Передающая катушка обычно очень громоздкие и дорогостоящие, более того, они характеризуются большим потреблением энергии. НОВЫЙ МЕТОД ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ DIRECT-CURRENT-RESONANCE Компания Murata Manufacturing создает инновационные продукты для электронной промышленности. Компания разработала и планирует запустить в серийное производство новую систему беспроводной передачи энергии (DirectCurrent-Resonance Power Transfer System). Метод Direct-Current-Resonance 40

CADFEM REVIEW. 03'2016

заключается в быстром включении/ выключении постоянного тока, возбуждающего передающую катушку, которая находится в цепи, настроенной на частоту, с которой включается/ выключается ток. Таким образом, передающая катушка создает резонансное поле и эффективно передает постоянный ток принимающей катушке, которая находится в цепи, настроенной на ту же самую частоту. Этот метод очень эффективен, т.к. передающая катушка работает с постоянным током, который используется во всех электронных устройствах, и нет необходимости в дополнительных этапах преобразования энергии. Кроме того, постоянный ток возникает в принимающей катушке, в связи с чем также не требуется дополнительное преобразование энергии. Система на основе метода Direct-Current-Resonance характеризуется значительно большей дальностью передачи энергии, по сравнению с электромагнитной индукцией. Дальность может быть еще большей при использовании дополнительных пассивных резонансных катушек, которые передают энергию удаленным принимающим устройствам. При использовании метода Direct-Current-Resonance можно использовать один передатчик энергии для питания множества приемников и

Резонансная катушка

Принимающая катушка

 Модель ANSYS HFSS с одним передатчиком, одним приемником и одним резонатором

 Магнитное поле для модели с одним передатчиком, одним приемником

 Магнитное поле для модели с одним передатчиком, одним приемником

и одним резонатором

и восемью резонаторами

пассивных резонансных катушек. В итоге получается отличное сочетание эффективности и дальности действия. Такой метод хорошо подходит для питания разнообразных устройств, для которых батареи и проводное подключение к электросети не являются оптимальным решением (например, мониторы, радиоуправляемое оборудование, компьютеры, электроника, осветительные приборы и роботы). ТРАДИЦИОННЫЙ МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ При разработке системы беспроводной передачи энергии на основе метода Direct-Current-Resonance, специалисты Murata столкнулись с трудностями, связанными с созданием коммерческого продукта. По их мнению, успешный продукт должен характеризоваться высокой энергоэффективностью, малыми размерами и низкой стоимостью. Обычно оптимизация любого беспроводного устройства требует оценки множества различных вариантов проекта. В случае создания устройства с использованием метода Direct-Current-Resonance, требуется еще большее количество вариантов, поскольку технология является новой и неизученной. Использование традиционного подхода с созданием физических прототипов потребовало бы очень много времени и денег. Поскольку при физических испытаниях количество получаемой информации довольно ограничено, достичь оптимального решения чрезвычайно трудно. Например, передаваемое количество энергии достаточно легко измерить, а параметры электрического и магнитного полей можно получить только в нескольких точках. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Чтобы решить указанные выше проблемы, инженеры-электронщики компании Murata использовали модуль ANSYS HFSS для численного моделирования разнообразных вариантов проекта с учетом реальной геометрии и положения в пространстве передатчика, приемника и резонансных катушек, а также влияния других компонентов, находящихся в области исследования. Специалисты могут создавать различные варианты системы, характеризующиеся определенной передаваемой мощностью. При этом выполняются такие задачи, как минимизация веса, размеров и стоимости устройства. www.cadfem-cis.ru

Моделирование позволяет инженерам исследовать чувствительность передающего устройства к таким параметрам, как диаметр катушки, количество витков, резонансная частота и т.д. Обычно моделирование начинается с расчета передающей катушки (отдельно как подсистемы), а также анализа полученного электромагнитного поля. Затем в расчет добавляется одна принимающая катушка для оценки эффективности передачи энергии. Поскольку в большинстве реальных устройств может содержаться множество принимающих и резонансных катушек, они добавляются в расчет поэтапно. В конце добавляются другие компоненты для оценки их влияния на эффективность передачи энергии. Моделирование позволяет инженерам исследовать чувствительность передающего устройства к таким параметрам, как топология катушки, диаметр катушки, количество витков, резонансная частота, количество принимающих и резонансных катушек и т.д. Эти и другие параметры могут легко меняться, что позволяет оценить их влияние на эффективность передачи энергии. Как мы видим, резкое увеличение количества электронных устройств требует разработки эффективной технологии беспроводной передачи энергии. Использование численного моделирования позволяет рассмотреть различные варианты проекта на ранней стадии проектирования. Благодаря инженерным расчетам существенно сокращается время, требуемое для испытаний, а также экономятся десятки тысяч долларов на исследование каждого прототипа. Компания Murata планирует продолжать исследования в данной области, чтобы в будущем создать эффективную систему беспроводной переС дачи энергии.

CADFEM REVIEW

41

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ПЛАТЫ С ПОМОЩЬЮ ANSYS ICEPAK Моделирование помогает обеспечить безопасную работу электронных устройств при высокой температуре окружающей среды Автор: Thierry Sin, вице-президент по продажам и маркетингу, Radian Thermal Products, Inc., Санта-Клара, США

В

о избежание перегрева, электронные устройства должны эффективно рассеивать тепло, выделяемое компонентами. Компания Radian Thermal Products, специализирующаяся на проектировании и производстве инновационных систем охлаждения, недавно получила заказ от производителя телекоммуникационных устройств. Необходимо было обеспечить надлежащий тепловой режим перегревающейся карты расширения. Инженеры Radian провели расчет устройства

с помощью модуля ANSYS Icepak, предназначенного для моделирования теплового режима электронного оборудования. Расчет показал, что плотное расположение ребер на радиаторах затрудняло доступ воздуха к компонентам, находящимся внизу устройства, и, в силу различной высоты деталей, снижалась эффективная теплопроводность. Было принято решение изменить систему охлаждения — использовать радиаторы меньшего размера, прикрепленные к отдельным компонентам. С

 Исходная система охлаждения и результаты расчета в ANSYS Icepak

42

CADFEM REVIEW. 03'2016

помощью параметрической модели в ANSYS Workbench определялось оптимальное количество ребер, их толщина и другие параметры. Как результат, оптимизированное изделие может безопасно работать при температуре окружающей среды, на 20°С выше, чем оригинальный проект. ИСХОДНЫЙ ПРОЕКТ Производитель телекоммуникационных устройств изготовил карту расширения с несколькими микросхемами и

 Оптимизированная система охлаждения и результаты моделирования, проведенного специалистами Radian

радиаторами, предназначенную для монтажа в стойке ATCA (Advanced Te l e c o m m u n i c at i o n s C o m p ut i n g Architecture). Моделирование показало, что радиаторы охлаждали микросхемы, к которым они были прикреплены, однако соседние компоненты существенно перегревались. С целью выработки оптимального решения, специалисты Radian уточнили у производителя такие параметры, как пространство, доступное под радиаторы, рассеиваемое тепло, размер источника питания, размер и расположение вентилятора, характерная температура окружающей среды, методы крепления и максимально допустимые температуры компонентов. Максимально допустимая температура компонента — это наивысшая внутренняя температура, которую он способен выдерживать без повреждения. Ранее системы охлаждения устройств создавались на основе опыта и интуиции специалистов, а компании должны были создавать и исследовать многочисленные физические прототипы, чтобы решать возникающие проблемы в системе охлаждения устройств. Современные программные средства численного моделирования, например, ANSYS Icepak, позволяют уменьшить расходы на проектирование и сократить время выпуска изделия. Это возможно благодаря созданию виртуальных прототипов, позволяющих получать достоверные характеристики изделий еще до создания физического прототипа. В данном случае производитель уже создал относительно простую модель системы охлаждения и провёл расчет теплового состояния без использования ANSYS. www.cadfem-cis.ru

Несмотря на то, что инженеры Radian знакомы со многим ПО для расчета теплового состояния, они используют ANSYS Icepak из-за его широких возможностей оптимизации. Результаты этого моделирования показали, что температуры компонентов были слишком высокими, но при этом не было ясно, как можно решить возникшие проблемы. МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ANSYS ICEPAK Несмотря на то, что инженеры компании Radian знакомы со многими программными комплексами для расчета теплового состояния, они используют модуль ANSYS Icepak из-за его широких возможностей оптимизации. При работе в ANSYS Workbench, менеджер параметров позволяет эффективно проводить параметрические исследования. Более того, модуль ANSYS DesignXplorer может использоваться для выполнения оптимизации и анализа Six Sigma с заданным набором параметров. Заказчик предоставил специалистам Radian трехмерные модели исходного проекта, которые импортировались в Icepak с использованием инструмен-

тов CAD-импорта, доступных в среде ANSYS Workbench. Затем инженеры создали геометрию расчетной модели путем перетаскивания в импортированную геометрию таких Smart объектов, как вентиляторы, микросхемы, каналы, отверстия, радиаторы и многое другое. Далее были введены все необходимые данные относительно геометрических параметров, свойств материалов и граничных условий. Icepak автоматически создает конформную расчетную сетку, которая точно описывает форму компонентов и имеет необходимые сгущения в области тепловых и гидродинамических пристеночных слоев. Команда Radian оптимизировала параметры расчетной сетки таким образом, чтобы время расчета было не слишком длительным, а точность результатов — достаточной. В ANSYS Icepak используются CFD-технологии для расчета полей скорости, давления и температуры с учетом теплопроводности, конвективного и лучистого теплооб-

ANSYS Icepak помогает специалистам Radian быстро выявлять проблемы в системе охлаждения.

CADFEM REVIEW

43

РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

 Векторы скоростей в исходном проекте (слева) и оптимизированном изделии (справа)

мена. Для уменьшения времени расчета, вычисления проводились в распределенном режиме на многоядерной рабочей станции. По итогам расчета, были получены поля скоростей, давлений и температур для всей области решения. Результаты были визуализированы средствами ANSYS Icepak, позволяющими отображать контурные поля, векторы скоростей, а также линии тока. Возможности пост-процессора ANSYS Icepak позволили определить характеристики системы охлаждения устройства. ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ Результаты расчетов, проведенных специалистами Radian, согласовались с расчетными данными заказчика, и, в соответствии с ними, максимальные температуры в области решения достигали 150°C при температуре окружающей среды 55°C. Из полученных результатов следовало, что карта расширения могла нормально функционировать при температуре окружающей среды не более 30°C. Такие условия функционирования являются стандартными при работе в центральном офисе провайдера телекоммуникационных услуг, но при возникновении проблем с кондиционированием была высокая вероятность выхода платы из строя. Разработчик хотел обеспечить надежную работу устройства при температуре окружающей среды до 55°C. При анализе поля скоростей четко видно, что в исходном проекте радиаторы перегораживают путь поступления воздуха к компонентам, находящимся в нижней части платы.

44

CADFEM REVIEW. 03'2016

Оптимизированное изделие может безопасно работать при температуре окружающей среды, на 20°С выше, чем оригинальный проект. Специалисты Radian решили данную проблему благодаря уменьшению количества ребер, что позволило воздуху легче проходить через радиатор. Для получения оптимального проекта радиатора использовался менеджер параметров Workbench. Проводилось параметрическое исследование количества ребер, их материала, толщины, высоты, а также материала основы. Как и ожидалось, результаты расчетов показали, что оптимальным решением является проект с меньшим количеством более тонких ребер. Результаты также показали, что компланарность приводила к ухудшению теплообмена в тех местах, где радиаторы соединялись с множеством компонентов различной высоты. Данная проблема была решена благодаря применению индивидуальных радиаторов для каждого значимого источника тепловыделения. Это позволило усилить контакт между компонентами и радиаторами, и, следовательно, улучшить теплообмен. Инженеры Radian рассмотрели вариант, в котором использовалась тепловая труба, способная эффективно передавать тепло от места с высокой температурой к радиатору, находящемуся на некотором расстоянии. Тепловая труба содержит жидкость, которая испаряется в горячей зоне тепловой трубы, а затем пар перемещается в

холодную зону трубы и конденсируется. После этого благодаря капиллярному эффекту жидкость возвращается в горячую зону, и цикл повторяется. Моделирование показало, что тепловая труба еще больше улучшила эффективность системы охлаждения — в финальной модели было достигнуто снижение температуры 65°С для наиболее нагретой зоны платы. В течение трех дней на американском производственном подразделении Radian были изготовлены первые прототипы радиаторов. Заказчик провел физические испытания, которые показали хорошее совпадение с результатами численного моделирования, выполненного специалистами Radian. Данное изделие запущено в серийное производство и имеет максимальную температуру 85°C при температуре окружающей среды 55°C. Модуль ANSYS Icepak помог инженерам Radian быстро и эффективно определить проблемы системы охлаждения и предложить оптимальное решение. Натурные испытания, проведенные заказчиком, подтвердили высокую точность результатов, полученных с помощью Icepak. Благодаря использованию численного моделирования оптимальный проект был создан в кратчайшие сроки и с минимальС ными затратами.

МЕДИЦИНА

ДИАГНОСТИКА АРТЕРИАЛЬНОЙ НЕПРОХОДИМОСТИ С ПОМОЩЬЮ ANSYS CFD Неинвазивные расчетные методы по определению перепада давления в области артериальной непроходимости позволяют кардиологам назначать более эффективное лечение

Автор: Paul D. Morris, специалист Образовательной программы по клиническим исследованиям Британского фонда по борьбе с сердечно-сосудистыми заболеваниями при Шеффилдском университете, Шеффилд, Великобритания

С

егодня коронарная недостаточность (непроходимость артерий, ведущих к сердцу) является одной из наиболее частых причин смертности в мире. Всемирная организация здравоохранения констатирует, что около 30 % смертей во всем мире случается по причине заболеваний сердечно-сосудистой системы [1]. Частота возникновения таких заболеваний растет как в численных, так и географических масштабах, в связи с чем чрезвычайно важной является разработка новых методов диагностики и лечения. Кардиологи и специалисты по модеwww.cadfem-cis.ru

лированию, работающие в рамках проекта VIRTUheart™ в Шеффилдском университете (Великобритания), используют CFD-пакеты ANSYS для более точного определения степени коронарной недостаточности каждого пациента. Неинвазивные расчетные методы по определению перепада давления в области артериальной непроходимости предоставляют кардиологам количественные данные, исходя из которых специалисты определяют необходимость применения инвазивных процедур (использование стентов или коронарного шунтирования), либо воз-

можность медикаментозного лечения пациента с более легкими симптомами заболевания. Несомненным преимуществом для пациентов является уменьшение дискомфорта, необходимости применения инвазивных методов и связанных с этим рисков, а также увеличение шансов на успешное лечение. Кроме того, важным фактором является потенциальное сокращение расходов вследствие упрощения процедур, уменьшения количества операций по установке стентов и избежания дорогостоящего коронарного шунтирования.

CADFEM REVIEW

45

МЕДИЦИНА

ЛЕЧИТЬ ИЛИ НЕ ЛЕЧИТЬ? Когда пациент впервые приходит в лабораторию катетеризации сердца с жалобой на боль в груди, делается коронарограмма для получения анатомической картины коронарных артерий. Сужение в артерии говорит об артериальной непроходимости. В связи с этим, возникают два вопроса: насколько опасно сужение в артерии и какое лечение необходимо назначить? Принятие решения является субъективным и зависит от опыта конкретного кардиолога. Если вы спросите мнение нескольких кардиологов по поводу их оценки одного и того же случая артериальной непроходимости, то, скорее всего, получите отличающиеся рекомендации. А решение необходимо принимать быстро. Физиологические данные, в отличие от чисто анатомических, отображаемых в коронарограмме, можно получить при введении в артерию датчика, с помощью которого измеряется давление на обеих сторонах артериальной непроходимости. Перепад давления в области непроходимости показывает степень опасности заболевания. Деление меньшего значения давления на большее дает величину от 0 до 1 и называется фракционным резервом кровотока (ФРК). Если значение ФРК превышает 0,80, сужение, вероятно, не приведет к клиническим симптомам или проблемам. Значение меньше 0,80 говорит о

 Коронарограмма коронарной артерии и ее ответвлений (слева); виртуальная модель коронарной артерии в ANSYS CFD (справа). Области высокого давления показаны красным и оранжевым, низкого — зеленым и голубым

46

CADFEM REVIEW. 03'2016

В 2008 году около 30 % смертей во всем мире произошло по причине заболеваний сердечнососудистой системы. том, что поток крови становится ограниченным. Высокое значение ФРК — хорошая новость для пациента, но если это значение ниже 0,80, то пациент, вероятно нуждается в стентировании или коронарном шунтировании. Наибольшая сложность в принятии решения возникает, когда значение ФРК близко к 0,80. Очевидно, измеренное описанным методом значение ФРК дает кардиологу объективные данные, позволяющие принять более взвешенное решение. К сожалению, процедура измерения ФРК проводится лишь в 10% случаев стентирования в Великобритании. Поскольку процедура требует введения датчика в артерию, это увеличивает расходы и доставляет дискомфорт пациенту. Поэтому, несмотря на то, что измерение давления позволяет принять более объективное решение, данный инвазивный метод не приобрел популярности во всем мире. ВИРТУАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ФРК Программный комплекс ANSYS активно используется специалистами Института

INSIGNEO (In Silico Medicine) при Шеффилдском университете. В связи с этим, логичным было использование численного моделирования для измерения значения ФРК в коронарных артериях неинвазивным виртуальным способом (vFFR™). Исследователи надеются, что таким образом удастся популяризировать измерение ФРК при лечении артериальной непроходимости. Специалисты провели пилотное исследование с 19 пациентами, страдающими от артериальной непроходимости; при этом с помощью ANSYS CFD было рассмотрено 35 артерий [2]. Были получены ротационные коронарограммы для создания трехмерной картины коронарных сосудов. После данных клинических испытаний были проведены дополнительные исследования без использования ротационных коронограмм, т.к. требуемое оборудование не является широко распространенным, по сравнению с оборудованием для двумерной коронографии. Результаты проведенных исследований пока не опубликованы. Ротационные коронограммы были разбиты на сегменты для создания трехмерных геометрических моделей артерии. Была создана расчетная сетка, содержащая около 1,5 млн. ячеек. В расчетах использовались одинаковые граничные условия (давление и расход), независимо от особенностей каждого пациента. Затем проводился гидродинамический расчет в ANSYS CFX для определения перепада давления в области артериального сужения и расчета ФРК. Значения измеренного и рассчитанного в пилотном проекте ФРК показали хорошее согласование. Общая точность диагностики расчетного ФРК составила 97%. График расчетного ФРК от измеренного ФРК характеризуется корреляционным коэффициентом 0,84. ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАСЧЕТНОГО ФРК Возможность получения ФРК расчетным способом в конечном итоге

Правая коронарная артерия Виртуальный ФРК равен 0,47

 Область артериальной непроходимости при расчетном ФРК 0,47 (слева). Течение через область сужения (справа)

приведет к широкому применению этого важного физиологического параметра при назначении лечения артериальной непроходимости. Метод расчетного определения ФРК требует только наличия коронограмм и проведения CFD расчетов — без необходимости введения датчика в артерию пациента. Благодаря этому расчетный ФРК может помочь определить оптимальное лечение и сэкономить значительные средства. Кроме того, расчетный ФРК позволяет получить профиль давления всей моделируемой области артерий, что является неоспоримым преимуществом по сравнению с одной точкой перепада давления, получаемой при измерении ФРК. Поле давления из CFD расчета четко показывает области, в которых давление меняется наиболее сильно. Такая подробная информация не доступна при измерении ФРК. В случае наличия двух или трех сужений в одной коронарной артерии, каждое из них является частью системы. Кардиологи обычно назначают операцию стентирования в каждом таком случае артериальной непроходимости.

 Проведение коронограммы

www.cadfem-cis.ru

Однако стентирование первой непроходимости по ходу кровотока может улучшить перепад давления настолько, что остальные области сужения не будут требовать стентирования. Сотрудники VIRTUheart в настоящее время работают над новой моделью, которая позволит проводить расчет виртуального стентирования. Например, кардиолог сможет виртуально установить стент и оценить его влияние на другие области сужения и артерии в рассматриваемой области. Возможность виртуально оценить результат лечения до операции на пациенте приведет к улучшению результатов и сэкономит средства благодаря уменьшению количества устанавливаемых стентов. Даже на стадии пилотного исследования видно, что расчетный ФРК имеет очень высокую точность (97%) и имеет потенциал к уточнению. Первое исследование проводилось с универсальными граничными условиями для давления и расхода крови. В настоящий момент инженеры VIRTUheart исследуют, как может увеличить точность расчетного ФРК использование индивидуальных граничных условий, харак-

терных для конкретного пациента. В конечном итоге, выбранное лечение артериальной непроходимости может стать фактором, определяющим продолжительность и качество жизни пациента. Коронарное шунтирование, стентирование или медикаментозное лечение — каждый из вариантов отличается по степени инвазивности, дискомфорта и стоимости. Каждый пациент, находящийся в лаборатории катетеризации сердца, хочет, чтобы его лечащий врач имел все возможные данные для выбора оптимального лечения. Специалисты VIRTUheart и ANSYS работают над тем, чтобы кардиологи во всем мире могли делать оптимальный выбор С для своих пациентов. Список литературы [1] World Health Organization website: www.who.int/mediacentre/factsheets/fs317/en/ [2] Morris, P.D.; Ryan, D.; Morton, A.C. et al. Virtual Fractional Flow Reserve From Coronary Angiography: Modeling the Significance of Coronary Lesions: Results From the VIRTU-1 (VIRTUal Fractional Flow Reserve From Coronary Angiography) Study. J Am Coll Cardiol Intv. 2013. Volume 6, Issue 2, pages 149–157.

 Расчетная сетка коронарной артерии

CADFEM REVIEW

47

МЕДИЦИНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛУХОВЫХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ ANSYS Численные расчеты помогают быстро рассмотреть различные варианты проектов слуховых устройств и улучшить их характеристики

Автор: Casey Murray, ведущий инженер-конструктор по разработке ВЧ радиоэлектронного оборудования, Starkey Hearing Technologies, Иден-Прери, США

В

современном понимании носимой электроникой считаются смарт-часы или фитнес-браслеты. Однако уже многие десятилетия портативные слуховые аппараты позволяют улучшить качество жизни миллионам людей во всем мире. В последние годы рынок слуховых аппаратов существенно изменился благодаря появлению беспроводных слуховых устройств, параметры которых можно менять в процессе использования. Кроме того, они могут использоваться совместно со смартфонами. Создавать подобные продукты достаточно сложно, поскольку антенна и другие беспроводные компоненты должны находиться внутри миниатюрного корпуса. Подобные огра-

ничения могут привести к ухудшению эффективности работы антенны и возникновению взаимного влияния антенны и других электронных компонентов. Специалисты по разработке ВЧ радиоэлектронного оборудования компании Starkey Hearing Technologies

смогли решить эту проблему с помощью модуля ANSYS HFSS: была оптимизирована конструкция антенны с учетом взаимного влияния других компонентов и тела человека. В итоге было достигнуто существенное улучшение характеристик слухового аппарата, при

Разработчики добавляют беспроводные технологии в слуховые аппараты, при этом размеры устройств уменьшаются, что создает трудности при проектировании.

 Компания Starkey Hearing Technologies выпустила беспроводной продукт Halo™, предназначенный для работы с iPhone®

48

CADFEM REVIEW. 03'2016

Индукционная катушка

Микрофоны

Элемент управления

Приемник Печатная плата

Батарея Разъем для программатора

 Электронные компоненты должны быть настолько малы, чтобы поместиться в корпусе устройства, предназначенного для самого маленького уха

этом сократились затраты и сроки разработки изделия. ТРУДНОСТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ Компания Starkey Hearing Technologies является разработчиком беспроводных слуховых аппаратов, работающих на частоте 900 МГц и позволяющих соединяться с мультимедийными устройствами и легко менять настройки. Примерами электронных устройств, соединяющихся со слуховыми аппаратами, являются телевизоры и смартфоны. Кроме того, благодаря беспроводным технологиям изделие позволяет пациентам или медработникам изменять настройки, не извлекая

Антенна

 Компоненты слухового аппарата

прибор из уха. Частота 900 МГц также используется для коммуникации между слуховыми аппаратами пациента («от уха к уху»). Данная технология позволяет сконфигурировать элементы управления на отдельном устройстве для выполнения определенных функций (например, на левом слуховом аппарате регулируется общая громкость, а на правом — режим работы). Кроме продуктов, работающих на частоте 900 МГц, компания Starkey выпустила беспроводной продукт Halo™, функционирующий на частоте 2.4 ГГц и предназначенный для работы с iPhone®. Слуховой аппарат Halo взаимодействует напрямую с iPhone, используя беспр о в о д н у ю с е т ь Bluetooth®. Таким образом, пользователи могут перенаправлять телефонные звонки и музыку на слуховые устройства и управлять настройками с помощью приложения на своем телефоне. Разработчики добавляют беспроводные технологии в слуховые аппараты, при этом размеры устройств уменьшаются, что создает трудности при проектировании. Слуховой аппарат состоит из многих компонентов, включая микрофоны, гибкую печатную плату, батарею, приемник, антенну и часто индукционную катушку. На гибкой

 Устройство Starkey Hearing Technologies SurfLink® Mobile взаимодействует со слуховым аппаратом

www.cadfem-cis.ru www.cad dfem-c m cis. i ru

печатной плате находится более 60 различных компонентов и микросхем. Инженер-конструктор ВЧ радиоэлектронных устройств должен расположить все эти компоненты в ограниченном пространстве, при этом существует большой риск ухудшения работы антенны. Раньше антенны проектировались на основе руководств и научной литературы, однако такой подход позволял работать только с очень простой геометрией и не учитывал возможное взаимодействие с другими компонентами слухового аппарата и телом человека. Самой большой проблемой при проектировании слуховых аппаратов, размещающихся в слуховом канале, является их очень малый размер. Корпус устройства изготавливается индивидуально для каждого пациента. В связи с этим, электронные компоненты должны быть настолько малы, чтобы поместиться в корпусе устройства, предназначенного для самого маленького уха. ПРОЦЕСС МОДЕЛИРОВАНИЯ Специалисты компании Starkey Hearing Technologies решают данные проблемы с помощью программного комплекса ANSYS HFSS, позволяющего рассматривать множество вариантов проекта с учетом реальной геометрии антенны, компонентов, находящихся в слуховом аппарате, и тела человека. Самой большой проблемой при моделировании является создание расчетной сетки, включающей такие существенно отличающиеся по размерам объекты, как CADFEM REVIEW

49

МЕДИЦИНА

 Процесс моделирования антенны (слева направо): расчет антенны отдельно; моделирование антенны с другими компонентами слухового аппарата; расчет системы, включающей голову пациента и установленный слуховой аппарат с антенной

голова человека и микросхемы слухового аппарата. Инженеры Starkey работали в тесном сотрудничестве со специалистами ANSYS для разработки процесса, позволяющего создавать такие сложные расчетные сетки. Кроме того, были созданы специальные скрипты для препроцессинга, расчета и постпроцессинга, что позволило обеспечить единообразие всех получаемых результатов для различных вариантов проектов. Процесс моделирования обычно начинается с расчета антенны отдельно, как подсистемы; затем проводится расчет антенны с другими компонентами слухового аппарата. После этого выполняется расчет системы, включающей голову пациента и установленный слуховой аппарат с антенной. Это позво-

Компания Starkey Hearing Technologies увеличила использование лицензий HPC, что позволило сократить время расчетов на 90 %.

ляет оценить эффективность работы антенны с учетом влияния поглощения энергии телом человека. Таким образом, оценивается работоспособность предлагаемого проекта с учетом различных размеров головы, форм уха и расположения устройства. Расчет позволяет проанализировать степень влияния таких параметров, как топология антенны, толщина медной прово-

 График зависимости импеданса антенны от частоты

50

CADFEM REVIEW. 03'2016

локи, из которой изготавливается антенна, и зоны возбуждения антенны. При этом можно легко добавлять и удалять из модели компоненты слухового аппарата, чтобы оценить их влияние на эффективность работы антенны. ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТА Процесс проектирования антенны обычно начинается с вычисления энергетического баланса линии передачи. При этом требования к работе антенны слухового аппарата зависят от двух основных параметров: общая излучаемая мощность (для связи слухового аппарата с другими устройствами) и чувствительность при приеме (для связи других устройств со слуховым аппаратом). Для определения общей излучаемой мощности специалисты Starkey Hearing Technologies используют программный комплекс HFSS. Кроме того, существуют другие важные характеристики антенны, которые необходимо учитывать для понимания особенностей ее работы. Одна из них — эффективная изотропно-излучаемая мощность (EIRP) — мощность, которую

 Диаграммы направленности антенны

должна излучать ненаправленная антенна вместо направленной антенны, чтобы в направлении максимума излучения направленной антенны был такой же уровень сигнала при приёме. Инженер-проектировщик может определить EIRP антенны слухового аппарата, используя полученное в HFSS максимальное усиление антенны. Зная указанные ключевые характеристики антенны, конструктор с помощью модуля HFSS может проводить сравнение различных проектов антенн независимо от типа, размера и формы. Кроме того, численное моделирование может использоваться для анализа характеристик проекта и его оптимизации. Например: • Графики зависимости импеданса антенны от частоты используются для согласования импеданса антенны и импеданса источника для получения максимальной передаваемой мощности.

• Диаграмма направленности антенны используется для настройки направленности излучения антенны (уменьшение излучения в направлении тела человека и увеличение излучения в направлении аксессуаров или смартфона).

• Графики плотности тока показывают величину взаимодействия между каждым из компонентов слухового аппарата и антенной. Результаты расчетов проверяются в безэховой камере (помещении, стены которого полностью поглощают электромагнитное излучение). Это позволяет изолировать исследуемое www.cadfem-cis.ru

устройство от внешних источников энергии во время испытаний. Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными — обычно отличие не превышает 1 — 3 дБ. Ранее инженеры Starkey Hearing Technologies проводили расчеты в HFSS на рабочих станциях с 8 — 16 ядрами, при этом каждый расчет занимал около 11,5 часов. Недавно компания приобрела расчетный кластер, доступ к которому есть у всех инженеров, что позволяет эффективнее использовать лицензии ANSYS HPC. Кластер состоит из одного виртуального узла для решения задач, находящихся в очереди, и трех вычислительных узлов, каждый из

которых имеет 48 ядер и 192 Гб оперативной памяти. Использование 48 ядер позволяет уменьшить время расчета до одного часа, что, в свою очередь, дает возможность рассматривать большее количество вариантов проекта и выбрать наиболее оптимальный. В связи с применением беспроводных технологий в современных слуховых аппаратах, моделирование электромагнитных характеристик устройств становится чрезвычайно важным. Благодаря численному моделированию специалисты могут на ранних этапах проектирования изучить взаимодействие антенн различной конструкции с компонентами слухового аппарата. Кроме того, в расчетах можно рассматривать влияние различных геометрических моделей головы человека и месторасположения слухового аппарата на электромагнитные характеристики устройства. Использование численного моделирования и создание виртуальных прототипов позволяют экономить значительное время, измеряемое месяцами, и десятки тысяч долларов, требуемые для создания и испытания каждого физического прототипа. Специалисты Starkey Hearing Technologies планируют в будущем рассматривать большее количество геометрических моделей головы пациента, а также внедрить расчеты с использованием геометрической модели всего тела С человека.

 Испытания устройства в безэховой камере

CADFEM REVIEW

51

МЕДИЦИНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА CFD моделирование помогает экономить время и средства, подтверждая масштабируемость перемешивающих устройств до 5000 литров

Авторы: Rudolf Pavlik, директор по разработке новой продукции, ASI, Миллерсбург, США, Szymon Buhajczuk, ведущий CFD-инженер (Канада), Mark Goodin, CFD-инженер, SimuTech Group Inc., Торонто, Канада

В

биофармацевтической промышленности компании должны поэтапно увеличивать объем производства, вначале проводя пилотные исследования, затем клинические испытания и в конечном итоге выпуская промышленные партии лекарств. Компания ASI является разработчиком биотехнологического обо-

Специалисты компании ASI постоянно сталкиваются с необходимостью масштабировать свое оборудование для использования на различных стадиях разработки лекарственных препаратов. рудования и одноразовых систем, используемых в биофармацевтической промышленности. Специалисты ASI постоянно сталкиваются с необходимостью масштабировать свое оборудование для различных стадий разработки лекарственных препаратов. До недавнего времени биофармацевтические заводы использовали исключительно оборудование из нержавеющей стали: биореакторы, баки и трубы. Компания ASI является пионером в разработке одноразового оборудо-

вания, предназначенного для однократного использования и последующей утилизации. Использование таких систем существенно уменьшает необходимость в интенсивной и длительной очистке оборудования, при этом увеличивается производительность благодаря возможности быстрого переключения на изготовление другой партии лекарственных препаратов. Компания ASI является мировым лидером по производству систем одноразового использования в области меди-

 Одноразовое перемешивающее устройство линейки imPULSE

52

CADFEM REVIEW. 03'2016

 Течение при движении вниз

 Оболочка для перемешивания многоразового использования

цины и здравоохранения. Семейство продуктов imPULSE представляет собой уникальную одноразовую систему для перемешивания, состоящую из шестигранного бака для смешения из нержавеющей стали и прилегающей одноразовой оболочки. Данная система может конфигурироваться в соответствии с конкретными потребностями клиента. В одноразовый полимерный пакет встроен диск для перемешивания, состоящий из множества ячеек и пленочных щитков. Щитки открываются и закрываются при движении перемешивающего диска вверх и вниз. При движении вниз щитки закрываются, и энергия направлена в сторону дна устройства. При движении вверх щитки открываются, что позволяет жидкости свободно протекать через щели, обеспечивая одностороннее течение и эффективное перемешивание. Использование программного модуля ANSYS Fluent позволило специалистам ASI избежать расходов и потери времени www.cadfem-cis.ru

 Течение при движении вверх

на изготовление прототипов: численное моделирование показало, что изделие можно масштабировать до 5000 литров (промышленный стандарт); при этом сохранялась высокая эффективность перемешивания, характерная для небольших миксеров. Вначале специалисты ASI разработали устройство imPULSE на 250 л, а затем расширили линейку продуктов, создав изделия объемом от 30 л до 1500 л. Поскольку биофармацевтические компании постоянно увеличивают объ-

емы производства, им требуются миксеры еще больших размеров. Можно без проблем увеличить размер миксера, однако при этом сложно сохранить высокую эффективность перемешивания. Время, требуемое для достижения определенного уровня гомогенизации, является чрезвычайно важной характеристикой эффективности биофармацевтического производства. Инженеры ASI должны были убедиться в том, что время перемешивания для больших и малых миксеров является сопостави-

По сравнению с натурными испытаниями, численное моделирование позволяет не только быстрее и дешевле получать результаты, но и предоставляет гораздо больше информации.

CADFEM REVIEW

53

МЕДИЦИНА

Объем бака: 1500 л (показана 1/3 часть резервуара) Векторы скоростей (ограничены 1 м/с)

Время 2.13333 [с]

Нисходящее движение жидкости

Движение диска вверх

Кольцевой вихрь, сохраняющийся после предыдущего движения диска вниз

 Векторы скоростей

Специалисты ASI обратились за помощью в компанию SimuTech Group, партнеру по каналу ANSYS. Команда специалистов использовала ANSYS Fluent для моделирования движения дисков перемешивающего устройства.

мым. Для изготовления прототипа 5000-литрового перемешивающего устройства требовалось длительное время и большие финансовые затраты. В связи с этим, инженеры ASI рассмотрели возможность использования методов вычислительной гидродинамики (CFD), чтобы убедиться в работоспособности большого миксера. Использование CFD значительно дешевле и позволяет получить результаты гораздо быстрее; помимо этого, гидродинамический расчет предоставляет больше данных, например, трехмерные поля скорости сдвига и скоростей во всем объеме резервуара, что помогает при диагностике и оптимизации конструкции перемешивающего устройства. Специалисты ASI обратились за помощью в компанию SimuTech Group, партнеру по каналу ANSYS. Команда специалистов использовала ANSYS Fluent для моделирования движения дисков перемешивающего устройства. Технология подвижных сеток ANSYS Fluent позволяет на основе различных критериев добавлять или удалять слои расчетных ячеек, примыкающих к движущейся границе, что дает возможность моделировать устройства со сложными подвижными частями. Применяя данную технологию, пользователь может задавать желаемую высоту слоя ячеек на каждой движущейся гра-

Объемная доля частиц альбумина бычьей сыворотки

График зависимости объемной доли частиц альбумина бычьей сыворотки от времени (в заданной контрольной точке)

Контрольная точка находится на 25% высоты бака и 75% радиуса бака 250 л 1500 л 5000 л

Время (секунды)

 График зависимости объемной доли частиц альбумина бычьей сыворотки от времени для резервуаров различных объемов

54

CADFEM REVIEW. 03'2016

250 л

нице. Слой ячеек, примыкающих к движущейся границе, делится или объединяется с соседним слоем в соответствии с заданной высотой ячеек в примыкающем слое. При использовании этой уникальной технологии для моделирования движущихся границ не возникает проблем с точностью, характерных для методов деформации сеток. Инженеры SimuTech провели расчет эффективности перемешивания частиц двух различных веществ: соли и альбумина бычьей сыворотки. ANSYS Fluent позволяет задавать свойства каждого из используемых веществ. Моделирование показало, что поток движется вверх вдоль боковых стенок, достигает верхней части резервуара, а затем опускается в центральной части. Подобное движение жидкости было прогнозируемым, т.к. перемешивающий диск, находящийся в центральной части бака, двигает поток только при движении вниз, а при движении вверх щитки открываются и свободно пропускают жидкость через диск. В результате, при

сохраняется даже при движении диска вверх. Вихрь обычно двигается за основным потоком, таким образом, циркуляционное течение перемещается к стенкам резервуара. Когда перемешивающий диск двигается вверх, основной поток в центре бака все еще продолжает двигаться вниз, и в этом случае диск двигается против потока. Когда щитки открыты, поток свободно проходит через щели перемешивающего диска, что вызывает дополнительное возмущение потока. Локальные вихри, наблюдаемые в гидродинамических расчетах, создают дополнительную турбулентность, что позволяет перемешивать даже сложные смеси порошок/жидкость с высокой интенсивностью. Локальные вихри возле диска показывают, что через перемешивающий диск проходят только неперемешанные продукты, без пузырьков воздуха. Для выяснения влияния размеров баков на эффективность перемешивания, специалисты SimuTech сравнили поля скоростей для трех баков разных

Благодаря CFD расчетам компания ASI экономит сотни тысяч долларов на создании и натурных испытаниях физических прототипов миксеров различных размеров.

1500 л

5000 л

 Линии тока в резервуарах различных объемов

www.cadfem-cis.ru

движении диска вниз общий поток ускоряется, а при движении вверх вокруг диска формируется более сложное локальное перемешивающее течение. Сложный характер локального течения свидетельствует о случайном и агрессивном перемешивании, создаваемом диском. Вследствие агрессивного перемешивания возникает турбулентность, создающая случайные вихри, которые формируют дополнительный механизм перемешивания. Расчет показал, что локальное течение возле перемешивающего диска сильно меняется в зависимости от его положения в цикле хода. При движении вниз щитки закрыты, и поток с большой скоростью выдавливается между диском и стенками бака. Кольцевой вихрь на периферии перемешивающего диска также способствует перемешиванию и

объемов (250 л, 1500 л и 5000 л). Результаты расчетов показали, что поля скоростей для больших резервуаров почти не отличались от данных для 250-литрового бака. Во всех резервуарах через несколько секунд формировалось характерное течение: вверх — вдоль внешних стенок бака и вниз — в центральной части. Поле концентрации веществ было получено из расчета смешивания многофазной жидкости, включающей частицы соли и альбумина бычьей сыворотки. Результаты моделирования показали, что на шестой секунде для всех трех миксеров наблюдалось существенное суспензирование соли в жидкости. Для наименьшего резервуара значительная концентрация соли приходилась на верхнюю часть бака; даже в самом большом баке основная конCADFEM REVIEW

55

МЕДИЦИНА

250 л

1500 л

5000 л

t = 0 секунд

Использование численного моделирования позволяет компании ASI экономить сотни тысяч долларов.

t = 10 секунд

t = 20 секунд

t = 40 секунд

t = 60 секунд

центрация соли находилась в области двух третьих высоты резервуара. Частицы альбумина бычьей сыворотки, характеризующиеся практически ней56

CADFEM REVIEW. 03'2016

ствием перемешивающего диска рассеивались всем объеме бака. Моделирование показало, что через 60 секунд концентрации веществ во всех резервуарах становились практически одинаковыми. Для количественной оценки степени перемешивания частиц альбумина бычьей сыворотки в течение более дли-

тральной плавучестью, были засыпаны в верхней части бака и вовлекались потоком в центральную область нисходящей жидкости, а затем под дей-

тельного промежутка времени, специалисты задавали контрольную точку во всех трех резервуарах, находящуюся на ¼ высоты и ¾ радиуса бака. Оказалось, что перемешивание в малых резервуарах происходило быстрее, чем в больших, однако с практической точки зрения все баки характеризовались высокой скоростью перемешивания. В течение 60 секунд объемные доли во всех резервуарах выходили приблизительно на один и тот же уровень. В целом, несмотря на незначительные отличия во временных масштабах перемешивания, свойственных для резервуаров различных объемов, все баки показывали хорошую масштабируемость, поскольку перемешивание в них происходило менее чем за одну минуту и характеризовалось схожими полями концентраций в рассматриваемых расчетных условиях. Поскольку специалисты компании ASI подтвердили результаты расчетов натурными испытаниями для резервуаров трех указанных объемов, они могут построить график корреляции экспериментальных и расчетных данных для всех перемешивающих устройств, производимых компанией. В связи с этим, благодаря CFD расчетам компания ASI экономит сотни тысяч долларов на создании и натурных испытаниях физических прототипов миксеров различных С размеров.

АДРЕСА

И ПАРТНЕРОВ

Россия

International

КАДФЕМ Россия Головной офис ул. Суздальская, д. 46, офис 203 111672, г. Москва Тел. +7 (495) 644-06-08 Факс +7 (495) 644-06-09 info@cadfem-cis.ru www.cadfem-cis.ru

Германия CADFEM GmbH Grafing b. München info@cadfem.de www.cadfem.de

Филиал в СЗФО Кондратьевский пр., д. 15, к. 3 б/ц “Фернан Леже”, офис 322 195197, г. Санкт-Петербург Тел. +7 (812) 313-19-17 Факс +7 (812) 313-19-17 spb@cadfem-cis.ru Филиал в ПФО ул. Авроры, д. 110, к. 1 офис 406 443069, г. Самара Тел. +7 (846) 279-49-71 Факс +7 (846) 279-49-71 samara@cadfem-cis.ru Филиал в УФО ул. Софьи Ковалевской, д. 3, офис 401 620049, г. Екатеринбург Тел. +7 (343) 385-04-20 Факс +7 (343) 385-04-23 ural@cadfem-cis.ru Филиал в СФО ул. Советская, д. 5, б/ц «КРОНОС» блок Б, офис 641 630007, г. Новосибирск Тел. +7 (383) 251-01-84 nsk@cadfem-cis.ru

Австрия, Швейцария, Чехия / Словакия, Польша, Ирландия, СНГ, Индия, Китай, Северная Африка, США Филиалы CADFEM в мире www.cadfem-international.com

Санкт-Петербург Киев

Москва

Самара

Екатеринбург

Новосибирск

Следите за новостями ЗАО «КАДФЕМ СИ-Ай-Эс» в социальных сетях:

youtube.com/cadfemcis

linkedin.com/company/cadfem-cis

vk.com/cadfemcis

twitter.com/cadfemcis

facebook.com/cadfemcis

instagram.com/cadfemcis

Украина КАДФЕМ Украина бул. Леси Украинки, д. 34, офис 433 01133, г. Киев Тел. +38 (044) 360-75-43 Моб. +38 (068) 442-09-78 Факс +38 (066) 144-57-81 ukraine@cadfem-cis.ru

Подпишитесь на E-mail рассылку CADFEM eNews: • новости; • конференции и отраслевые семинары; • видеоуроки; • вебинары; • и многое другое.

Член организации

Международная сеть партнеров

www.cadfem-cis.ru