ANSYS. Kontynuacja wprowadzenia. Obliczanie akustyki w Ansys CFX Symulacja fal akustycznych w przepływie ansys

Analiza akustyki w ANSYS Mechanical 15.0

Sergey Khrulev
Inżynier Wsparcia Technicznego, Grupa Firm PLM Ural - Delkam-Ural

Od ponad 40 lat ANSYS, Inc. rozwija linię swoich produktów do obliczeń inżynierskich i regularnie wydaje zaktualizowane wersje, słuchając potrzeb i życzeń użytkowników. Grupa firm „PLM Ural” - „Delkam-Ural” nadal informuje czytelników magazynu o nowościach w wersji inżynierskiej oprogramowanie ANSYS 15.0. Niniejsza publikacja skupi się na oprogramowaniu do rozwiązywania problemów akustycznych i wibroakustycznych.

Modelowanie akustyki

W wersji 15.0 ANSYS umożliwia badanie pochodzenia, propagacji, emisji, pochłaniania i odbicia fal ciśnienia akustycznego w środowisku akustycznym. Akustyka w ANSYS Mechanical to pełna biblioteka akustycznych elementów skończonych, duży zestaw właściwości akustycznych materiałów, sprzężona interakcja strukturalno-akustyczna do rozwiązywania problemów wibroakustycznych, wysoka wydajność rozwiązania, aplikacje na licencję ANSYS Multiphysics. Analiza akustyczna była wcześniej dostępna tylko w Mechanical APDL („klasyczny” ANSYS), ale wraz z pojawieniem się modułu ACT (Application Customization Toolkit) jest teraz zaimplementowana w programie ANSYS Workbench.

Wykorzystując możliwości akustyczne pakietu można rozwiązać wiele pilnych problemów, takich jak: wyeliminowanie hałasu w samochodach; minimalizacja hałasu w maszynach produkcyjnych; akustyka budynków i konstrukcji; projektowanie aparatów słuchowych; badania hydroakustyki; rozwój sonarów, głośników, filtrów akustycznych, tłumików i innych podobnych urządzeń; eksploracja geofizyczna; aeroacus tica. Wszystkie te zadania są rozwiązywane zarówno w układzie płaskim, jak i wolumetrycznym za pomocą modułów modalnych, harmonicznych i przejściowych (czasowych ii i dziedzinie częstotliwości), a także pełne lub jednostronne parowanie obliczeń w celu rozwiązania problemów wibroakustycznych.

W analizie modalnej określa się częstotliwości własne i mody drgań. Jako warunki brzegowe można ustawić impedancję i oddziaływania strukturalne. Zastosowane solwery obejmują metody Lanczosa, podprzestrzeni, tłumionej i niesymetrycznej macierzy (blok Lanczosa, podprzestrzeń, tłumiona i niesymetryczna).

Analiza harmoniczna oblicza odpowiedź systemu jako funkcję częstotliwości napędu w oparciu o objętościowe natężenie przepływu lub ciśnienie napędu. Reakcja systemu na czas oobszar ten jest definiowany w analizie niestacjonarnej (Transient).

Stół warsztatowy ma również środki do przenoszenia sił elektromagnetycznych z modułu Maxwell do modułu mechanicznego. Jest to przydatne przy projektowaniu konstrukcji, w których drgania mechaniczne generowane przez siły elektromagnetyczne są źródłem znacznego hałasu.

Wibroakustyka

Zadania wibroakustyczne wymagają oceny wpływu na strukturę wpływów zarówno hałasu, jak i wibracji. Wersja ANSYS 15.0 umożliwia analizę wibroakustyczną pełną (przydatną przy rozwiązywaniu problemów hydroakustycznych) lub jednostronne parowanie dwóch typów obliczeń.

Jednostronne sprzężenie jest bardziej skuteczne w obliczeniach akustycznych konstrukcji, o ile można pominąć wpływ akustyczny na nią. Wyniki analizy strukturalnej w tym przypadku są stosowane jako wzbudzenie akustyczne. Analizy strukturalne (złożone lub kompletne) i akustyczne są prezentowane w dwóch różnych modułach analizy harmonicznych. Prędkości drgań węzłów modelu są przesyłane do analizy harmonicznej akustycznej za pomocą łącza na schemacie projektu. Ponadto dane można przesyłać na zewnątrz za pomocą plików danych zewnętrznych lub plików ASI, które w przeciwieństwie do poprzednich łączy obsługują siatkę konformalną.

Przy pełnej koniugacji równania strukturalne i akustyczne można rozwiązywać metodą macierzy asymetrycznej lub symetrycznej - ta ostatnia jest bardziej wydajna. W pełni sprzężona analiza wibroakustyczna obejmuje również interakcję z elementami piezoelektrycznymi, co z kolei pozwala rozwiązać wiele ściśle powiązanych problemów, w tym konstrukcję czujników i głośników.

Obciążenia i warunki brzegowe

Podczas rozwiązywania problemów wibroakustycznych ustalane są odpowiednie obciążenia i warunki brzegowe.
Przede wszystkim są to źródła ciśnienia akustycznego, które mogą być falą płaską (jej czoło ma kształt płaszczyzny), monopolem, dipolem itp.

Dodatkowo można ustawić prędkość propagacji fali (w tym w funkcji częstotliwości), źródło masy w równaniu falowym (wyzwala fale ciśnienia we wszystkich kierunkach), impedancję i współczynnik pochłaniania (oba w funkcji częstotliwości) ...

Rozpraszanie dźwięku

Badania akustyki rozpraszania jako procesu: fale dźwiękowe są rozpraszane przez ciała stałe lub podczas rozchodzenia się w niejednorodnej przestrzeni (na przykład fale dźwiękowe w wodzie morskiej pochodzące z łodzi podwodnej).

na strukturze dyfuzyjnej

Model problemu akustycznego to zwykle struktura zanurzona w nieskończonym, jednorodnym, idealnym środowisku. W MES, aby zmniejszyć koszty zasobów komputerowych i czasu inżynierskiego, konieczne jest zmniejszenie rozważanego obszaru. Warunki pochłaniania fal pozwalają nam zasymulować mniejszą część obszaru i założyć, że fale wychodzące rozchodzą się na zewnątrz bez odbicia. Istnieją trzy rodzaje warunków pochłaniania fal:

Warunki idealnie dopasowanych warstw to absorbujące ciśnienie warstwy elementów skończonych zaprojektowane w celu obcięcia siatki otwartej domeny FE w analizie harmonicznej. Metoda ta nie ma zastosowania w analizach modalnych i niestacjonarnych;

Granica promieniowania - ogranicza stosunek ciśnienia do szybkości emisji fal, współczynnik pochłaniania;

Infinite Fluid Elements (semi-infinite environment) - definicja elementów pochłaniających drugiego rzędu (np. FLUID130 lub FLUID129) na granicy modelowanej części środowiska.

Przetwarzanie wyników

Wyniki uzyskane w obliczeniach mogą odnosić się nie tylko do pola bliskiego (siatka FE), ale także dalekiego. Przetwarzanie dalekiego pola umożliwia wybranie do kreślenia punktu znajdującego się w pewnej odległości, poza siatką.

Po rozwiązaniu problemu akustycznego może być konieczne obliczenie niektórych parametrów propagacji akustycznej systemu. Na przykład moc wejściowa i moc wyjściowa, strata odbicia, tłumienie i strata transmisji.

Wydajność rozwiązania analizy harmonicznej

Istnieją dwie metody rozwiązywania analizy harmonicznej. Jedna, pełna metoda, rozwiązuje równanie macierzowe przy każdej częstotliwości. Druga, VT (technologia wariacyjna), jest alternatywną metodą rozwiązania opartą na algorytmie przemiatania harmonicznych metody pełnej i przeprowadza dekompozycję macierzy przy częstotliwości próbkowania i wykonuje szybkie przemiatanie częstotliwości. Metoda VT nie obsługuje materiałów / obciążeń zależnych od częstotliwości, algorytmu sprzężonego symetrycznie, materiałów perforowanych (czyli zawierających puste przestrzenie lub uwzględniających je), kojarzeń jedno- i dwukierunkowych (wibroakustyka).

ciśnienie przy częstotliwości 700 Hz

Przykłady aplikacji

Niektóre z najbardziej znanych przykładów projektów wymagających analizy akustycznej to towary konsumpcyjne, takie jak głośniki i tłumiki.

Pełna analiza akustyczna sprzężenia odgrywa również ważną rolę w projektowaniu rezonatora ćwierćfalowego. Aby obniżyć poziom ciśnienia akustycznego, jego panele są montowane z rur o różnych średnicach i długościach. Pochłanianie ciśnienia akustycznego przy określonych częstotliwościach przez panel rezonatora występuje również z powodu wewnętrznego tarcia lepkiego.

odblaskowy tłumik

Wniosek

Grupa firm „PLM Ural” - „Delkam-Ural” jest autoryzowanym przedstawicielem firmy ANSYS, Inc. na terenie Rosji i WNP od ponad 20 lat i zajmuje się doradztwem, inżynierią, wdrażaniem oprogramowania, wsparciem technicznym i szkoleniami. Nasza firma posiada kadrę wysoko wykwalifikowanych specjalistów technicznych certyfikowanych przez dewelopera z wieloletnim doświadczeniem w wykonywaniu różnorodnych obliczeń. Zależy nam, aby publikacje były interesujące dla czytelników, dlatego zapraszamy do udziału w doborze najistotniejszych tematów do dyskusji na łamach czasopisma. Czekamy na Twoje życzenia na naszych stronach (www.cae-club.ru,
www.cae-expert.ru)! Również w naszych zasobach znajdziesz wiele przydatnych i interesujących rzeczy dla siebie!

rezonator

1 Impedancja akustyczna jest stosunkiem złożonej amplitudy ciśnienia akustycznego do wolumetrycznej prędkości drgań (ta ostatnia odnosi się do iloczynu składowej normalnej prędkości drgań uśrednionej obszarowo przez obszar, dla którego wyznaczana jest impedancja akustyczna).

2 Konformalna siatka elementów skończonych to taka, w której stykające się powierzchnie mają wspólne węzły.

3 Monopole jest idealnym emiterem, który tworzy sferycznie symetryczną, rozbieżną falę;

4 dipol - dwa monopole o tym samym module i przeciwnych w kierunku prędkościach objętościowych, położone w niewielkiej odległości w porównaniu z długością fali;

5 Rozpraszanie to ogólny proces fizyczny, w którym niektóre rodzaje promieniowania, takie jak światło, dźwięk lub poruszające się cząstki, są zmuszone do zbaczania z prostej ścieżki z powodu jednej lub więcej zlokalizowanych niejednorodności w ośrodku.

Uzupełniając podstawową platformę COMSOL Multiphysics ® o moduł akustyczny, uzyskujesz dostęp do specjalistycznych metod analizy drgań akustycznych i wibracji, które rozszerzają możliwości pakietu oprogramowania COMSOL ®.

Moduł Akustyka zawiera narzędzia do modelowania następujących zadań:

• Amortyzatory i amortyzatory
• Maskowanie akustyczne
• Emisja dźwięku
• Prądy akustyczne

• Mikrofony
• Urządzenia mobilne
• Formy oscylujących pomieszczeń i konstrukcji
• Tłumiki

• Zadania akustyki biologicznej
• Masowe fale akustyczne (BAW - BAW)
• Akustyka sali koncertowej
• Akustyka konwekcyjna
• Niestabilność spalania
• Przepływomierze Coriolisa
• Akustyka wnętrza samochodu
• Dyfuzory
• Przetworniki elektroakustyczne
• Przepływomierze
• Hałas przepływu płynu
• Interakcja płyn-struktura w dziedzinie częstotliwości
• Aparaty słuchowe
• Charakterystyka impulsów
• Hałas silnika odrzutowego
• Głośniki
• Mikroelektromechaniczne czujniki akustyczne
• Mikrofony mikroelektromechaniczne

• Instrumenty muzyczne
• Hałas i wibracje ze sprzętu mechanicznego
• Materiały dźwiękochłonne i izolacja akustyczna
• Badania nieniszczące i inspekcje (NDT)
• Poszukiwanie ropy i gazu
• Przetworniki piezoakustyczne
• Tłumiki reaktywne i absorpcyjne
• Akustyka pomieszczeń i budynków
• Emitery
• Czujniki i odbiorniki
• Urządzenia sonarowe (sonary)
• Powierzchniowe fale akustyczne (SAW - SAW)
• Dźwiękoszczelność
• Wibroakustyka
• Głośniki niskotonowe, subwoofery i subwoofery
• Ultradźwięk
• Przepływomierze ultradźwiękowe
• Akustyka podwodna (hydroakustyka)

Czytaj więcej

Mniej czytać

Sprzęgła multifizyczne

Dostępne bezpośrednio w module Akustyka:

• Interakcja fal akustycznych i wibracji w strukturach stałych (ASI)
• ASI w materiałach piezoelektrycznych
• Oddziaływanie fal akustycznych i poroelastycznych
• Oddziaływanie fal poroelastycznych i drgań w strukturach stałych
• Sprzężenie rejonów akustycznych opisanych na podstawie MES i BEM (MES i BEM)
• Sprzężenie obszarów akustycznych, opisane na podstawie akustyki skalarnej i termowiskowatej
• Oddziaływanie fal akustycznych z uwzględnieniem strat cieplnych i lepkich oraz drgań w strukturach stałych (Thermoviscous ASI)
• Oddziaływanie fal akustycznych z uwzględnieniem przepływów tła (aeroakustyka) i drgań w konstrukcjach stałych (Aero ASI)

Dostępne z dodatkowymi modułami rozszerzeń:

• Oddziaływanie fal akustycznych i wibracji w stałych powłokach
• Oddziaływanie fal akustycznych z uwzględnieniem strat cieplnych i lepkich oraz drgań i drgań skorup stałych
• Rozprzestrzenianie się dźwięku w instalacjach rurowych
• Określanie charakterystyk elektrycznych konwerterów na podstawie modeli skupionych
• Ustalanie właściwości elektrodynamicznych magnesów, cewek i stali miękkich w przetwornikach akustycznych
• Uwzględnianie uśrednionego przepływu tła w aeroakustyce
• Oddziaływanie fal poroakustycznych i wibracji w stałych skorupach

Prezentowany model bada własne tryby pomieszczenia. Na zewnętrznych granicach ustalono złożone warunki impedancji, symulując właściwości pochłaniania dźwięku materiałów użytych do dekoracji pomieszczenia.

Rozkład poziomów ciśnienia akustycznego we wnętrzu pojazdu generowany przez mały głośnik na desce rozdzielczej. Model jest montowany w interfejsie Scalar Acoustics i zawiera przykłady złożonego opisu impedancji dla okładzin wewnętrznych, dywanów, powierzchni plastikowych i siedzeń.

Projektowanie sonaru sonarowego z szeregu przetworników Tonpilz. W modelu wykorzystano sprzężenia wielofizyczne, aby uwzględnić oddziaływanie drgań sprężystych w materiale piezoelektrycznym emiterów i fal akustycznych w wodzie, natomiast akustyka skalarna jest obliczana metodą elementów brzegowych. Model ułatwia obliczanie i wizualizację mechanicznego x-ki i wzoru wiązki projektowanego sonaru.

Model do obliczania drgań w klasycznej pięciobiegowej zsynchronizowanej skrzyni biegów oraz hałasu generowanego w otoczeniu. Niestacjonarne badanie dynamiki wieloobiektowej pozwala na obliczenie drgań skrzyni biegów przy danej prędkości obrotowej silnika i przy zadanym obciążeniu zewnętrznym. Analiza akustyczna zapewnia obraz rozkładu poziomu ciśnienia akustycznego zarówno w bliskiej, jak i dalekiej strefie.

Aby zasymulować klasyczne zjawiska akustyczne, takie jak rozpraszanie, dyfrakcja, emisja i propagacja fal dźwiękowych, w pakiecie dostępnych jest szereg interfejsów z grupy „akustyka skalarna”. W przypadku problemów w dziedzinie częstotliwości równanie Helmholtza jest wykorzystywane do badań w dziedzinie czasu, klasyczne równanie fali skalarnej.

Opracowano szeroki zakres warunków brzegowych i jest on gotowy do użycia do opisu wpływu na granice. Na przykład można dodać warunek brzegowy, aby opisać odbicie od ściany lub warunek impedancji dla warstwy porowatej. Emitery można dodać do wewnętrznych i zewnętrznych granic, na przykład w celu ustawienia przyspieszenia akustycznego, prędkości, przemieszczenia lub ciśnienia. Ponadto można użyć warunków promieniowania (typu Sommerfelda) lub okresowych warunków brzegowych typu Floquet, aby zdefiniować otwarte lub okresowe granice.

Fizyczne interfejsy z grupy „Scalar Acoustics” pozwalają na symulację propagacji dźwięku w złożonych środowiskach, na przykład w materiałach porowatych. Aby obliczyć straty w materiałach porowatych i włóknistych, można zastosować jeden z kilku uśrednionych modeli, na przykład model Delaneya-Bazleya lub model Johnsona-Shampoo-Allarda. Straty cieplne i lepkie w wąskich obszarach na styku sztywnych ścian w wąskich falowodach o stałym przekroju można uwzględnić za pomocą równoważnego modelu Narrow-Region Acoustics.

Możesz również obliczać i wizualizować zewnętrzne pola w modelach z otwartymi granicami zarówno w polu bliskim, jak i dalekim. Wykresy biegunowe i wzorce promieniowania pomagają w wizualizacji wrażliwości przestrzennej i odpowiedzi przestrzennych.

Interfejsy grupowe akustyki skalarnej:

• Akustyka ciśnieniowa, domena częstotliwości (Akustyka skalarna, domena częstotliwości)
• Zaprojektowany do rozwiązywania problemów opisanych równaniem Helmholtza z uwzględnieniem różnych inżynierskich sformułowań warunków brzegowych i modeli materiałowych płynów
• Dostępna jest analiza częstotliwości drgań własnych w celu obliczenia trybów akustycznych systemu i trybów drgań
• Przeznaczony do badań dynamiki propagacji sygnałów akustycznych o dowolnym kształcie w przestrzeni
• Akustyka w trybie granicznym (Akustyka modów granicznych)
• Obliczanie modów propagacyjnych i tłumionych w falowodach i kanałach
• Akustyka ciśnienia, element brzegowy (akustyka skalarna, metoda elementów brzegowych)
• Efektywne rozwiązywanie problemów promieniowania i rozpraszania w oparciu o metodę elementów brzegowych
• W połączeniu z interfejsami opartymi na metodzie elementów skończonych opisującymi np. Drgania ciał stałych i struktur, m.in. materiały piezoelektryczne
• Akustyka ciśnienia, z określeniem czasu (Akustyka skalarna, bezpośrednie rozwiązanie w dziedzinie czasu
• Wykorzystuje nieciągłą metodę Galerkina do obliczania niestacjonarnej propagacji dźwięku w pomieszczeniach oraz do efektywnego modelowania (pod względem wykorzystania zasobów obliczeniowych) dużych problemów rozpraszania.

Obszary zastosowania:

• Tłumiki i pochłaniacze dźwięku
• Głośniki
• Emisja hałasu ze sprzętu
• Akustyka wnętrza samochodu
• Formy drgań pomieszczeń i konstrukcji budowlanych
• Pochłaniacze dźwięku i dyfuzory
• Problemy z rozpraszaniem

Obliczanie właściwości akustycznych tłumika z porowatym materiałem dźwiękochłonnym wzdłuż ścian. Analiza harmoniczna uwzględnia straty systemowe. Obraz przedstawia przepływ energii (intensywność) i wizualizowane izopowierzchnie amplitudy ciśnienia wewnątrz urządzenia.

Głośnik z obudową typu bass reflex umieszczoną na nieskończonej akustycznie sztywnej płaszczyźnie. Ten problem promieniowania jest modelowany za pomocą hybrydowego podejścia FEM-BEM: głośnik jest odtwarzany za pomocą powłok opisanych metodą elementów skończonych, akustykę obszarów wewnętrznych modeluje się również metodą elementów skończonych, a przestrzeń zewnętrzną i promieniowanie symuluje się metodą elementów brzegowych. Przedstawiono rozkład poziomu ciśnienia akustycznego przy częstotliwości 3000 Hz.

Za pomocą modułu Akustyka można zasymulować wzajemne oddziaływanie akustyki i mechaniki konstrukcji w określonym urządzeniu lub konstrukcji. Gotowe do użycia interfejsy umożliwiają eksplorację efektów wibroakustycznych i automatyczne łączenie obszarów cieczy lub gazu (płynu) ze strukturą stałą. Berło Solidna mechanika (Rigid Body Mechanics) wykorzystuje kompletne sformułowania do opisu dynamiki ciał sztywnych, do modelowania propagacji fal poprzecznych i poprzecznych w ciałach stałych, a także drgań sprężystych. Oddzielny interfejs Fale poroelastyczne (Poroelastic Waves) symuluje sprzężoną propagację fal sprężystych i podłużnych w materiałach porowatych w oparciu o równania Biota.

Złącza multifizyczne ułatwiają łączenie obszarów porowatych, obszarów stałych, materiałów piezoelektrycznych i obszarów wypełnionych płynem w jednym modelu do obliczania i projektowania rzeczywistych urządzeń. Właściwości harmoniczne i rezonansowe struktur stałych można obliczyć biorąc pod uwagę naprężenia i dwukierunkową komunikację z akustyką płynu.

Obszary zastosowania:

• Wpływ drgań mechanicznych na działanie tłumików
• Elementy głośnikowe
  • Obudowy głośników
  • Głośniki i inne emitery
• Wyposażenie mechaniczne
• Wibroakustyka
• Słuchawki
• Izolacja akustyczna i przenoszenie dźwięku w materiałach budowlanych

• Przetworniki piezoelektryczne
  • Przetworniki ultradźwiękowe
  • Liniowe kratki chłodnicy
  • Przetworniki hydroakustyczne (sonary)
  • Tablice sonarów
• Szczegółowe modelowanie materiałów porowatych i fal poroelastycznych (teoria Biota)
• Zadania dotyczące opinii

Analiza harmoniczna pracy głośników w falowniku pozwala określić czułość osiową i przestrzenną. W modelu tym, w ramach pojedynczego obliczenia, łączy się obliczenia powłoki mechanicznej i akustyki skalarnej za pomocą wstępnie skonfigurowanego sprzężenia wielofizycznego.

Badając charakterystykę częstotliwościową przetwornika typu Tonpilz, można ustalić i określić wszystkie kluczowe charakterystyki akustyczne i mechaniczne danego urządzenia: odkształcenia i naprężenia w urządzeniu, emitowany sygnał akustyczny, poziom ciśnienia akustycznego, charakterystyka promieniowania dalekiego pola, współczynnik przenoszenia napięcia oraz kierunkowość wiązki dźwiękowej ...

Wykorzystując zasady akustyki geometrycznej, zaimplementowane w pakiecie oprogramowania COMSOL ®, można badać układy wysokoczęstotliwościowe, w których długość fali dźwięku jest znacznie mniejsza niż ich charakterystyczne wymiary geometryczne. Funkcjonalność ta jest przydatna do analizy akustycznej wnętrz samochodów, pomieszczeń i budynków, na przykład sal koncertowych, a także do symulacji propagacji dźwięku pod wodą i do atmosfery.

Obszary zastosowania:

• Akustyka pomieszczeń
• Akustyka sali koncertowej
• Podwodna hydroakustyka
• Akustyka wnętrza samochodu
• Rozprzestrzenianie się dźwięku w otwartych przestrzeniach
• Akustyka atmosferyczna

Model do obliczania akustyki małej sali koncertowej za pomocą interfejsu Akustyka promieniowa (Akustyka geometryczna). Na krawędziach hali określono właściwości absorpcyjne jako funkcje częstotliwości i właściwości rozpraszania. Odpowiedź impulsową uzyskuje się w oparciu o wyspecjalizowaną opcję przetwarzania końcowego.

Berło Równanie przenikania akustycznego pozwala znaleźć ustalony rozkład poziomu ciśnienia akustycznego (lub gęstości energii akustycznej) dla danego źródła dźwięku znajdującego się w dwukondygnacyjnym budynku. Solver wartości własnych oblicza czasy pogłosu w każdym pomieszczeniu w budynku. Krzywe zaniku energii można znaleźć za pomocą badania niestacjonarnego.

Można efektywnie rozwiązywać problemy związane z aeroakustyką obliczeniową (CAA), korzystając z dwuetapowego podejścia zaimplementowanego w module Akustyka. W pierwszym etapie przepływ uśredniony w tle jest obliczany za pomocą narzędzi modułu CFD lub profil przepływu jest ustawiany ręcznie przez użytkownika; na drugim etapie rozwiązany zostaje problem rozchodzenia się dźwięku. To podejście jest również określane jako akustyka konwekcyjna lub modelowanie hałasu przepływu.

Dostępne są następujące stabilizowane receptury elementów skończonych:

• Zlinearyzowane równania Naviera-Stokesa (zlinearyzowane równania Naviera-Stokesa)
• Zlinearyzowany Euler
• Zlinearyzowany przepływ potencjalny

Te sformułowania naturalnie uwzględniają rozchodzenie się dźwięku w strumieniu, konwekcję, tłumienie, odbicie i dyfrakcję fal akustycznych w strumieniu. Możliwe jest również przeprowadzenie analizy FSI interakcji płyn-struktura w dziedzinie częstotliwości przy użyciu predefiniowanych zależności z interfejsami do obliczania stałych struktur sprężystych.

Obszary zastosowania:

• Hałas silnika odrzutowego
• Tłumiki, w tym z wątkiem w tle
• Przepływomierze
• Przepływomierze Coriolisa
• Analiza ekranów antywibracyjnych, konstrukcji dźwiękochłonnych i perforowanych w obecności przepływu
• Niestabilność spalania

Analiza akustyczna rezonatora Helmholtza i wpływ uśrednionego strumienia w modelu za pomocą interfejsu Zlinearyzowany Navier-Stokes, domena częstotliwości (Zlinearyzowane równania Naviera-Stokesa, domena częstotliwości). W modelu przy obliczaniu charakterystyk akustycznych rezonatora uwzględniane są efekty konwekcyjne w przepływie oraz tłumienie wywołane turbulencjami.

Symulowane jest pole akustyczne osiowo-symetrycznej komory wlotowej samolotu turbowentylatorowego, wytwarzane przez źródło hałasu na granicy. Wyniki symulacji uzyskano dla przypadków uwzględnienia ściśliwego irrotacyjnego przepływu tła i bez niego, a także sztywnych ścian i ścian z powłoką dźwiękochłonną.

W celu dokładnej analizy rozchodzenia się dźwięku w małych geometriach konieczne jest uwzględnienie strat związanych z lepkością i przewodnością cieplną, w szczególności strat w lepkiej i cieplno-akustycznej warstwie granicznej. Efekty te są automatycznie uwzględniane w równaniach, które są rozwiązywane przez interfejsy z grupy Akustyka termowizyjna.

Interfejsy te doskonale nadają się do obliczania modeli wibroakustycznych w miniaturowych przetwornikach elektroakustycznych: mikrofony, urządzenia mobilne, aparaty słuchowe i urządzenia mikroelektromechaniczne. Do szczegółowego modelowania przetworników można wykorzystać wbudowane sprzężenia wielofizyczne między strukturami stałymi i obszarami płynnymi, opisane w kategoriach akustyki termowizyjnej.

Interfejs uwzględnia również dodatkowe efekty związane np. Z przejściem z trybu adiabatycznego na izotermiczny przy niskich częstotliwościach. Oddzielny interfejs umożliwia obliczanie i wykrywanie trybów propagacji i tłumienia dla wąskich falowodów i kanałów.

Obszary zastosowania:

• Urządzenia mobilne
• Przetworniki miniaturowe
• Systemy mikroelektromechaniczne
• Aparaty słuchowe
• Mikrofony
• Materiały i płyty perforowane

Zbalansowany odbiornik armaturowy Knowles ED23146 w standardowych pomiarach. Wyniki symulacji dla tego miniaturowego głośnika są znacznie lepiej zgodne z danymi empirycznymi firmy Knowles przy uwzględnieniu strat akustycznych w systemie.

Interfejsy grupowe Ultradźwięk (Ultradźwięki) pozwalają na obliczenie niestacjonarnej propagacji fal dźwiękowych na odległościach dużych w porównaniu do długości fali. Fale akustyczne o częstotliwości, której ucho ludzkie nie słyszy, nazywane są ultradźwiękami. Długość fali ultradźwiękowej jest stosunkowo krótka.

Berło Równanie fali konwekcyjnej, czas jawny (Równanie fali konwekcyjnej, rozwiązywanie jawne) umożliwia numeryczne badanie dużych liniowych problemów akustycznych w dziedzinie czasu, biorąc pod uwagę szerokie spektrum oscylacji i stacjonarny strumień tła. Interfejsy są idealne dla modeli niestacjonarnych z dowolnymi źródłami i polami zależnymi od czasu.

Sformułowanie i schemat projektowania interfejsu jest oparty na nieciągłej metodzie Galerkina i używa solwera z dokładnością do czasu, który wymaga niewielkiej ilości pamięci.

Obszary zastosowania:

• Przepływomierze ultradźwiękowe
• Ultradźwiękowe czujniki czasu przelotu
• Propagacja niestacjonarna sygnały dźwiękowe w obecności przepływu płynu

Główne funkcje i możliwości dostępne w module Akustyka.

Najważniejsze funkcjonalności i zalety modułu Akustyka zostały usystematyzowane i opisane poniżej.

Intuicyjny proces modelowania

Niezależnie od tego, czy używasz samego modułu akustycznego, czy kombinacji różnych produktów COMSOL, symulacja oprogramowania COMSOL® jest zawsze elastyczna, logiczna i prosta. Typowy proces modelowania składa się z kilku kroków:

• Geometria budynku
• Wybór materiałów
• Wybór odpowiedniego interfejsu fizycznego
• Ustalenie warunków brzegowych i początkowych
• Tworzenie siatki elementów skończonych, m.in. automatyczny
• Obliczanie modelu fizycznego
• Wizualizacja wyników

Integracja z innymi platformami oprogramowania

Jeśli chcesz użyć danych tabelarycznych w swoim modelu lub uwzględnić w modelu złożoną geometrię z systemu CAD innej firmy, to jest odpowiedni dla Ciebie moduł integracji. Dzięki produktom LiveLink ™ można zintegrować oprogramowanie COMSOL Multiphysics® z wieloma narzędziami innych firm, takimi jak oprogramowanie MATLAB®, arkusze kalkulacyjne Microsoft® Excel®, Inventor® i wiele innych.

Stosowane metody numeryczne i dostępne typy badań

Oprogramowanie COMSOL ® korzysta z elastycznych i wydajnych solwerów i metod obliczeniowych. Częstotliwości typowe dla zadań akustycznych obejmują kilkadziesiąt lat. Złożoność obliczeniowa obliczeń może silnie zależeć od sformułowania problemu akustycznego. Zatem żadna konkretna metoda lub metoda numeryczna nie jest odpowiednia dla absolutnie wszystkich problemów z tego obszaru.

Moduł Akustyka zawiera cztery różne metody numeryczne: metodę elementów skończonych (MES), metodę elementów brzegowych (BEM), metodę śledzenia promieni i nieciągłą metodę elementów skończonych Galerkina (dG-MES). Różne rodzaje badań uzupełniają zestaw metod numerycznych i pozwalają na wykonanie wszystkich niezbędnych typów analiz. W szczególności moduł obejmuje badania w dziedzinie częstotliwości, badania częstotliwości i trybów własnych, a także badania niestacjonarne w dziedzinie czasu. Dedykowane metody iteracyjne pozwalają rozwiązywać wielofizyczne modele z milionami stopni swobody, łącząc różne podejścia w ramach jednego zadania.

Moduł Akustyka zawiera receptury oparte na następujących metodach:

• Metoda elementów skończonych (MES - MES)
• Najpopularniejsza i wszechstronna metoda, w której dostępna jest dyskretyzacja elementów wysokiego rzędu
• Formuły do \u200b\u200bobliczeń w dziedzinie częstotliwości i w dziedzinie czasu (oparte na rozwiązaniach niejawnych)
• Metoda elementów brzegowych (BEM)
• Całkowe sformułowanie pierwotnych równań wymaga określenia siatki tylko na powierzchniach i granicach
• Dwukierunkowe mostkowanie oparte na MES dostępne dla domen i struktur akustycznych (bryły, powłoki i membrany)
• Metoda nieciągłych elementów skończonych Galerkina (dG-FEM)
• Nieciągła metoda Galerkina oparta na jawnych solwerach
• Przyjazna pamięci metoda niestacjonarnych obliczeń dużych modeli z milionami stopni swobody
• Metody promieniowania (śledzenie promieni)
• Zaprojektowany do rozwiązywania problemów akustycznych przy wysokich częstotliwościach, na przykład problem rozchodzenia się dźwięku pod wodą lub w pomieszczeniach

W module Akustyka dostępne są następujące typy badań:

• Badania w dziedzinie częstotliwości
• Oblicza odpowiedź akustyczną i charakterystykę akustyczną w określonym zakresie częstotliwości
• Badanie stanu przejściowego w dziedzinie czasu
• Obliczenia czasu przelotu
• Propagacja / wzrost / rozprzestrzenianie się końcowych impulsów akustycznych w przestrzeni
• Analiza szerokopasmowych sygnałów akustycznych
• Modelowanie zjawisk nieliniowych
• Badanie częstotliwości naturalnych
• Obliczanie modów i częstotliwości rezonansowych zamkniętych przestrzeni i konstrukcji
• Obliczanie współczynnika jakości i współczynnika strat
• Analiza modalna
• Obliczanie i wykrywanie modów propagacyjnych i tłumionych w falowodach i kanałach

Straty akustyczne

W modelu można łatwo uwzględnić straty akustyczne. Pozwala to na modelowanie np. Materiałów porowatych i włóknistych z wykorzystaniem teorii Biota z interfejsem Fale poroelastyczne (Fale poroelastyczne). Ponadto porowate obszary w interfejsie dla akustyki skalarnej można modelować za pomocą równoważnych modeli materiałów, takich jak Poroakustyka (Poroakustyka). Najnowsze modele to Delany-Bazley, Miki i Johnson-Champoux-Allard. Model może również uwzględniać tłumienie za pomocą klasycznych wzorów analitycznych lub niestandardowych wyrażeń, m.in. oparte na dowodach empirycznych.

Szczegółowe modele uwzględniające straty ciepła i lepkości można tworzyć za pomocą interfejsu Akustyka termowizora (Akustyka termowizyjna). Sformułowanie użyte w interfejsie umożliwia uwzględnienie i skoncentrowanie się w nich wszystkich zjawisk związanych z akustycznymi, lepkimi i termicznymi warstwami granicznymi. Jednocześnie dostępne są wbudowane sprzęgła wielofizyczne z wibrującymi strukturami. W modelach falowodów i innych konstrukcji o stałym przekroju można zastosować uproszczone podejście oparte na uśrednianiu strat w warstwie granicznej, zaimplementowane w modelu materiałowym Akustyka wąskich regionów (Akustyka w wąskich obszarach) dla akustyki skalarnej.

Tłumienie sygnałów akustycznych propagujących się w przepływie płynu z dużymi gradientami prędkości, temperatury lub silnymi turbulencjami można szczegółowo modelować na interfejsach grupowych Zlinearyzowany Navier-Stokes (Zlinearyzowane równania Naviera-Stokesa). Przepływ tła można obliczyć za pomocą modułu Computational Fluid Dynamics (CFD).

Elektroakustyka

Symulując różne przetworniki, można połączyć funkcjonalność modułu akustycznego i modułu AC / DC lub modułu MEMS, aby stworzyć multifizyczne modele elementów skończonych z dwukierunkowym połączeniem między efektami akustycznymi i elektrodynamicznymi. Na przykład magnesy i cewki drgające głośników lub siły elektrostatyczne w mikrofonach pojemnościowych mogą być szczegółowo symulowane. Podczas modelowania złożonych przetworników elektromechaniczno-akustycznych można zastosować uproszczenia oparte na równoważnych obwodach skupionych opartych na obwodach lub elementach mechanicznych. Oba podejścia opierają się na pełnej dwukierunkowej relacji.

Przykłady niektórych zastosowanych zadań:

• Multifizyczne modele głośników z uwzględnieniem efektów mechanicznych i elektrodynamicznych
• Głośnik
• Połączenie rozproszonych modeli emitera i równoważnych modeli skupionych Thiele-Small
• Optymalizacja komponentów magnetycznych za pomocą modułu AC / DC
• Mikrofony
• Konwertery MEMS

Problemy związane z promieniowaniem i tereny otwarte

W akustyce często napotyka się problemy, w których fale akustyczne muszą rozchodzić się w wolnej (otwartej) przestrzeni bez odbicia na zewnętrznych granicach domeny obliczeniowej. Na przykład wymagają tego symulacje czułości przestrzennej przetworników lub obliczenia rozpraszania w zastosowaniach sonarowych. Nieodblaskowe granice w modelu można ustawić za pomocą kilku różnych metod i technik dostępnych w naszym pakiecie. W przypadku prostych zadań można ograniczyć się do warunków brzegowych impedancji lub warunków radiacyjnych na granicy (typu Sommerfelda). W przypadku złożonych przypadków promieniowania lub złożonych zadań wielofizycznych korzystne może być użycie dodatkowych warstw pomocniczych ze specjalnymi ustawieniami.

W przypadku tego ostatniego w module Akustyka dostępnych jest kilka receptur:

• Idealnie dopasowane warstwy (PML), technika ta jest zaimplementowana dla wszystkich modeli i interfejsów dostępnych w pakiecie w dziedzinie częstotliwości
• Doskonale dopasowane warstwy (PML) w dziedzinie czasu, dostępne w interfejsie Akustyka ciśnieniowa, przejściowa (Akustyka skalarna, dziedzina czasu)
• Tak zwane warstwy absorbujące, dostępne w interfejsach opartych na nieciągłej metodzie elementów skończonych Galerkina (dG_FEM) oraz w interfejsie * Zlinearyzowany Euler, Transient * (Zlinearyzowane równania Eulera, domena czasu)

Wykorzystując możliwości multifizyczne i hybrydowe podejście FEM-BEM (połączenie metody elementów skończonych i elementów brzegowych), możliwe jest efektywne rozwiązywanie problemów z otwartą przestrzenią przy użyciu metody elementów brzegowych z wykorzystaniem interfejsu Akustyka ciśnienia, element brzegowy (Akustyka skalarna, metoda elementów brzegowych).

Symulacja oparta na niestandardowych równaniach: zmodyfikuj oryginalne równania lub zdefiniuj niestandardowe sprzężenia wielofizyczne

Aby uzyskać pełną kontrolę nad modelowaniem, możesz użyć modelowania opartego na równaniach do modyfikowania oryginalnych równań i warunków brzegowych bezpośrednio w oprogramowaniu, dostosowując modele do potrzeb badawczych. Na przykład możliwa jest symulacja zjawisk fizycznych, które nie są predefiniowane w module Akustyka jako gotowe interfejsy lub tworzenie nowych sprzężeń multifizycznych. Modele materiałów można modyfikować pod kątem efektów nieliniowych, dodając lub modyfikując równania materiałowe. Możesz także łączyć zjawiska fizyczne z niestandardowymi metodami. Na przykład można połączyć akustykę i obliczeniową dynamikę płynów w celu symulacji przepływów akustycznych lub nieliniowych wirów generowanych przez fale dźwiękowe.

Ponadto dostępne w pakiecie niestandardowe narzędzia do modelowania równań eliminują potrzebę programowania i tworzenia niestandardowych kodów projektowych od podstaw, zapewniając znacznie większą elastyczność i skracając czas poświęcany na modelowanie i badania.

Aplikacje symulacyjne: Uprość przepływ pracy i współpracę ze współpracownikami i klientami

Pomyśl, ile czasu i wysiłku mógłbyś zainwestować w nowe projekty, gdybyś nie musiał uruchamiać tych samych modeli i wykonywać tego samego rodzaju obliczeń dla innych kolegów, którzy są mniej zaznajomieni z modelowaniem numerycznym w ogóle, a pakietem w szczególności. Dzięki narzędziu do tworzenia aplikacji wbudowanemu w pakiet oprogramowania COMSOL Multiphysics® można tworzyć aplikacje symulacyjne w oparciu o modele COMSOL, które upraszczają proces symulacji, ograniczając zmiany danych wejściowych i kontrolując dane wyjściowe, uzyskując tylko wyniki pożądane przez użytkownika końcowego. Dzięki nim Twoi koledzy będą mogli samodzielnie przeprowadzić standardowe obliczenia.

Interfejs aplikacji symulacyjnych ułatwia zmianę danych wejściowych lub danych projektowych, takich jak impedancja akustyczna, i monitorowanie wpływu zmian bez przebudowywania i modyfikowania całego modelu. Dzięki aplikacjom możesz przyspieszyć proces przeprowadzania własnych badań. Możesz także udostępniać swoje aplikacje współpracownikom, aby mogli wykonywać własne obliczenia, oszczędzając Twój czas i energię na inne zadania.

Proces tworzenia i używania aplikacji symulacyjnych jest bardzo prosty:

• Utwórz prosty GUI (aplikację) dla swojego złożonego modelu akustycznego
• Dostosuj aplikację do swoich potrzeb, wybierając żądane wejścia i wyjścia, które będą dostępne dla użytkowników
• Użyj COMSOL Server ™ do zdalnego przechowywania i organizowania aplikacji oraz udostępniania ich współpracownikom i / lub klientom
• Twoi koledzy i / lub klienci będą mogli bez Twojej pomocy przeprowadzić standardowe obliczenia i projekty określone we wniosku

Korzystając z funkcjonalności aplikacji symulacyjnych, możesz zapewnić dostęp do obliczeń numerycznych i projektowania swoim współpracownikom w dziale lub laboratorium, całej organizacji jako całości, studentom i doktorantom, klientom i klientom.

Aplikacja do obliczania odbić akustycznych utworzona w COMSOL Multiphysics Application Builder z wykorzystaniem modułu Acoustics.

Symulacja numeryczna boomu dźwiękowego w pakiecie oprogramowania ANSYS CFX

Dr, czołowy badacz w TsAGI im prof. NIE. Żukowski.

Dr, Kierownik Katedry, TsAGI nazwany na cześć prof. NIE. Żukowski.

Artykuł analizuje metodologię obliczania fali dźwiękowej na ziemi, wywołanej przez naddźwiękowy samolot pasażerski. Przeprowadzane jest porównanie wyników uzyskanych za pomocą pakietu oprogramowania ANSYS CFX z danymi eksperymentalnymi. W celu operacyjnego wykorzystania kodu przemysłowego ANSYS CFX opracowano makro, zawarte organicznie w interfejsie oprogramowania, co pozwoliło znacznie uprościć procedurę obliczania boomu dźwiękowego.

Jednym z głównych zadań, jakie stoją przed projektantami naddźwiękowych samolotów pasażerskich, jest zminimalizowanie natężenia fali dźwiękowej, która nieuchronnie towarzyszy lotom naddźwiękowym. Podstawą konstrukcji samolotu naddźwiękowego o obniżonej intensywności bomu dźwiękowego jest bezpośrednie obliczenie wykresu fali dźwiękowej na ziemi dla danego trybu lotu (wysokość, prędkość) oraz parametrów geometrycznych samolotu.

Metoda obliczania boomu dźwiękowego obejmuje rozwiązanie dwóch problemów: problemu wyznaczenia pola bliskiego w pobliżu układu samolotu oraz problemu propagacji fali dźwiękowej z atmosfery na powierzchnię Ziemi. Aby rozwiązać problem przepływu, warto rozważyć możliwość zastosowania najdokładniejszych równań, które usuwają wszelkie ograniczenia kształtu ciała w przepływie, reżimach przepływu (separacja lub strefy poddźwiękowe) i umożliwiają symulację pracy prawdziwego silnika. Głównym celem pracy jest opracowanie metody obliczania boomu dźwiękowego na podstawie rozwiązania równań Naviera-Stokesa uśrednionych według Reynoldsa. Jako system implementujący rozwiązanie równań Naviera-Stokesa uśrednionych metodą Reynoldsa zastosowano pakiet oprogramowania ANSYS CFX (umowa licencyjna TsAGI nr 501024), który został dostosowany do obliczeń boomu dźwiękowego i przetestowany na przykładach testowych.

Nowoczesne systemy oprogramowania oparte na zasadach równoległego obliczania równań Naviera-Stokesa mają złożoną strukturę modułową i oprócz głównego modułu solvera zawierają szereg narzędzi programowych, które umożliwiają sprawne wykonywanie eksperymentów obliczeniowych na przepływie gazu lub cieczy wokół obiektu o złożonej konfiguracji. Podstawowe zasady działania nowoczesnego oprogramowania do obliczeniowej dynamiki płynów, takiego jak ANSYS CFX i ANSYS Fluent, przedstawiono na rys. 1.

samolot

Przy obliczaniu boomu dźwiękowego, czyli określając zakłócenia na powierzchni Ziemi wywołane przez samolot lecący z prędkością ponaddźwiękową, trójwymiarowe pole przepływu można podzielić na dwie strefy:

• strefa 1 o charakterystycznym rozmiarze r rzędu długości ciała L (r ~ L);
• strefa 2 o charakterystycznej wielkości rzędu R wysokość lotu H (R ~ H).

Zazwyczaj H \u003e\u003e L (na przykład, jeśli wysokość wynosi 15 000 m, a długość samolotu 50 m, to H / L=300).

W opisywanym sformułowaniu konieczne jest rozwiązanie dwóch problemów: jeden z nich tworzy dane początkowe w trójwymiarowym przepływie, a drugi oblicza propagację zaburzenia z ciała na powierzchnię Ziemi.

W pierwszym etapie należy obliczyć przepływ wokół zespołu samolotu i znaleźć parametry przepływu wokół niego (rys. 2). Powierzchnia S1 jest granicą między zakłóconym i niezakłóconym przepływem (stożek Macha), płaszczyzną S2, równolegle do prędkości padającego strumienia, znajduje się pod ciałem, ale go nie dotyka. Samoloty S3 i S4 są określone przez obwiednie odwróconych stożków Macha wychodzących z segmentu AB.

Specjalnie dla pakietu oprogramowania ANSYS CFX opracowano makro (rys. 3), które w oparciu o metodologię umożliwia obliczenie wykresu boomu dźwiękowego na ziemi na podstawie danych obliczeniowych pola bliskiego. Makro zostało zintegrowane z postprocesorem CFX-Post.

w środowisku ANSYS CFX

Po rozwiązaniu problemu przepływu wokół układu samolotu, aby obliczyć natężenie boomu dźwiękowego, należy przede wszystkim stworzyć w postprocesorze CFX płaszczyznę równoległą do przepływu nadlatującego, która będzie umiejscowiona pod samolotem w jego bezpośrednim sąsiedztwie, ale go nie dotykać (rys.4). Ta płaszczyzna na ryc. 2 odpowiada samolotowi S2... Podanie ta metoda określenie bomu dźwiękowego na ziemi wymaga dokładnego obliczenia rozkładu ciśnienia w samolocie S2... To stawia wysokie wymagania co do jakości siatki obliczeniowej. Podczas jego przygotowania konieczne jest zastosowanie miejscowego szlifowania w obszarze między samolotem (AC) a samolotem S2.

Aby makro działało, musisz ustawić następujące parametry:

• Region wlotowy - powierzchnia graniczna, przez którą przepływ wchodzi w dziedzinę obliczeniową;
• Zhilin Plane - samolot S2;
• Symetria - parametr określający, czy zostanie zastosowany model pełny (pełny), czy jego symetryczna połowa (połowa);
• Wysokość lotu - wysokość lotu statku powietrznego;
• Długość ciała - charakterystyczna długość samolotu;
• Liczba kroków X - liczba kroków wzdłuż osi podłużnej;
• Liczba stopni wysokości - liczba stopni wysokości.

Ostatnie dwa parametry określają stopień dyskretyzacji przestrzeni. Wartości domyślne (odpowiednio 500 i 2000) zapewniają rozwiązanie o dość wysokim stopniu dokładności. Zwiększenie liczby kroków wzdłuż osi podłużnej wymaga dużej ilości pamięci i może prowadzić do nieprawidłowego działania programu.

Postać: 5. Samolot Tu-144: a - widok z tyłu; b - usprawnienia
na powierzchni modelu obliczeniowego i kształcie strumieni dysz

Absolwent MIPT Cho Kyu Chul wykonał zestaw obliczeń testowych dla samolotu Ty-144 (ryc.5 i). Obliczenia wykonano przy użyciu pakietu oprogramowania CFX oraz opracowanego makra. Przy modelowaniu elektrowni Tu-144 konieczne jest również uwzględnienie wpływu dysz silnika na pole zakłócenia samolotu S2 i fabuła boomu dźwiękowego. Na rys. 6 i przedstawia kształt i położenie elektrowni wykorzystanej w tej pracy. Kierunek i kąt otwarcia dyszy pokazano na rys. 6 b... Kierunek strumienia θcd zmienia się w zależności od kąta natarcia i kąta dyszy ( θc)zakłada się, że jest równa wartości optymalnej — 10 .

a - wzór przepływu strumienia; b - dysza

Postać: 7. Wpływ strumienia silnika na wykres boomu dźwiękowego samolotu Tu-144: a - wykres nadciśnienia w fali w kształcie litery N, b - drugi szczyt w eksperymencie

Wyniki obliczeń w porównaniu z danymi eksperymentalnymi przedstawiono na rys. 7. Uwzględniając dysze silnika, tworzy drugi pik na wykresie nadciśnienia (rys. 7 i). W eksperymencie wykres nadciśnienia fali dźwiękowej samolotu Tu-144 ma również drugą, bardziej intensywną wartość szczytową (ryc. b), co może wynikać z wpływu strumieni dysz działających pod kątami wypływu z dyszy, które nie zostały zarejestrowane podczas doświadczenia. Postać: pięć b ilustruje charakter przepływu wokół samolotu Tu-144 z pracującymi silnikami przy projektowych parametrach wypływu odrzutowca.

Stworzone makro, mające zastosowanie do dowolnej wersji ANSYS CFX i organicznie włączone do algorytmu tego kodu przemysłowego, który został przyjęty jako narzędzie do wyznaczania pola bliskiego za pomocą równań Naviera-Stokesa, pozwoliło nam opracować skuteczną procedurę obliczania boomu dźwiękowego na ziemi.

Literatura

1. Zhilin Yu.L., Kovalenko V.V. O wiązaniu pól bliskich i dalekich w problemie boomu dźwiękowego // Uchenye zapiski TsAGI, t. XXIX. 1998. Nr 3 i 4, str. 111-122.
2. Menter F.R., Galpin P.F., Esch T.,
   Kuntz M., Berner C. Symulacje CFD przepływów aerodynamicznych z metodą opartą na ciśnieniu // Paper ICAS 2004-2.4.1. Japonia, Jokohama, 2004.11 s.
3. Vozhdaev V.V., Kovalenko V.V., Teperin L.L., Chernyshev S.L. Metody określania intensywności fali dźwiękowej na ziemi podczas badania układu naddźwiękowego samolotu pasażerskiego // Polet. 2013. Nr 10. C. 17-27.
4. Zavershnev Yu.A., Rodnov A.V. Próby w locie naddźwiękowych samolotów pasażerskich pierwszej generacji za pomocą boomu dźwiękowego // Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna "New Frontiers of Aviation Science" ASTEC'07, Moskwa, 19-22 sierpnia 2007

Wprowadzenie

Światowy trend zwiększania komfortu sprzętu pokładowego dyktuje nowe zasady, teraz sprzęt powinien nie tylko latać - ale latać ekonomicznie, jednocześnie stwarzając jak najmniej niedogodności dla człowieka. Jednym z głównych czynników powodujących dyskomfort jest hałas; przy wartości powyżej 80 dB jest uważany za szkodliwy dla ludzi.

Hałas powietrzny można podzielić na dwie klasy: generowany przez mieszanie się cząstek medium w strumieniu oraz przez strumień ciał stałych. Pierwsza klasa to hałas strumienia, druga to szum przepływu wokół przewodów (tak zwany ton eoliczny), śrub, wentylatorów itp. Hałasy pochodzenia hydrodynamicznego są badane przez hydroakustykę.

W składzie hałasu emitowanego przez wirnik, szum wirowy (lub szerokopasmowy) rozróżnia się szum obrotu łopat oraz trzask łopatek. Chociaż różnica między tymi składowymi nie jest tak duża, jak się początkowo wydaje, taka klasyfikacja jest przydatna do prezentacji wyników.

Stworzenie cichego i wydajnego śmigła jest bardzo poważnym problemem, ponieważ te dwie cechy zwykle różnią się od siebie. Aby opracować takie śruby, konieczne jest użycie nowych materiałów lub pomysłów projektowych.

1. Teoretyczne podstawy dźwięku

Chociaż śmigłowiec jest najcichszym samolotem startującym w pionie, poziom hałasu, jaki generuje, jest nadal dość wysoki. Może to stać się poważną wadą śmigłowca, jeśli nie zostaną podjęte żadne specjalne środki w celu zmniejszenia hałasu podczas procesu projektowania. W miarę zaostrzania się wymagań dotyczących poziomu hałasu statków powietrznych, badanie emisji dźwięku wirnika głównego podczas projektowania śmigłowca nabiera znaczenia. Ze względu na cykliczność przepływu wokół łopat śmigła, widmo hałasu jest zauważalnie skoncentrowane w pobliżu częstotliwości, które są wielokrotnościami częstotliwości NQ przejścia łopatek (rys. 1.1). Emisja hałasu jest spowodowana tym, że składowe sił nośnych i oporu o stałej wielkości obracają się wraz z łopatkami, a także zmianą składowych tych sił o wysokiej częstotliwości. W obszarze wysokich częstotliwości obserwuje się poszerzenie linii widmowych, co wiąże się z przypadkowymi zmianami parametrów przepływu, w szczególności z fluktuacjami obciążeń powstającymi pod wpływem swobodnych wirów. Ciśnienie akustyczne zmienia się w czasie, głównie z okresem n / NQoraz występują ostre piki ciśnienia związane z lokalnymi zjawiskami aerodynamicznymi, takimi jak ściśliwość i wywołane wirami zmiany obciążenia. W składzie hałasu emitowanego przez wirnik, szum wirowy (lub szerokopasmowy) rozróżnia się szum obrotu łopat oraz trzask łopatek. Chociaż różnica między tymi składowymi nie jest tak duża, jak się początkowo wydaje, taka klasyfikacja jest przydatna do prezentacji wyników.

Szum wirowy lub szum szerokopasmowy to świszczący dźwięk o wysokiej częstotliwości, którego częstotliwości i amplitudy są modulowane okresowym sygnałem o częstotliwości przejścia łopatek. Hałas ten ma charakter losowy i jest związany z przypadkowymi zmianami obciążenia łopatek. Energia takiego szumu jest rozłożona na znaczną część słyszalnego widma częstotliwości, które dla wirnika zajmuje około 150 do 1000 Hz, a maksymalnie około 300-400 Hz. (Należy zauważyć, że ludzki zasięg słyszenia wynosi 100-20000 Hz z maksymalną percepcją przy 1000 Hz). Szum wirowy wirnika jest spowodowany głównie przypadkowymi zmianami siły nośnej, spowodowanymi przejściem łopaty w burzliwym śladzie. Wiry końcowe odgrywają szczególną rolę w jego tworzeniu. Inne źródła szumu wirowego obejmują zmiany sił działających na łopatki spowodowane poprzecznymi wirami opadającymi z krawędzi spływu, turbulencjami swobodnego przepływu oraz separacją i turbulencjami warstwy granicznej. (Zwróć uwagę, że sama nazwa „szum wirowy” odzwierciedla początkową koncepcję jego połączenia ze ścieżką poprzecznych wirów, podobną do tej, która powstaje podczas przepływu wokół cylindra. Maksymalne natężenie hałasu obrotowego przypada na bardzo niskie częstotliwościtak, że kilka niskich harmonicznych może w ogóle nie znajdować się w słyszalnym zakresie. Tak więc, jeśli przeważa hałas rotacji, nie jest to najbardziej nieprzyjemny przypadek percepcji. Jeśli chodzi o percepcję, często dominuje szum wirowy.

Rysunek 1.1 - Widmo hałasu głównego wirnika

Hałas związany z obrotem jest określany przez czysto okresową zmianę ciśnienia akustycznego wywołaną okresową siłą łopatek w powietrzu. Widmo takiego szumu składa się z dyskretnych linii częstotliwości, które są wielokrotnościami częstotliwości NQ mijanie ostrzy. W niskoczęstotliwościowej części widma dominuje szum rotacyjny, który w przypadku wirnika odpowiada częstotliwościom, które nie są odbierane. Hałas obrotowy może powodować wibracje konstrukcji helikoptera i uszkodzenia zmęczeniowe. Ponadto hałas o niskiej częstotliwości dobrze rozprzestrzenia się w atmosferze, podczas gdy wysokie harmoniczne osłabiają się szybciej wraz z odległością od helikoptera. Dlatego przy dużych odległościach od śmigłowca największe znaczenie mają klaskanie łopat i hałas obracający się wirnika. Śmigłowiec jest zwykle wykrywany akustycznie przez hałas obracającego się wirnika.

Hałas jest mierzony w specjalnych jednostkach - decybelach (dB), określanych przez stosunek

1 dB \u003d 10 lg

Zastosowano skalę logarytmiczną, ponieważ lepiej odzwierciedla ona różnice w rzędach wielkości sygnałów audio oraz zdolność słyszenia do reagowania na szum proporcjonalnie do logarytmu jego mocy. Intensywność strumienia energii akustycznej w danym punkcie pola jest określona wartością

gdzie Rjest zaburzeniem ciśnienia i jest prędkością zakłóconego ruchu ośrodka. Wartość chwilowa to energia wyemitowana na jednostkę powierzchni. W polu dalekim zakłócona prędkość i ciśnienie są powiązane zależnością, tak że intensywność strumienia energii jest określona przez wyrażenie

gdzie jest prędkością dźwięku, jest średnią wartością gęstości powietrza, jest średnią kwadratową wartości ciśnienia akustycznego. Zatem intensywność promieniowania akustycznego jest określana przez wartość średniego ciśnienia kwadratowego. Narządy słuchu i konstrukcja samolotu reagują na odchylenie ciśnienia od ciśnienia atmosferycznego. Dlatego hałas charakteryzuje się poziomem ciśnienia akustycznego SPL (Poziom ciśnienia akustycznego), mierzony w decybelach w stosunku do ciśnienia odniesienia SPL=20 lg.

Zwykle przyjmuje się ciśnienie odniesienia. Zatem krzywą gęstości widmowej średniego ciśnienia kwadratowego można uznać za prawo rozkładu częstotliwości energii dźwięku.

aerodynamiczna końcówka dźwięku łopatek

2. obliczenia dźwięku

2.1 Wybór metody obliczeniowej

Aby obliczyć dźwięk, jak wynika z rozdziału 1, konieczne są dane empiryczne uzyskane z eksperymentów dmuchania. Proces czyszczenia jest bardzo kosztowny, dlatego zdecydowano się na użycie programu symulującego wszystkie te procesy.

Jednym z tych programów jest Ansys i jego moduł CFX.

Ansys - pakiet oprogramowania wykorzystujący do obliczeń metodę elementów skończonych.

CFX- moduł pakietu oprogramowania ANSYS w tym obliczenia charakterystyk aerodynamicznych.

2.2 Dobór profilu łopatki

Do obliczeń modyfikacja profilu jest wybierana z atlasu profili ClarkY-15, których cechy podano w tabeli 2.2.1. Wybór uzasadniony jest tym, że profil jest dość prosty i nie sprawi trudności w jego modelowaniu 3 re.

Tabela 2.2.1 - Charakterystyka profilu Modyfikacja Clark Y-15

W którym K. max-maksymalna jakość aerodynamiczna profilu, do ymax - maksymalny współczynnik siły nośnej, do xmin- współczynnik minimalnego oporu, do m 0 jest wartością współczynnika momentu wzdłużnego przy do y=0.

Rysunek 2.2.1 - Wykres zmiany uniesienia skrzydła od kąta natarcia

Rysunek 2.2.2 - Profil łopaty

Jak widać na rys. 2.2.2, modelowany profil jest podobny, ale nie identyczny z profilem TsAGI, więc można zauważyć, że spowoduje to pewien błąd obliczeniowy

2.3 Obliczanie profilu łopatki

2.3.1 Definicja dziedziny obliczeniowej

Z powodu braku danych dźwiękowych przeanalizujemy przepływ wokół ostrza w Ansys CFXw celu określenia dokładności modelu i obiektów jego uszlachetnienia, podczas gdy symulowane będzie doświadczenie dmuchania profilu ClarkY-15 w tunelu aerodynamicznym T-1 zlokalizowanym w TsAGI.

Charakterystykę geometryczną łopatki przedstawiono w tabeli 2.2.1.

Dziedzina obliczeniowa jest wybierana zgodnie z tunelem aerodynamicznym T-1 używanym przez TsAGI.

Tabela 2.3.1.1 - Geometria dziedziny obliczeniowej

2.3.2 Określenie warunków brzegowych

Jak wspomniano wcześniej, Ansys CFX opiera się na metodzie elementów skończonych, tj. Do rozwiązywania równań konieczne jest wprowadzenie warunków brzegowych (aby równania były definiowalne), a mianowicie warunek na wejściu i wyjściu z domeny obliczeniowej, właściwości ośrodka.

Po sporządzeniu warunków obliczeń wprowadzimy je do tabeli 2.3.2.1, podczas gdy konieczne jest kierowanie się atlasem i podręcznikami metodologicznymi dla ZANSYS.

Tabela 2.3.2.1 - Warunki brzegowe

Prędkość przepływu została wybrana na wyższą niż w eksperymencie, co w żaden sposób nie wpłynie na wyniki, przy czym zapewniona jest wyższa liczba Reynoldsa i model zbliża się do rzeczywistych warunków lotu.

Rysunek 2.3.2.1 - Obszar obliczeń

Rysunek 2.3.2.1 przedstawia dziedzinę obliczeniową.

W środku, na początku, znajduje się profil ostrza. Aby przyspieszyć obliczenia, tylko połowa rury i łopatki jest modelowana względem płaszczyzny symetrii, co również zmniejsza o połowę zasoby używane przez program.

2.3.3 Tworzenie siatki i obliczenia

Podczas tworzenia siatki brane są pod uwagę parametry dla siatki ogólnej (rysunek 2.3.3.1), dla lokalnej siatki szlifierskiej (rysunek 2.3.3.3) i warstwy granicznej (rysunek 2.3.3.4).

Rysunek 2.3.3.1 - Ogólne parametry siatki.

Rysunek 2.3.3.2 - Menu definicji siatki.

Rysunek 2.3.3.3 - Tworzenie lokalnego podziału siatki.

Rysunek 2.3.3.4 - Wyznaczanie warstwy granicznej.

Przy określaniu optymalnych wymiarów całej siatki przeprowadzimy obliczenia przy różnych wartościach z sekwencyjnym zmniejszaniem rozmiaru siatki, wzrostem liczby komórek.

min rozmiar\u003d 1 mm

Maksymalny rozmiar twarzy\u003d 70 mm, największy rozmiar\u003d 200 mm.

							z,kg / m 3

Tabela 2.3.3.1 - Wartości aerodynamiki z parametrami sieci min rozmiar\u003d 1 mm

Max twarzrozmiar\u003d 50 mm, największy rozmiar\u003d 100 mm.

	Py, H.	Px, H.			S, m 2		z,kg / m 3

W tym przypadku błędy dla kąta 0? są wymienione w tabeli 2.3.3.2.

Tabela 2.3.3.2 - Błąd określania.

Na podstawie tabeli 2.3.3.2 ustalamy, że aby zwiększyć dokładność obliczeń, konieczne jest zastosowanie drobniejszej siatki. Z parametrami Maks twarz rozmiar\u003d 50 mm, max rozmiar\u003d 100 mm.

Aby określić wielkość warstwy granicznej, konieczne jest wykreślenie prędkości na wysokości nad profilem.

Rysunek 2.3.3.5 - Wykres rozkładu prędkości na granicy profilu

a - teoretyczne wartości prędkości na granicy z ciałem

b- uzyskane wartości prędkości na granicy z ciałem

Na podstawie danych możemy powiedzieć, że grubość warstwy granicznej wynosi około 18-12,77 \u003d 5,23 mm, gdzie 12,77 mm to wysokość profilu łopatki.

2.3.4 Wyznaczanie stref zgniotu siatki

Na podstawie rozkładu nacisków w obszarze roboczym definiujemy strefy szlifowania siatki.

Rysunek 2.3.3.1 - Rozkład ciśnienia w obszarze roboczym.

Rysunek 2.3.3.2 - Strefy podziału siatki.

Wymiary strefy wewnętrznej wynoszą 625 x 100 x 900 mm, strefa zewnętrzna 1000 x 400 x 900 mm wzdłuż ściany zewnętrznej i 800 x 120 x 900 mm wzdłuż ściany wewnętrznej.

Wielkość komórek w obszarze wewnętrznym wynosi 8 mm, w obszarze zewnętrznym 12,5 mm. Siatkę udoskonalono również na powierzchni ostrza poprzez wprowadzenie parametru twarz dobór o wartości 2mm. Liczba komórek w obliczeniach wyniosła 8,12 miliona.

Y+ według którego sprawdzana jest adekwatność modelu sieci na obszarach lokalnych sięga 66.

Rysunek 2.3.3.3 - Dystrybucja Y+ wzdłuż profilu łopatki.

Y+ - bezwymiarowy parametr charakteryzujący warstwę graniczną, odległość od pierwszej warstwy granicznej do ściany.

Dla kąta 4? uzyskał następujące dane przedstawione w tabeli 2.3.3.1.

Tabela 2.3.3.1 - Wyniki obliczeń dla kąta 4 °.

Sprawdźmy wyniki na większym modelu siatki.

Rozmiar oczek wynosi 15 mm po wewnętrznej stronie i 30 mm po zewnętrznej stronie.

Ponadto siatka została udoskonalona na powierzchni łopatki poprzez wprowadzenie parametru twarz dobór o wartości 5 mm.

Liczba komórek w obliczeniu wyniosła 2,14 miliona, czyli znacznie mniej i przyspiesza czas obliczeń.

Przy tych parametrach wartość współczynnika Y+ według którego sprawdzana jest adekwatność modelu sieci na obszarach lokalnych sięga 58.

Rysunek 2.3.3.4 - Dystrybucja Y+ wzdłuż profilu grubszą siatką.

Tabela 2.3.3.2 - Wartości wyników z grubszą siatką.

Zgodnie z tabelami 2.3.3.1 i 2.3.3.2, błąd obliczeniowy dla podnoszenia wynosi

Zatem błąd przyjmuje niskie wartości i nie ma potrzeby tworzenia zbyt drobnej siatki.

Rysunek 2.3.3.5 - Przyjęta siatka obliczeniowa.

2.3.4 Obliczanie charakterystyk profilu

Obliczmy charakterystykę profilu za pomocą skonstruowanych modeli dla kątów od 0? do 16 °.

Tabela 2.3.4.1 - Obliczanie profilu.

Przeanalizujmy wyniki zgodnie z charakterystyką uzyskaną w TsAGI.

Rysunek 2.3.4.1 - Jakość płata

Rysunek 2.3.4.2 - Opór czołowy profilu.

Rysunek 2.3.4.3 - Siła podnoszenia profilu.

Rysunek 2.3.4.4 - Charakterystyka profilu według TsAGI.

Na podstawie rysunków 2.3.4.1-2.3.4.4 można stwierdzić, że wynik zawiera błąd związany z metodologią obliczeń, założeniami wprowadzonymi do modelu turbulencji, a także największy błąd związany z niedokładnością geometryczną profili, stąd można stwierdzić, że przy Podczas projektowania konieczne jest stosowanie atlasów, które mają większą liczbę współrzędnych profilu (a nie 2, jak w atlasie TsAGI).

2.4 Obliczenie dźwięku

Przy obliczaniu dźwięku stosuje się 3 modele ostrzy. Łopatka bez zmodyfikowanej końcówki, łopatka z końcówką Lingletta, łopatka z końcówką poziomą. Na podstawie obliczeń planuje się określić wpływ zmian w konstrukcji końcówki płata na jego właściwości aerodynamiczne i hałas.

Przy obliczaniu dźwięku stosuje się 3 modele ostrzy. Ostrze bez zmodyfikowanej końcówki, ostrze z końcówką typu lingletta, ostrze z poziomą końcówką (patrz rysunek 2). Na podstawie obliczeń planuje się określić wpływ zmian konstrukcji końcówki na hałas i właściwości aerodynamiczne płata. Przy tworzeniu modelu wykorzystuje się wcześniej obliczony profil. Podstawowe właściwości aerodynamiczne Cx - współczynnik oporu powietrza, Su - współczynnik siły nośnej, do - którego właściwości aerodynamiczne podano w tabeli 1.

Tabela 2.4.1 - Charakterystyka aerodynamiczna płata uzyskana w Ansys.

Rysunek 1 - Profil łopaty

a- Atlas TsAGI, b- Model w Ansys

Na podstawie danych z profili w atlasie opracowywany jest model geometryczny.

Rysunek 2 - Model ostrza

a-model z poziomą końcówką, typ b-linglett.

Obliczenie hałasu odbywa się dla trybu na ziemi w odległości 1, 150 m od helikoptera. Kąt lemiesza przyjmuje się jako 10? oparty na fakcie, że w trybie startu na śmigłowcach przyjmuje mniej więcej te same wartości. Obliczenia zostaną przeprowadzone według tej samej zasady co poprzednio.

Tabela 3- Warunki brzegowe

Rysunek 3 - Obliczony obszar.

Dziedzina obliczeniowa ma następujące wymiary:

Wysokość 4m

Promień 6m

Kąt cięcia bocznych powierzchni 30?

Odległość od osi do cięcia powierzchni bocznych wynosi 2m.

Podczas tworzenia siatki na powierzchni łopatki powstaje warstwa graniczna, która przy obliczaniu właściwości aerodynamicznych profilu jest równa warstwie granicznej, 5,23 mm, liczba warstw n\u003d 10 warstwa przyścienna jest pobierana z zaleceń źródła.

Szlifowanie siatki odbyło się w strefach o większej powierzchni 160X900mm w części wewnętrznej, 800X3000mm w części zewnętrznej, natomiast zdecydowano się na zwiększenie głębokości szlifowania do 2000mm dzięki dodaniu grotów.

Rysunek 2.4.2 - Strefy szlifowania siatki

Biorąc pod uwagę szybkość obliczeń, zwiększono rozmiary komórek.

Rysunek 2.4.3 - Wymiary całej siatki

Rysunek 2.4.4 - Rozmiar oczka obszaru wewnętrznego.

Rysunek 2.3.5 - Rozmiar oczka obszaru zewnętrznego.

Rysunek 2.3.6 - Rozmiar warstwy granicznej.

Całkowita liczba ogniw wyniosła 1 900 000. W trakcie obliczeń uzyskano częstotliwość dźwięku obracania oraz poziom ciśnienia akustycznego.

Rysunek 5 - Wykres zmiany dźwięku różnych łopatek w odległości 1m.

Rysunek 6 - Wykres zmiany dźwięku różnych łopatek w odległości 150 m.

Na podstawie danych liczbowych należy zauważyć, że zmiana konstrukcji dała zarówno pozytywny wpływ na poziom hałasu śmigłowca, zmniejszył się hałas łopatki z końcówką lingletta, jak i negatywnie zwiększył hałas łopaty z końcówką poziomą.

3. Analiza aerodynamiki

Aby określić wpływ na właściwości aerodynamiczne, porównajmy dla trzech łopatek pod względem siły nośnej, rozkładu prędkości, turbulencji.

Tabela 3.1 - Siły działające na ostrze bez końcówki

Tabela 3.2 - Siły działające na ostrze z końcówką Lingletta.

Tabela 3.3 - Siły działające na ostrze z poziomą końcówką

Jak widać z tabel 3.1-3.3, zmiana końcówek profilu silnie wpłynęła na siły działające na łopatki, natomiast siła „-” na osi Y działa na łopatki bez końcówek, co jest najprawdopodobniej związane z tworzeniem się wstecznego przepływu za łopatką, patrz rys. 3.1.

Wzorce przepływu wokół łopatki uzyskane przy zmianie końcówki (patrz rysunki 3.1-3.5) pokazują wpływ zmiany geometrycznej profilu łopatki na właściwości aerodynamiczne, widać, że wraz ze zmianą końcówki wzór przepływu zmienia się dramatycznie, co wskazuje na potrzebę dodatkowych badań w zakresie aerodynamiki i zmian konstrukcyjnych końcówki ostrzy.

Rysunek 3.1 - wektory prędkości za łopatką bez końcówki.

Rysunek 3.2 - Wektory prędkości za łopatką z końcówką Lingletta

Rysunek 3.3 - Wektory prędkości za łopatką z poziomą końcówką

ZX na ostrze bez czubka.

Rysunek 3.4 - Rozkład prędkości w płaszczyźnie ZX do ostrza z poziomą końcówką.

Rysunek 3.5 - Rozkład prędkości w płaszczyźnie ZX do ostrza z końcówką typu linglett.

wnioski

W trakcie pracy ustalono zasadę i tryb obliczania w programie ANSYS CFXokreślono właściwości aerodynamiczne płata, stworzono model do obliczania obrotu łopatki, przeprowadzono obliczenia dźwięku dla trzech typów łopatek: bez czubka, z końcówką typu Lingletta, z końcówką poziomą, przeprowadzono analizę aerodynamiki tych łopatek.

Łopatka bez końcówki ma średni poziom hałasu, właściwości aerodynamiczne tej łopaty podczas obrotu są niskie, siła podnoszenia jest ujemna, może być konieczne użycie skrętu łopatki.

Łopatka z końcówką typu linglett ma najniższy poziom hałasu, a jej właściwości aerodynamiczne są przeciętne, siła nośna generowana przez tę łopatkę jest nieco mniejsza niż łopatki z końcówką poziomą, co jest prawdopodobnie spowodowane większą powierzchnią drugiej łopatki.

Ostrze z poziomą końcówką wytwarza najwyższy poziom hałasu, podczas gdy najważniejszy jest również podnośnik, prawdopodobnie ze względu na większą powierzchnię ostrza.

W związku z tym konieczne jest dalsze badanie ostrza i konstrukcji końcówki w celu określenia optymalnego; należy również zauważyć, że badania przeprowadzono pod kątem hałasu obrotowego łopatek, nie uwzględniono szumu wirowego i trzasku łopatek.

Lista referencji

1. Teoria Johnsona W. Helikoptera: W 2 książkach. Za. z języka angielskiego - M .: Mir, 1983. - (Lotnictwo i technologia kosmiczna). Książka. 2,124 sekundy,

2. Akustyka lotnicza: Zbiór prac. - M .: TsAGI, 1978. - 67p. ; 25cm. - (TsAGI. Proceedings; Issue 1902). - 70 tys.

3. Akustyka lotnicza: Zbiór prac - Moskwa: TsAGI, 1979 - 100 str. ; 26 cm - (TsAGI. Trudy; wydanie 2000). - 1.03

4. Przewodnik po modelowaniu dodatku AnSys CFX - Solver. 483s

Podobne dokumenty

Zasady wyznaczania częstotliwości własnych i postaci drgań wirnika sprężarki. Obliczanie wirnika i kół wirnika. Badanie możliwości rozwiązywania problemów kontaktowych w systemie ANSYS. Uwzględnienie pasowania elementów na wale z gwarantowanym pasowaniem ciasnym.

dysertacja, dodano 20.07.2014


Zadania zgrubnego obliczenia turbiny parowej. Określenie liczby stopni, ich średnic i rozkładu spadków ciepła na stopniach. Obliczenie charakterystyk gazodynamicznych turbiny, dobór profilu łopatki dyszy, wyznaczenie natężenia przepływu pary.

praca semestralna dodano 11/11/2013


Przeprowadzenie badań numerycznych przepływów konwekcyjnych w pakiecie oprogramowania ANSYS, powstałych w wyniku miejscowego ogrzewania w cylindrycznej warstwie cieczy. Porównanie głównych wyników obliczeń w CFX i FLUENT dla różnych reżimów przepływu.

praca dyplomowa, dodano 27.03.2015


Przepływ przez statek powietrzny jako część sekcji aerodynamiki. Znaczenie tych charakterystyk dla oceny właściwości aerodynamicznych. Obliczanie rozkładu dipoli na cylindrycznym korpusie ze spiczastą głową z tworzącą parabolą.

test, dodano 10.12.2009


Technika analizy dynamiki gazowej pierścieniowej komory spalania z wykorzystaniem pakietu inżynieryjnego ANSYS. Zastosowanie turbiny gazowej w nowoczesnym przemyśle. Główne wskaźniki komór spalania. Analiza bezpieczeństwa i przyjazności dla środowiska projektu.

praca semestralna dodano 30.09.2013


Obliczanie objętości i entalpii powietrza oraz produktów spalania paliw. Bilans cieplny kotła. Wyznaczanie parametrów wymiany ciepła w piecu. Procedura i metodyka obliczania ekonomizera wody, parametry aerodynamiczne. Rozbieżność bilansu cieplnego.

praca semestralna, dodano 06.04.2014


Zastosowanie oprogramowania Thermo-Calc do obliczania wieloskładnikowych diagramów stanów. Obliczanie przekrojów politermicznych (niepromieniowych i promieniowych). Wyznaczanie krystalizacji nierównowagowej w programie Thermo-Calc wg modelu Sheila, temperatura likwidusu równowagi.

test, dodano 01.12.2016


Zastosowanie metody prądów pętlowych do obliczeń obwody elektryczne... Algorytm sporządzania równań, procedura obliczeniowa. Metoda potencjałów węzłowych. Wyznaczanie prądu tylko w jednej gałęzi metodą generatora zastępczego. Podział obwodu na obwody podrzędne.

prezentacja dodana 16.10.2013


Główne typy pól fizycznych w strukturach OZE. Modelowanie pola termicznego układu scalonego w CAD ANSYS. Modelowanie pola elektromagnetycznego układu scalonego, drgania zginające zespołu obwodów drukowanych. Wysoka dokładność i szybkość symulacji.

instrukcja, dodano 20.10.2013


Obliczanie oszacowań charakterystyk probabilistycznych. Tworzenie narzędzi automatyki do obliczania charakterystyk niezawodnościowych układów trójbiegunowych. Stworzenie i wdrożenie programu w środowisku Pascal, pozwalającego obliczyć prawdopodobieństwo niezawodności działania.

Teraz przedstawię krótki przegląd głównych modułów i aplikacji używanych w ANSYS Workbench do przygotowania i przeprowadzenia analizy numerycznej.

Engeneering Data - interfejs do zarządzania fizyczną bazą danych

i właściwości mechaniczne materiałów, a także parametry wejściowe matematyczne

modele.

Design Modeler (pozycja Geometry w obszarze Component Systems) to aplikacja do tworzenia geometrycznych modeli 2D / 3D. Moduł może również pracować z geometrią importowaną z zewnętrznych kompleksów CAD: umożliwia poprawianie defektów geometrii, zmianę lub uproszczenie modelu geometrycznego.

Meshing (pozycja Mesh w sekcji Component Systems) to wielofunkcyjny preprocesor siatki, który umożliwia generowanie wysokiej jakości siatek obliczeniowych w trybie automatycznym dla różne rodzaje analiza inżynierska. Moduł zapewnia szeroką gamę narzędzi do generowania siatek obliczeniowych na podstawie elementów trójkątnych i czworokątnych dla modeli 2D oraz w oparciu o czworościany, sześciany lub elementy piramidalne dla modeli 3D. Program zawiera algorytmy budowy ustrukturyzowanych i nieustrukturyzowanych siatek obliczeniowych, a także możliwość wysokiej jakości rozdzielczości sieci obliczeniowej w pobliżu ścian pełnych i innych cech modeli, co jest szczególnie ważne w analizie hydrodynamicznej.

A teraz o tym, co uważamy za wszystkie nasze zadania i który moduł wybrać. W pierwszym artykule nie wiedziałem, jak dobrze pójdzie ten temat, więc w skrócie omówiłem moduły. Teraz rozważę bardziej szczegółowo.

Statyczne Strukturalne jest przeznaczony do rozwiązywania problemów mechaniki odkształcalnego ciała stałego w stanie statycznym. Używając insertów poleceń w języku APDL, funkcjonalność modułu można rozszerzyć w celu rozwiązania np. Problemów pokrewnych (termosprężystość, poroelastyczność, elektroelastyczność itp.).

Przejściowe strukturalne - moduł do rozwiązywania problemów z dynamiką konstrukcji. Oparty na ukrytych schematach całkowania równań ruchu. Explicit Dynamics / AUTODYN / LS-DYNA - moduły oparte na jawnych solwerach do obliczania problemów z dynamiką strukturalną i modelowania szybkich procesów nieliniowych: uderzenia z dużą prędkością, penetracje, fragmentacja, zniszczenie itp.

Sztywna dynamika przeznaczony do symulacji dynamiki ruchomych układów, mechanizmów. Kinematyka mechanizmu jest opisana poprzez określenie układów współrzędnych powiązanych z częściami i wybranie parametrów, które jednoznacznie określają względne położenie części i konfigurację całego mechanizmu. Poruszające się ciała

opisane są równaniami ruchu w postaci Kane'a, co zapewnia dużą dokładność i szybkość rozwiązania problemu.

Termiczne / nieustalone termiczne w stanie ustalonym - analiza w stanie ustalonym / niestacjonarna

pole termiczne oparte na rozwiązaniu stacjonarnego / niestacjonarnego równania

zewnętrzne przewodnictwo cieplne.

Przepływ płynu (CFX) jest przeznaczony do rozwiązywania problemów hydrodynamiki, a także problemów wymiany ciepła sprzężonego. Umożliwia symulację szerokiego zakresu procesów fizycznych zachodzących w cieczach i gazach, takich jak niestacjonarność, turbulencje, środowisko wieloskładnikowe i wielofazowe, reakcje chemiczne, promieniowanie, fale akustyczne itp. stan maszyn wirujących.

Przepływ płynu (płyn) ma podobną funkcjonalność do modułu CFX, ale zawiera szerszy zakres modeli i metod modelowania przepływów z reakcjami chemicznymi. Posiada również wbudowany edytor siatek obliczeniowych.

Elektryczny - symulacja pól elektrycznych prąd stały w przewodnikach.

Termiczno-elektryczne - stacjonarna analiza elektrotermiczna, która umożliwia badanie procesów wydzielania ciepła podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik, a także procesów wymiany ciepła w ciałach stałych.

Modalny - analiza modalna, obliczanie częstotliwości własnych i postaci drgań.

Odpowiedź harmoniczna - analiza harmoniczna w celu określenia odpowiedzi konstrukcji na obciążenia harmoniczne. Pozwala ocenić negatywne skutki drgań wymuszonych - rezonans, zmęczenie itp. W określonym zakresie częstotliwości obliczane są tylko tryby drgań w stanie ustalonym.

Spektrum odpowiedzi - analiza reakcji konstrukcji na działanie obciążeń dynamicznych wyznaczonych przez akcelerogram. Wykorzystując liniową metodę widmową wyznacza się maksymalne przyspieszenia odpowiedzi jednomasowego układu oscylacyjnego. Służy do obliczania wytrzymałości sejsmicznej konstrukcji.

Losowe wibracje - analiza odpowiedzi konstrukcji na działanie drgań przypadkowych

masa. Przyłożone obciążenie jest określane za pomocą wartości probabilistycznych.

Etapy rozwiązywania problemów w Workbenchu \u200b\u200bmożna opisać na poniższym diagramie.

Oznacza to, że najpierw tworzymy geometrię w Design Modeler lub SpaceClaim Direct Modeler lub importujemy z innych aplikacji. Nawiasem mówiąc, jeśli chodzi o importowanie właściwości materiału części, jeśli nie ma go w bibliotece ANSYS, jest dostępne tylko w programie Inventor. Aby to zrobić, musisz zaznaczyć pole.

Model można również stworzyć opisując go matematycznie w języku APDL.

Podczas importowania, oprócz właściwości materiału, możesz importować wiele. Oprócz czystych kolumn, opcja Basic Geometry zawiera zaawansowane opcje geometrii. Tam możesz wybrać rodzaj analizy (2D lub 3D), asocjatywność (do przenoszenia właściwości materiału, warunków brzegowych i obciążeń na modelu określonym w systemie CAD innej firmy), import układu współrzędnych, SmartCADUpdate (opcja zakłada, że \u200b\u200bjeśli niektóre części zespół, Design Modeler aktualizuje tylko zmienione części podczas ponownego importu).

Następnie tworzymy siatkę elementów skończonych. Można to zrobić za pomocą modułów Meshing i ICEM CFD. Po tym, jak firma ANSYS wchłonęła małe biuro, które zajmowało się opracowywaniem algorytmów dla sieci ICEM, nie było już rozwijane, a algorytmy stopniowo migrują do natywnej siatki ANSYS.

Ponadto, w zależności od rodzaju analizy, która ma zostać wykorzystana w pracy, dokonuje się opisu model matematyczny i wybrany jest wymagany moduł obliczeniowy. Na przykład, aby obliczyć stan naprężenia-odkształcenia (SSS) konstrukcji pod obciążeniem statycznym, należy użyć modułu Statyczna konstrukcja. Na tym etapie konieczne jest ustalenie właściwości materiałów, warunków brzegowych i początkowych problemu, dobór metod obliczeniowych, skonfigurowanie solwera zgodnie z przyjętym modelem fizycznym i matematycznym oraz ustawienie wymaganej dokładności obliczeń.

Proces obliczania jest w pełni zautomatyzowany, ale zaleca się sprawowanie kontroli nad procesem rozwiązania: monitorowanie zachowania rozwiązania i jego zgodności z kryteriami konwergencji, wyświetlanie na ekranie dodatkowych parametrów, które pozwalają ocenić niezbędne ilościowe charakterystyki rozwiązania itp.

Po zakończeniu obliczeń należy przeanalizować uzyskane wyniki i, jeśli to możliwe, porównać je z dostępnymi danymi eksperymentalnymi. Należy również pamiętać, że otrzymane rozwiązanie nie powinno być uzależnione od wielkości elementów siatki, co zwykle osiąga się wykonując szereg obliczeń.

na siatkach o różnej gęstości.

Po ściągnięciu potrzebnego systemu do obszaru roboczego WorkBench i załadowaniu modelu kliknij dwukrotnie komórkę Model, aby otworzyć Mechanical.

Zajmijmy się jego interfejsem.

Powyżej znajdują się dość znane menu rozwijane. Tuż pod paskiem narzędzi. Po lewej stronie znajduje się drzewo analizy. Poniżej znajduje się widok szczegółowy, okno, w którym wyświetlane są wszystkie parametry elementu wybranego w drzewie, czy to kontakt, siła czy siatka. Okno graficzne jest wyśrodkowane. Wyświetlane jest tam wszystko, co wybierzesz w drzewie. Wybierz siatkę - siatka zostanie wyświetlona, \u200b\u200bwybierz wynik końcowy - pobierz. A po prawej - wskazówki dla początkujących, czyli wybieramy analizę i korzystamy z podpowiedzi do przeprowadzenia analizy. Ukończona pozycja jest oznaczona zielonym haczykiem, ta, która wymaga uwagi lub danych - zielone kółko z literą i, co należy rozwiązać - błyskawica w kolorze żółtym.

W górnej części tytułu okna wyświetlany jest typ analizy, a po nim myślnik - nazwa aplikacji oraz typ licencji w nawiasach kwadratowych.

Przejdźmy przez menu rozwijane.

Menu Edycja zawiera operacje wywoływane przez menu kontekstowe obiektów: Usuń, Kopiuj, Wytnij, Wklej, Duplikuj, które łączy w sobie polecenia „kopiuj” i „wklej”. Karta zawiera również polecenie Zaznacz wszystko, które umożliwia wybranie wszystkich obiektów w oknie graficznym jednym kliknięciem, oraz polecenie Znajdź w drzewie, które umożliwia wyszukiwanie tekstu za pomocą menu Kontur;

W menu Widok są oddzielne grupy, oddzielone liniami, górna to sterowanie podstawową grafiką - cieniowanie krawędzi, reprezentacja siatki itd.

Nieco niżej w opcjach graficznych - malowanie ścian i wyświetlanie belek.

Menu Jednostki zawiera listę dostępnych systemów metrycznych, SI jest zawsze domyślnie zaznaczona;

Menu Narzędzia zawiera trzy główne polecenia: Dodatki (uruchamia menedżera dodatków, który umożliwia ładowanie / usuwanie niestandardowych procedur zaprojektowanych w celu rozszerzenia standardowej funkcjonalności siatki), Opcje (zapewnia dostęp do ogólnych ustawień preprocesora siatki, w tym ustawień procesu zrównoleglania podczas budowania siatki i wartości domyślnie dla globalnych parametrów sieci) i Variable Manager (uruchamia menedżera zmiennych w aplikacji);

Pomoc zawiera domyślnie materiały referencyjne.

Teraz, zgodnie z oczekiwaniami, przejdźmy przez pasek narzędzi.

Spójrzmy teraz na drzewo projektów.

Wyświetla komponenty odpowiadające poprzednim etapom

szkolenie procesora modelu. Można je podzielić na dwie grupy: podstawowe - pojawiają się w drzewku domyślnie przy otwieraniu dowolnego projektu, oraz opcjonalne - pojawiają się w drzewku tylko dla określonych typów modeli geometrycznych lub podczas korzystania z określonych narzędzi podczas budowy modelu siatkowego.

A więc składniki drzewa:

• Geometria, podstawowa: zawiera listę brył modelu geometrycznego, które są przekazywane z preprocesora geometrii. Po wybraniu nagłówka komponentu Geometry w oknie Właściwości (Szczegóły) poniżej drzewa wyświetlane są globalne niezmienne właściwości geometrii. Po wybraniu jednego lub więcej obiektów z listy w oknie Szczegóły wyświetlane są ustawienia (wybór układu współrzędnych, materiału itp.) Oraz właściwości tych określonych obiektów (wymiary geometryczne, statystyki). Tak więc, jeśli fizyczne sformułowanie problemu implikuje obecność kilku ciał o różnych właściwościach w modelu geometrycznym, to dla każdego takiego ciała można ustawić własne cechy. Jeśli w modelu geometrycznym występuje kilka niezależnych ciał lub ich grup, w drzewie projektu pojawia się dodatkowy komponent Połączenia, który umożliwia zestawianie połączeń między powierzchniami (z tarciem, bez tarcia itp.).
• Główny układ współrzędnych: zawiera listę wszystkich układów współrzędnych (globalnych i lokalnych) używanych w projekcie. Korzystając z menu kontekstowego tego komponentu, możesz dodać do projektu nowy system współrzędne (Insert -Coordinate System) lub usuń / ukryj / skopiuj istniejący.
• Mesh, main: zawiera listę wszystkich operacji i narzędzi użytych do budowy siatki obliczeniowej. Właściwości tego komponentu wyświetlają globalne ustawienia siatki, a poprzez menu kontekstowe komponentu dostępnych jest szereg narzędzi do ustawiania lokalnych ustawień siatki.
• Selekcja nazwana, opcjonalna: w Meshing, oprócz możliwości bezpośredniego generowania siatek obliczeniowych, istnieje możliwość nadania nazw poszczególnym elementom modelu w celu późniejszego określenia warunków brzegowych.

Aby przeprowadzić pełne obliczenia, potrzebujesz siatki. Siatka jest nie tylko losowa, jak podczas konwersji do STL, ale można ją dostosować. Jest podzielony na konformalne (uporządkowane) i niekonformalne (losowe).

Przez zgodność, czyli spójność, rozumiemy siatkę, w której elementy spełniają warunek: jeśli przecinają się dwa elementy siatkowe, to obszar ich przecięcia jest ich wspólną powierzchnią (lub krawędzią).

Obraz ułatwiający zrozumienie kolejności siatek.

Teraz jeśli chodzi o kształt elementu siatki.

W przypadku siatek na powierzchniach rozróżnia się 2 rodzaje elementów - są to trójkąty i czworokąty.

W przypadku geometrii wolumetrycznych rozróżnia się komórki oparte na heksaedrach, czworościanach, pryzmatach i piramidach.

Siatki obliczeniowe mogą być hybrydowe i jednocześnie zawierać elementy różnych typów.

Do poprawnej oceny obliczeń potrzebna jest siatka konforemna, to znaczy należy ją ułożyć tak, aby w miejscach, w których mamy przemieszczenia, była drobniejsza i odpowiednio zorientowana. Istnieją 3 metody tworzenia siatki na powierzchniach 2D:

1. Dominacja czworoboku, czyli przewaga czworokątów. Cała siatka jest zbudowana głównie z czworokątów. Kształt elementów jest określany przez ustawienie Typ siatki swobodnej powierzchni, które ma dwa tryby. Gdy wybrany jest tryb All Quad, preprocesor sieci

siłą dzieli obszar na czworokątne elementy, niezależnie od jakości poszczególnych elementów. W przypadku wyboru trybu Quad / Tri preprocesor buduje siatkę elementów czworokątnych, jednak w skomplikowanych obszarach, w których można zastosować tylko czworokątne elementy niskiej jakości, takie elementy zastępowane są trójkątnymi elementami wyższej jakości.

2. Metoda Triangle Meshing pozwala na podzielenie obszaru za pomocą nieustrukturyzowanej siatki z trójkątnymi elementami.

3. Metoda MultiZone Quad / Tri, w przeciwieństwie do poprzednich dwóch, opiera się na

technologii blokowej i umożliwia automatyczną dekompozycję złożonej geometrii na oddzielne bloki z późniejszą konstrukcją na każdym bloku strukturalnej (jeśli to możliwe) lub nieustrukturyzowanej siatki, w zależności od wybranych ustawień metody. Kształt elementów siatki dla bloków jest określany przez ustawienie typu siatki o dowolnej powierzchni z trzema trybami: All Quad, Quad / Tri i All Tri (analogicznie do metody Triangle Meshing).

Aby zobaczyć różnicę między metodą MultiZone Quad / Tri a metodą Quadrilateral Dominant i Triangle Meshing, rozważ ten sam okrąg. W jednym przypadku z dominantą czworokątną otrzymujemy następujący obraz.

I otrzymujemy nieustrukturyzowaną siatkę dla całego obszaru. Jeśli zastosujemy metodę MultiZone Quad / Tri, otrzymamy siatkę strukturalną iw trakcie budowy geometria zostanie automatycznie rozłożona na charakterystyczne bloki, co pozwoli nam na zbudowanie strukturalnej siatki prostokątnych elementów dla części 1 i pozostawienie siatki nieustrukturyzowanej dla części 2.

Okazało się, że jest trochę chaotyczny i multi-book. Kto opanował, ten gość. W następnym artykule przyjrzymy się siatkom 3D.

Aby wyjaśnić, że siatki i ich jakość wpływają na ostateczne obliczenia, oto przykład źle i dobrze skonstruowanej siatki.