ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ ЖИДКОСТЬЮ И ГАЗОМ

УДК 532;

Черников В. Ю.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В ИССЛЕДОВАНИЯХ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ

ЖИДКОСТЬЮ И ГАЗОМ

В настоящее время компьютерное моделирование получило широкое распространение при моделировании объектов производства и физических воздействий на них. В данной работе была использована система автоматизированного проектирования SolidWorks.

Ключевые слова: SolidWorks, гидродинамический анализ.

Chernikov V. Y.

APPLICATION OF COMPUTER TECHNOLOGY

IN RESEARCH FLOW OF BODIES LIQUID AND GAS

At present, computer simulation has become widespread in the simulation of production facilities and physical effects on them. In this paper, a CAD system SolidWorks was used.

Keywords: SolidWorks, hydrodynamic analysis.

При проектировании, например, кораблей и гоночных автомобилей, конструкторам приходиться учитывать сопротивление среды, в которой движется объект. Раньше это делалось только в аэро- и гидродинамических трубах, т.к. только экспериментально можно было узнать поведение жидкости и газа при обтекании ими тела. Сегодня это можно сделать не только экспериментально, но и виртуально.

Виртуальное, т.е. с помощью специальных программных комплексов, проектирование значительно упрощает процесс создания объекта. В виртуальной среде можно провести различные анализы: на прочность, устойчивость, аэродинамические качества и др.

В настоящее время чаще всего используются такие программы, как CATIA и SolidWorks от фирмы Dassault Systemes, NX от Siemens PLM Software и др. Все эти программы представляют собой системы автоматизированного проектирования, к которым могут подключаться модули для проведения различного рода анализа.

Например, в САПР SolidWorks есть модуль Flow Simulation, с помощью которого можно провести анализ FloExpress, что подразумевает помещение исследуемого объекта в определенную среду, например, жидкость или газ. Перед началом анализа мы задаем начальные условия, такие как плотность жидкости, ее температуру, скорость течения, расход жидкости в единицу времени и другие физические параметры, которые необходимо учесть. Затем запускается анализ. По итогам анализа получаем набор данных. Среди них давление, оказываемое средой на объект в любой его точке, или траектория обтекания жидкостью объекта.

Работа модуля Flow Simulation основана на таких уравнениях гидродинамики, как уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости:

(1)

где - оператор набла, - векторный оператор Лапласа, t – время, - коэффициент кинематической вязкости, - плотность, p – давление, - векторное поле скоростей, - векторное поле массовых сил.

Или уравнение неразрывности для сжимаемой жидкости:

(2)

где ∇ — дивергенция, ρ — количество величины q на единицу объёма (плотность величины q), t — время, — плотность потока величины q.

Также используется уравнение вихря вязкой несжимаемой жидкости:

(3)

Эти уравнения являются одними из основных в гидро- и аэродинамике, без учета которых невозможно смоделировать процесс обтекания жидкостью или газом исследуемого объекта.

На нижеприведенном рисунке показана простейшая модель судна, разработанная в SolidWorks, которая была подвергнута газодинамическому анализу с помощью модуля Flow Simulation.

На рисунке цветом показаны величины давления, приложенные к объекту в разных его точках. Как видно наибольшее давление испытывает носовая часть модели судна (красный цвет). Зоны, окрашенные в синий цвет, испытывают наименьшее воздействие. Зона зеленого и бирюзового цвета испытывает давление также как и носовая часть, но в гораздо меньшем объеме. Величина давления в данной зоне такова из-за того, что большую часть давления принял на себя нос, но т.к. части, расположенные дальше, имеют большую площадь и расположены перпендикулярно направлению движения газа, нос не способен принять все давление, поэтому в данной зоне и наблюдается небольшое повышение давления.

Также на рисунке представлено поведение воздушных потоков (стрелки). Как можно видеть носовая часть модели имеет в какой-то степени аэродинамически выгодную форму и здесь не возникает турбулентных потоков. Небольшая турбулентность возникает между обтекателем и местом, где палуба поднимается выше основной плоскости. Далее турбулентных потоков при обтекании наивысшей точки модели не возникает. Турбулентное течение возникает в задней части модели, где происходит резкое падение давления газа, т.к. эта зона аэродинамически не оптимизирована. Реальным примером такого поведения воздуха может служить зона палубы военного корабля, которая находится сразу за вертолетным ангаром. Т.к. эта зона является местом посадки вертолета, и она должна быть открыта.

Рис. 1. Пример поведения потоков воздуха при обтекании простейшей модели судна

Компьютерное моделирование значительно упрощает процесс проектирования, ускоряет его и удешевляет. Также позволяет избежать некоторых ошибок в конструкции объекта еще на стадии проектирования.

Сегодня данный метод проектирования использует повсеместно: в кораблестроении, автомобилестроении, авиастроении, архитектуре и др. областях.

Библиографический список

1. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М. – Л.: Госэнергоиздат, 1961. 704 с.
2. Дударева Н. Ю., Загайко С.А. Самоучитель SolidWorks 2010. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 416 с.
3. Краснов Н.Ф. Аэродинамика отрывных течений: Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. шк., 1988. 351 с.