Микрогеометрические параметры поверхностей при моделировании масштабных аэродинамических цифровых экспериментов
Автор: Ведяйкина О.И.
Рубрика: Инженерная геометрия и компьютерная графика. Цифровая поддержка жизненного цикла изделий
Статья в выпуске: 2 т.26, 2026 года.
Бесплатный доступ
В данной статье исследуются микрогеометрические параметры поверхностей в рамках моделирования масштабных аэродинамических цифровых экспериментов с целью повышения точности воспроизведения взаимодействия воздушных потоков с твѐрдыми поверхностями. Особое внимание уделяется роли шероховатости, образованной микроскопическими неровностями, как объекта исследования микрогеометрии и еѐ влиянию на распределение аэродинамических потоков вблизи стенок аэродинамической трубы и поверхности подмакетника, возникающие вязкие напряжения и пристеночное трение. Статья включает сравнительный анализ двух подходов к заданию условий взаимодействия потока с твѐрдыми поверхностями в CFDмоделирующих программах: условие прилипания (No Slip) и условие свободного скольжения (Free Slip). На основе компьютерных экспериментов показано, что использование условия свободного скольжения воздушного потока в пристеночной области обеспечивает более реалистичные результаты, отражающие возникновение градиентов, волновых возмущений и картины затухания скоростей в рабочей области малогабаритной аэродинамической трубы, по сравнению с условием No Slip. Полученные выводы исследования подчеркивают важность правильного выбора граничных условий и параметров поверхностей для создания достоверных цифровых двойников сложных технических установок и в том числе аэродинамических систем.
Цифровой двойник, аэродинамическая труба, компьютерное моделирование, строительная аэродинамика, шероховатость поверхности, вязкое напряжение, пристеночное трение
Короткий адрес: https://sciup.org/147253980
IDR: 147253980 | УДК: 514.85:004.942 | DOI: 10.14529/build260208
Microgeometric parameters of surfaces in modeling large-scale aerodynamic digital experiments
This article explores the micro-geometric parameters of surfaces within the framework of modeling large-scale aerodynamic digital experiments in order to improve the accuracy of reproducing the interaction of air flows with solid surfaces. Special attention is paid to the role of roughness, formed by microscopic irregularities, as an object of micro-geometry research and its influence on the distribution of aerodynamic flows near the walls of the wind tunnel and the surface of the sub-model, as well as the resulting viscous stresses and wall friction. The article includes a comparative analysis of two approaches to defining flow conditions for the interaction with solid surfaces in CFD-modeling programs: the “no-slip” condition and the “free-slip” condition. Computer experiments show that the use of the “free-slip” con-dition for the airflow in the near-wall region provides more realistic results reflecting the occurrence of gradients, wave disturbances, and velocity decay patterns in the working region of a small-scale wind tunnel, compared to the “no-slip” condition. The findings of this study highlight the importance of selecting the correct boundary conditions and surface parameters for creating accurate digital twins of complex technical systems, including aerodynamic ones.
Текст научной статьи Микрогеометрические параметры поверхностей при моделировании масштабных аэродинамических цифровых экспериментов
В строительных аэродинамических расчетах шероховатость поверхности играет важную роль и может влиять на результаты расчета аэродинамики и теплообмена [1–3]. При расчетах движения воздушных масс, возникающих при этом нагрузок и напряжений шероховатость часто используется в контексте крупномасштабных эффектов от немо-делируемых препятствий [4], таких как растительность, изменения рельефа или окружающие объекты, воздействующие на поток в пограничном слое атмосферы, отраженных в программном комплексе по генерации рельефа при компьютерном моделировании [5].
При этом в общем случае шероховатость поверхности представляет собой совокупность микроскопических неровностей, которые образуются на поверхности материала в процессе его изготовления и эксплуатации [6-7]. Таким образом, шероховатость представляет интерес как объект исследования микрогеометрии [8–12], учитывающий выступы и впадины на слое материала в пределах микрометров и влияет на ряд технических и технологических процессов, таких как трение, износ, накопление напряжения и вязкое взаимодействие поверхностей с частицами воздуха при аэродинамическом обтекании. Описанное влияние важно оценивать при проведении масштабных экспериментов в аэродинамических трубах малого диаметра [13–16], так как наличие трения и касательных напряжений в пристеночном слое воздушных потоков со стенками самой трубы и поверхностями макета могут влиять на распределение воздушных потоков, а значит, шероховатость необходимо учитывать для дальнейших грамотных интерпретаций результатов.
Учитывая развитие современных технологий и внедрение цифровой поддержки в аэродинамические инженерные расчеты и физические эксперименты [17–23] за счет создания их цифровых двойников, вязкое взаимодействие с воздушным потоком и поверхностью, в результате наличия микрогеометрических неровностей, должно быть отражено и при их создании также. Это, в свою очередь, даст возможность проанализировать влияние шероховатости на процессы распростра-
нения воздушных потоков в аэродинамической трубе.
Материалы и методы
Одним из ключевых аспектов при создании цифрового двойника является правильная настройка граничных условий и параметров поверхностей при проведении компьютерного эксперимента, которые могут существенно влиять на результаты моделирования [24].
Свойства поверхностей с условием Wall (стена), используемые для моделирования твердых границ в программном комплексе ANSYS, играют особую роль в определении взаимодействия между моделируемым объектом и окружающей средой, так как могут влиять на распределение скоростей, напряжений и другие физические процессы. По умолчанию поверхности с условием Wall имеют свойство No Slip («нет скольжения»), подразумевающее, что скорость потока на границе совпадает со скоростью самой стенки, то есть равна нулю. Оно позволяет учесть эффект торможения частиц потока вблизи стенок вследствие силы трения (вязкости), за счет возникающих касательных напряжений. При этом данным свойством можно пренебречь, если происходит моделирование движения воздушных масс при малых скоростях, поскольку вязкость потока в таком случае пренебрежительно мала.
Для исследования влияния свойств твердых поверхностей в сравнении с No Slip было выбрано свойство Free Slip («свободное скольжение»), означающее скольжение потока вдоль границы без взаимодействия (касательная компонента скорости жидкости остаётся ненулевой), показывающее отсутствие вязких напряжений и трения. Такое свойство может быть использовано для моделирования эксперимента с дозвуковой аэродинамической трубой.
Таким образом, различия между свойствами поверхностей No Slip («нет скольжения») и Free Slip («свободное скольжение») заключаются в характере взаимодействия жидкости или газа с границами расчетной области в CFD-моделирующих (Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика) программах вроде ANSYS.
Цифровой двойник создается для дозвуковой вертикальной аэродинамической трубы малых габаритов с открытой рабочей областью, расположенной на кафедре отопления и вентиляции Нижегородского государственного архитектурностроительного университета (рис. 1).
Для выполнения компьютерного моделирования создается расчетная область, в которой задаются параметры воздушной среды, в том числе модель турбулентности; указывается сечение, через которое осуществляется вход воздушных масс и условия на их выход. Для поверхности пола, подмакетника и самой трубы устанавливается условие Wall с двумя вариантами свойств (No Slip и Free Slip). Расчетная сетка создается адап-
Таблица 1
Сравнение значений скоростей при различных свойствах поверхности
|
Высота точки от уровня пола, м |
Скорости на выходном сечении, м/с |
Скорости в середине рабочей области, м/с |
Скорости на входном сечении, м/с |
||||||
|
Й о £ |
СЛ Q Q £ |
x© 0х кГ СТ К ст а |
сл о £ |
СЛ о £ |
чо 0х ст' ст к ст а |
о £ |
о £ |
0х ст' ст к ст а |
|
|
0,56 |
5,06 |
5,01 |
23,93 |
6,21 |
7,96 |
21,98 |
6,77 |
4,44 |
34,37 |
|
0,60 |
9,97 |
10,08 |
1,14 |
7,99 |
8,55 |
6,55 |
8,21 |
7,36 |
10,27 |
|
0,65 |
10,09 |
10,02 |
0,71 |
9,67 |
9,58 |
0,92 |
9,51 |
8,31 |
12,55 |
|
0,70 |
9,64 |
9,63 |
0,12 |
10,07 |
10,02 |
0,51 |
10,0 |
8,78 |
12,27 |
|
0,75 |
9,59 |
9,62 |
0,31 |
10,08 |
10,06 |
0,17 |
10,05 |
8,75 |
12,92 |
|
0,80 |
9,70 |
9,78 |
0,87 |
9,92 |
9,71 |
2,07 |
9,79 |
8,05 |
17,82 |
|
0,85 |
9,49 |
9,74 |
0,9 |
8,77 |
8,15 |
7,06 |
8,58 |
6,84 |
20,21 |
|
0,90 |
0,67 |
1,24 |
45,73 |
5,7 |
5,41 |
5,02 |
6,30 |
5,38 |
14,63 |
|
Среднее значение скорости |
8,045 |
7,994 |
0,64 |
8,550 |
8,681 |
1,5 |
8,651 |
7,240 |
16,31 |
|
Максимальная скорость потока |
12,025 |
12,135 |
0,91 |
||||||
Рис. 3. Распределение воздушных потоков в рабочей области реальной аэродинамической трубы (а) и её цифрового двойника при свойстве поверхности Free Slip (б)
Таблица 2
Сравнение значений модулей скоростей в реальной аэродинамической трубе и её цифровом двойнике со свойством поверхности Free Slip
|
Высота точки от уровня подмакет-ника (пола), м |
Скорости на выходном сечении, м/с |
Скорости в середине рабочей области, м/с |
Скорости на входном сечении, м/с |
||||||
|
03 ю hQ ч ^ |
03 СТ |
хо 0х кГ СТ к 03 а |
03 ст 03 |
03 СТ |
хо 0х 03' СТ к 03 а |
03 СТ 03 |
03 й |
0х 03^ к 03 а |
|
|
0,1 (0,57) |
8,58 |
9,82 |
12,63 |
8,4 |
8,09 |
3,69 |
6,3 |
5,53 |
12,19 |
|
0,08 (0,64) |
10,7 |
9,8 |
8,41 |
||||||
|
0,10 (0,66) |
10,0 |
9,71 |
2,88 |
8,61 |
8,44 |
1,99 |
|||
|
0,16 (0,72) |
10,5 |
9,29 |
11,52 |
||||||
|
0,20 (0,76) |
9,5 |
10,05 |
5,46 |
9,0 |
8,67 |
3,69 |
|||
|
0,24 (0,80) |
9,6 |
9,78 |
1,84 |
||||||
|
0,30 (0,86) |
7,0 |
7,38 |
5,2 |
6,9 |
6,56 |
4,87 |
|||
|
0,32 (0,88) |
9,0 |
8,45 |
5,82 |
||||||
|
0,40 (0,96) |
2,9 |
2,64 |
8,93 |
3,25 |
3,59 |
9,55 |
|||
|
0,50 (1,06) |
0,8 |
0,77 |
4,25 |
1,3 |
1,22 |
6,38 |
|||
|
0,60 (1,16) |
0,5 |
0,5 |
0,4 |
0,91 |
0,93 |
2,79 |
|||
|
0,70 (1,26) |
0,55 |
0,65 |
14,86 |
||||||
|
Среднее значение скорости |
9,676 |
9,433 |
2,51 |
5,585 |
5,592 |
0,11 |
4,602 |
4,449 |
3,33 |
Выводы
Различия в характере распределения воздушного потока при сравнении двух вариантов условий для взаимодействия воздушного потока с твердыми поверхностями подчеркивают важность правильного выбора граничных условий при компьютерном моделировании аэродинамических процессов.
Модель с условием отсутствия прилипания воздушного потока (Free Slip), несмотря на очевидное упрощение взаимодействия двух сред, лучше описывает реальные процессы, отражая возникновение волновых возмущений и градиент скорости в рабочей области аэродинамической
установки, в отличие от варианта с соблюдением условия прилипания (No Slip).
Таким образом, компьютерное моделирование наглядно демонстрирует, что учёт условий взаимодействия потока с поверхностью, критически важен для получения достоверных результатов. Для проведения дальнейших исследований над цифровым двойником аэродинамической трубы при назначении параметра твердых поверхностей (Wall) в программном комплексе ANSYS или других CFD-моделирующих программах принято назначать свойство свободного скольжения воздушного потока (Free Slip).
