Какие алгоритмы построения крыла + оптимизация CFD наиболее востребованы?

[zerganalizer 590]

Всем привет!

 

Мне предлагают заняться построениями крыла, профилями с возможностью оптимизации построений по результатам CFD-анализов. Отсюда возникает задача создать методику (алгоритм) проектирования крыла, профилей и связь всей этой параметрики с CFD-анализами.

 

Однако я увидел немало специального ПО, которое давно это делает, разными способами. Из недавних - LS-TECHNOLOGIES - сделала всё, что нужно, но в среде Flypoint Parametrica. Наверное, в каждой CFD есть ядро для построения геометрии, CFD-модуль и оптимизаторы, с возможностью деформации построенной геометрии для улучшения обтекания. Также есть возможности при моделировании параметров потока подгонять "болванку" кривой профиля под параметры потока, получая геометрию профиля "генеративно", под поток.

 

Я могу назвать ещё кучу ПО, пытающегося решить задачу построения профилей и крыльев на их основе под нужные параметры потока и обтекания, подобное есть даже в опробованном мною XFLR5 с его примитивными панельными методами расчёта, но...

 

Меня всё ещё гложет идея, что крыло с его профилями можно описать единым математико-поисковым алгоритмом, наподобие моего конфигуратора крыла (нуждается в создании нескольких версий под другие условия задачи) + конфигуратор профиля.

 

Отсюда я хочу снова обсудить тему создания наиболее оптимальных алгоритмов и методик построения крыла, как обсуждал это с аэродинамиками в ЦАГИ лет 15 назад для создания чего-то вроде приложения, решающего эту задачу. Тогда я в-целом ухватил их пожелания, и алгоритм в-целом выглядел так:

 

1. Аэродинамик выбирает компоновку крыла, "рисуя" образующие крыла в плане, галку поперечного "V" и набор специально подобранных профилей (из альманахов с точками), которые надо расставить по размаху где-то по характерным местам на образующих в плане, например, на изломе крыла и т.п. На основе этих данных уже понятно общее назначение ЛА и его характеристик.

2. В ЦАГИ расставленные профили поворачивали в каждой позиции по размаху на углы крутки каждого и двигали вверх-вниз, оптимизируя проложенные по носикам/хвостикам соединяющие сплайны для получения передней/задней образующих крыла. У меня своё решение на этот счёт, которое создаёт образующие однозначно на базе описанных выше исходных данных.

 

Тут я сделаю отступление от списка - аэродинамик, руководивший моими разработками, подбирал профили под свою компоновку с нужными характеристиками - camber positions, строительная толщина, Re и т.п. Это нужно, чтобы проектируемый лонжерон проходил как минимум вблизи положения максимальной строительной толщины каждого профиля по размаху крыла.

 

А ещё - так как скорость потока воздуха вдоль крыла примерно постоянная, а хорда всё меньше по размаху - число Re растёт для профилей с мЕньшей хордой, откуда профили надо подбирать под вычисленное Re каждого профиля. Плюс к этому - профиль крыла под такой увеличенный Re имеет свои особенности, например, у более "скоростных" профилей обычно camber position больше. Отсюда если аэродинамик хочет, чтобы ПРЯМОЙ лонжерон прошёл через camber positions, или максимальные строительные высоты всех профилей, кривые в плане нужно подгонять под выбранные профили, и положение лонжерона тоже. А, ЕМНИП, лонжерон должен пройти через центр масс ЛА, откуда возникает задача многокритериальной оптимизации крыла, профилей и геометрии ЛА в-целом.

 

Отсюда возникает идея не ставить готовые профили по размаху из альбомов с точками, а генерировать по месту, под заказ. А чтобы сгенерированный профиль отвечал всем требованиям, нужна оптимизация каждого под рассчитанный Re для "попадания его максимального аэродинамического качества в требуемый диапазон Re при выбранном camber position". А этот самый camber position будет не произвольный, а диктоваться прохождением лонжерона по размаху крыла и его прямолинейностью.

 

Собственно, я начинал заниматься конфигуратором профиля именно под эту задачу - генерации оптимального крыла по месту, чтобы не искать ближайший подходящий из известных. А далее - снова к списку:

 

3. Полученное крыло продувается CFD и оптимизируется методами деформации в конкретной CFD.

4. Полученная после оптимизации полигональная модель "заставляет" конфигуратор крыла и все профили перестроить для достижения той геометрии, что рекомендует CFD. Этот цикл п.п.2-4 может быть многократным, уточняющим геометрию. Сюда, возможно  войдёт и создание геометрии механизации крыла (закрылки, законфовки), которые будут участвовать в циклах оптимизации крыла.

 

Но тут возникает ситуация, когда сильные изменения геометрии крыла могут привести к существенному изменению длин хорд профилей и их значений Re. Откуда может возникнуть необходимость перегенерации профилей вкупе с их переоптимизацией под их изменившиеся числа Рейнольдса.

 

5. Возможно - создание геометрии механизации крыла (закрылки, законфовки), которые будут участвовать в циклах оптимизации крыла, можно вынести за скобки первых циклов оптимизации системы "образующие-лонжерон-профили-крыло" (п.п.2-4). Этот вопрос - к обсуждению.

 

Вообще мой конфигуратор крыла хотят прикрутить к оптимизатору (или оптимизатор - к конфигуратору) и заставить всю геометрию крайне гладко строить на движке CATIA, а помня о том, что мой конфигуратор написан сплошь на функционале ISD/ICEM в CATIA, то перенос построения куда-то ещё - не вариант.

 

А теперь - о главном. Каков же наиболее правильный алгоритм (их может быть несколько, судя по беседам с ЦАГовцами 15 лет назад), который нужно реализовать при создании конфигуратора (или, если хотите - приложения) для построения крыла, и какими параметрами он должен управляться?

 

Подобное задание я получил от аэродинамика в ЦАГИ, которое частично реализовал в разработках, проданных "Аэрокону" (г.Жуковский) 15 лет назад. Но интересно запрограммировать решение не только для беспилотников органических форм компоновки "летающее крыло". Нужен универсальный решатель, под современные реалии и возможности CFD. Что думаете?

 

И последнее. Я бы не стал думать в этом направлении при всём разнообразии существующего ПО, умеющего всё это так или иначе, и спроектированные им ЛА вполне себе летают. Но на мой взгляд - сама геометрия в существующих решениях строится "слишком грубо", откуда она не в состоянии описать собой всё возможное многообразие даже профилей. По моим изысканиям в построении "другой" геометрии профиля оказалось на практике, что построенная "кривулина" не может быть описана сплайнами/NURBS столь низких степеней полинома, лежащего в основе. Даже 100 точек в сплайне не способны помочь корректно повторить построенную мной кривую по уравнению 20+ степеней - кривулина гнётся во все стороны между точками, но только не туда. 300 точек и специальный "конвергентный" алгоритм расстановки точек по полученному профилю уже решают проблему - копия сплайна по ним практически идентична, анализ кривизны почти неотличим от оригинала, но...

 

Кто в каких CFD оптимизирует кривулину по 300-м точкам, да ещё с жёстким алгоритмом их расстановки??? Из того, что видел - оптимизируют какой-нибудь безье по 10-ти точкам в поисках "идеального профиля". Откуда вывод - подобные оптимизаторы "прошли мимо идеала" и не узнали о его существовании...

 

Есть ли у кого желание помочь мне разобраться с алгоритмом построения крыла и схемой его управления для будущих оптимизаций?

[a_schelyaev 381]

23 минуты назад, green_fly сказал:

Я бы еще предложил заранее посчитать обтекание какого-нибудь профиля, чтобы поисследовать на сходимость, попробовать поймать влияние качества поверхности. Может оказаться, что выбранная модель турбулентности влияет гораздо сильнее. Вот здесь интересные результаты - одна и та же оптимизационная задача, но два разных газодинамических решателя дают два разных оптимальных профиля. 

 

Тут товарищ оптимизирует за счёт повышения гладкости кривой дужки профиля. Типа выше третьей производной.

[zerganalizer 590]

15 часов назад, a_schelyaev сказал:

Поэтому все ваши закидоны по вылизывание обводов не сработают.

Я не вылизываю обводы - я могу построить то, что ваши оптимизаторы не МОГУТ В ПРИНЦИПЕ построить. Если, как в X-foil оптимизировать профиль из нурбсы со столь малым количеством опорных точек и низкой степени - она не сможет пройти через нужные точки с нужной кривизной.

 

Вчера пробовал такое в катии - кривая по опорным точкам. Когда до 13-й степени - кривулину сложно выгнуть так, чтобы повторить мои математические профили с их анализом кривизны. Нашёл статейку импортную, как с катией делали оптимизации профилей, как их строили. Приложу её сюда, оттуда картинка:

Даже такой B-сплайн не способен повторить мои профили - только когда попробовал такой 13+ степени - стало ближе к теме, но нужно больше точек для управления, и располагать их вверх-вниз по отрезкам на равных дистанциях по хорде - не вариант, шаг по хорде должен быть вариативный.

 

Оптимизировать такую кривулину в катии я пробовал перед попыткой разработать конфигуратор профиля по формульным кривым. Бредом оказалась задача - указать ограничения и цель. Анализ кривизны на автомате выходил пипец какой, навроде ваших "заоптимизированных" профилей. Вы правда надеетесь, что на таком кто-то лететь захочет??? Я бы на анализ кривизны (радиус кривизны) посмотрел...)))

14 часов назад, green_fly сказал:

Я бы еще предложил заранее посчитать обтекание какого-нибудь профиля, чтобы поисследовать на сходимость, попробовать поймать влияние качества поверхности.

Речь не идёт о КАЧЕСТВЕ поверхности профиля - а о таком наборе точек, через которые вы не проведёте ни одной кривой никаким известным моделированием гладко. Это дебри, куда оптимизаторы не совались - ядрышки не тянут такое. Есть примеры суперкритических профилей, повторить которые гладко совсем не простая задача. Собственно, я готовлюсь поисследовать профили через пакетный анализ оных в SU2. посмотрим поляры, сравним - далее будет видно)))

15 часов назад, a_schelyaev сказал:

Во флюенте поверхностная дискретизация

Пока я вижу, что в среде катии с FlowVision двусторонняя связь есть только у Simulia Abacus, который я как-то на катию ставил. В теории при таком раскладе строить и управлять циклом оптимизации с CFD можно целиком внутри понятным штатным функционалом, без внешних костылей.

 

Аналогично во ANSYS.Fluent for CATIA, вот брошюрку приложил.

 

Если это решение само генерит сетки по настройкам прямо в катии, продувает и выдаёт в неё же результат, чтобы одной строкой в штатном примитиве "Правило/реакция" сказать "считай, данные сюда" и задать цикл оптимизации - то надо думать - нужны ли мне внешние костыли с макросами. Если тамошний решатель сможет ещё и кластеры вычислительные запрягать - отличный и надёжный вариант, осталось решить - браться за освоение или нет)))

 

450117.pdf

14 часов назад, a_schelyaev сказал:

Тут товарищ оптимизирует за счёт повышения гладкости кривой дужки профиля. Типа выше третьей производной.

Пургу гоните. некоторые математические кривые трудно аппроксимировать теми кривыми, что вы оперируете.)))

ansys-fluent-for-catia.pdf

Edited March 13 by zerganalizer

[a_schelyaev 381]

29 минут назад, zerganalizer сказал:

Я не вылизываю обводы - я могу построить то, что ваши оптимизаторы не МОГУТ В ПРИНЦИПЕ построить. Если, как в X-foil оптимизировать профиль из нурбсы со столь малым количеством опорных точек и низкой степени - она не сможет пройти через нужные точки с нужной кривизной.

То, чем вы увлекаетесь, в практике плазового отдела ОКБ называлось "вылизывать теорию". Загоняли профиль опорный в инструмент типа Маткад и там с ним возились до просветления. Потом голову ломали, как это в реальности изготовить, если даже маршрут в ЧПУ не на основе исходной CAD-поверхности, а на основе триангуляции на ее основе, т.е. STL.

 

Вы точно поняли суть приведенного мною слайда с параметрами профиля? Вы уверены? 

Задача оптимизации обводов всегда ставится вокруг редуцирования параметрического ядра модели - за какое минимальное количество геометрических вы можете менять нужным образом модель с требуемым качеством обводов и с сохранением ограничений.
Если вам нужно двигать сотни точек образующей контур профиля по X и Y, т.е. удвоение количества параметров, то флаг в руки. Дальше вопрос с каким линейным шагом вы будете это делать, если у вас речь идет о производных высших порядков. Это еще кратно увеличит количество рассматриваемых вариантов.

И это только профиль, не крыло.

 

 

[green_fly 25]

29 минут назад, zerganalizer сказал:

Вы правда надеетесь, что на таком кто-то лететь захочет???

Вроде как это демонстрационная задача, показывающая возможности ПО. Никто на этом никуда не полетит.

38 минут назад, zerganalizer сказал:

Это дебри, куда оптимизаторы не совались - ядрышки не тянут такое.

Смело. Больше напоминает притчу про Неуловимого Джо.

[zerganalizer 590]

1 час назад, a_schelyaev сказал:

Если вам нужно двигать сотни точек образующей контур профиля по X и Y

Если соединять точки сплайном - то да, но в последних моих решениях формульные кривые высоких порядков (быстрее всего "туннельные профили" сходу строит кривулина 22 степени и чуть медленнее, но ближе к бОльшему числу точек - 26 степень, проходящие через 8-15 точек (только верхняя дужка) + несколько десятков коэффициентов в формуле.

 

Отсюда и говорю - существующие кривулины слишком "грубы", не дают нужных градиентов кривизны. Отклонение в носовой части в пару мм в толщине, другой градиент= профиль БЕЗ туннеля, с посредственными результатами продувки x-foil (-30% аэродинамического качества). Кривулины сильно похожи, но на метровой хорде 2мм в верхней дужке отклонений показывают падение качества на 20-30%.

1 час назад, green_fly сказал:

Вроде как это демонстрационная задача, показывающая возможности ПО. Никто на этом никуда не полетит.

Хрена себе демонстрашка. Нафига уродство в ранг правильного подхода возводить? Оптимизатор на моих профилях не скатывается в подобное - математика кривулин не даст.

[a_schelyaev 381]

1 час назад, zerganalizer сказал:

Хрена себе демонстрашка.

У вас серийный самолет на ваших профилях или крыле летает?

[zerganalizer 590]

1 час назад, a_schelyaev сказал:

серийный самолет на ваших профилях или крыле летает?

 Возможность запустить самолёт с кривой геометрией вовсе не означает его качество. МС-21 живой пример.

[a_schelyaev 381]

2 часа назад, zerganalizer сказал:

 Возможность запустить самолёт с кривой геометрией вовсе не означает его качество. МС-21 живой пример.

Наобещали значит...

[zerganalizer 590]

20 часов назад, a_schelyaev сказал:

Потом голову ломали, как это в реальности изготовить, если даже маршрут в ЧПУ не на основе исходной CAD-поверхности, а на основе триангуляции на ее основе, т.е. STL.

Мне проще - я хочу исходное задание и результат иметь в том же виде поверхностей class A, т.е. в исходнике. А оптимизация - "где-то там повертелась и показала" как правильно подстроить конфигуратор. Аналогично - по профилям.

13 часов назад, a_schelyaev сказал:

Наобещали значит...

Я вообще пока присматриваюсь к теме - стоит ли влазить? Профили свои я всё-таки проверю (есть чОткий алгоритм), а дальше - как пойдёт...

[a_schelyaev 381]

33 минуты назад, zerganalizer сказал:

А оптимизация - "где-то там повертелась и показала" как правильно подстроить конфигуратор.

Постройте по STL распределение кривизны с аппрокисирующей функцией из ЧПУ. Прослезитесь.

[zerganalizer 590]

4 минуты назад, a_schelyaev сказал:

Постройте по STL распределение кривизны

Не буду по STL, забуду про него - на входе оптимизатора будут class A и после оптимизации - они же, модифицированные. Остальные предложения - в топку истории.

[zerganalizer 590]

 

[a_schelyaev 381]

14.03.2025 в 11:07, zerganalizer сказал:

Не буду по STL, забуду про него - на входе оптимизатора будут class A и после оптимизации - они же, модифицированные. Остальные предложения - в топку истории.

А на входе в расчетное приложение что будет?

[zerganalizer 590]

Для профиля - файл с точками, которые расставила моя фича в catia. SU2 так умеет. Для крыла думаю Флюинт поюзать, for CATIA.

[zerganalizer 590]

Такие вот новости...

[zerganalizer 590]

Если никто не хочет обсуждать тему правильного построения крыла и автоматизацию анализов, то лучше тему и закрыть. Пакетный анализ частично запустил - осталось прописать сбор нужной статистики и объединение её в поляры. Или родную починить - но пишут, для её нормальной работы SU2 надо откомпилить. Как получу поляры - отпишусь.