Altair® FlightStream™ to rewolucyjne oprogramowanie przeznaczone do symulacji aerodynamicznych. Łączy ono metody panelowe z nowoczesnymi technikami obliczeniowymi, pozwalając na uwzględnienie zjawisk związanych z lepkością i ściśliwością, wyznaczanie pól ciśnienia i prędkości oraz obserwowanie stref oderwania. Solver jest zintegrowany z preprocesorami i postprocesorami firmy Altair. Dzięki temu wypełnia lukę pomiędzy klasycznymi symulacjami CFD a prostymi modelami inżynierskimi. W przeciwieństwie do typowych metod CFD, FlightStream nie wykorzystuje siatki objętościowej – modelowane są jedynie powierzchnie ograniczające przepływ. Pozwala to na znaczne zmniejszenie zadania obliczeniowego, a w konsekwencji – znaczące skrócenie czasu symulacji.

Metoda panelowa – efektywna i szybka alternatywa dla klasycznego CFD

Oprogramowanie FlightStream wykorzystuje metodę panelową, oryginalnie opracowaną dla przepływu potencjalnego. Jej istotą jest wykorzystanie kombinacji wirów i źródeł w każdej komórce zamodelowanej powierzchni – tak, aby spełniony był warunek nieprzenikalności ścian. Aby uwzględnić zjawiska związane ze ściśliwością płynu, FlightStream nie wykorzystuje jednak modelu przepływu potencjalnego, a równania Prandtla-Glauerta. Choć w klasycznej metodzie CFD również zadawany jest warunek brzegowy na ścianie, równania są rozwiązywane w całej objętości płynu. W porównaniu do metod opartych na równaniach Naviera-Stokesa, rozwiązujących układ w siatce objętościowej, metody panelowe są znacznie mniej kosztowne obliczeniowo, co znacząco skraca czas potrzebny na ich wykonanie.

Na poniższym wykresie zestawiono różne metody obliczeniowe stosowane w symulacjach aerodynamicznych. Jak widać, metody oparte na równaniach Naviera-Stokesa pozwalają na uwzględnienie wielu skomplikowanych zjawisk płynu, ale w konsekwencji czas obliczeń jest bardzo długi. W celu prowadzenia bardzo prostych analiz można użyć empirycznych wzorów i modeli inżynierskich. Często jednak chcemy przeanalizować skomplikowane geometrie bez uwzględniania trudnych do modelowania zjawisk. Właśnie na tę potrzebę odpowiada metoda panelowa, która pozwala na analizę bardziej skomplikowanych geometrii w krótkim czasie.

Dlaczego warto wybrać FlightStream?

Główne zalety oprogramowania:

  • Prostsze generowanie siatki – dzięki wykorzystaniu siatki powierzchniowej.
  • Skrócenie czasu obliczeń – sprowadzenie zadania rozwiązania pola przepływu do powierzchni zmniejsza wymiar zadania.
  • Zapewniona dokładność obliczeń – wyniki zostały zweryfikowane w tunelach aerodynamicznych.
  • Intuicyjny interfejs – dobrze zaprojektowany ułatwia codzienną pracę.
  • Możliwość automatyzacji – dzięki opcji pisania i uruchamiania skryptów.

Wszechstronne zastosowanie FlightStream

Możliwości programu FlightStream sprawiają, że może być on wykorzystywany w różnych branżach. Poniżej przedstawiliśmy kilka możliwych zastosowań:

  • Lotnictwo i obronność: analizy aerodynamiczne samolotów, dronów i pocisków. Umożliwia modelowanie powierzchni sterowych.
  • Motoryzacja: głównie do wyznaczenia parametrów opływu samochodu. Pozwala uwzględnić ruch auta po powierzchni oraz obrót kół.
  • Energetyka: modelowanie turbin wiatrowych oraz wodnych w branży odnawialnych źródeł energii.
  • Maszyny przepływowe: modelowanie sprężarek, pomp i silników lotniczych, dzięki obsłudze zjawisk związanych z lepkością oraz modelom płynów ściśliwych.
  • Branża morska: wyznaczanie sił hydrodynamicznych działających na kadłub statku lub łodzi podwodnej.

FlightStream pozwala na modelowanie płynów w różnych reżimach:

  • nieściśliwym – stosowany w modelowaniu cieczy oraz wolnych przepływów gazów, np. w analizie opływu powietrza wokół samochodu lub wody wokół kadłubów statków morskich.
  • poddźwiękowym – dla gazów, których strumień jest na tyle szybki, że trzeba uwzględniać zmiany gęstości, lecz prędkości znacznie mniejszej od prędkości dźwięku, np. do modelowania bardzo szybkich pociągów pasażerskich.
  • transsonicznym – dla przepływów, osiągających prędkość dźwięku, np. analizy opływu samolotów pasażerskich.
  • naddźwiękowym i hiperdźwiękowym – dla przepływów o prędkości wyższej niż prędkość dźwięku, gdzie mogą pojawiać się fale uderzeniowe, np. do modelowania myśliwców czy samolotów odrzutowych.

Dla każdego z tych zakresów FlightStream rozwiązuje odpowiednie równania opisujące dane zjawiska. Informacje, jakiego modelu należy użyć przy danej liczbie Macha (stosunek prędkości gazu do prędkości dźwięku), można znaleźć w dokumentacji oprogramowania.

Program pozwala również na modelowanie ruchu w stanie nieustalonym. Umożliwia to między innymi zbadanie przepływu generowanego wokół modelowanej geometrii w trakcie rozruchu, np. opływu wokół samochodu w trakcie startu.

Oprogramowanie uwzględnia zjawiska związane z lepkością. Program umożliwia wybór typu warstwy przyściennej: laminarna, turbulentna lub przejściowa, a także zdefiniowanie chropowatości modelowanej powierzchni, co wpływa na opory ruchu.  

FlightStream został stworzony z myślą o aerodynamice, jednak rozwój programu nie ograniczył się tylko do zagadnień związanych z opływami. Narzędzie pozwala również na modelowanie kanałów i przepływów wewnętrznych.

FlightStream pozwala również na symulacje ciał w ruchu: 

  • obrotów wokół osi,
  • translacji i obrotów zadanych przez użytkownika,
  • ruchu bryły sztywnej – wyznaczane są siły aerodynamiczne działające na ciało oraz siła wypadkowa, które pozwalają określić przyspieszenie modelowanego ciała przy pomocy podstawowych równań ruchu,
  • ciał odkształcających się (Fluid-Structure Interactions, FSI) – symulacja oddziaływań przepływu skutkujących deformacjami ciała stałego oraz wpływu deformacji ciała stałego na przepływ.

Program pozwala również na utworzenie symulacji z uwzględnieniem zjawisk związanych z akustyką oraz na wyliczenie pól akustycznych. Jest to przydatne, jeżeli projektowane urządzenie musi spełnić normy dotyczące hałasu.

Wyniki generowane przez solver FlightStream są walidowane przez producentów w tunelach aerodynamicznych. Na wykresie przedstawiono zmiany współczynnika siły nośnej w funkcji kąta natarcia. Wyniki symulacji we FlightStream pokrywały się z tymi zmierzonymi w tunelu aerodynamicznym [1].      

Integracja z CAD i MES

FlightStream umożliwia import geometrii z popularnych programów CAD, takich jak:

  • NX
  • SolidWorks
  • CATIA
  • SolidEdge
  • Autodesk Inventor
  • SharkCAD

Możliwe jest także importowanie siatek strukturalnych w celu mapowania rozkładu ciśnienia do analizy MES. Jest to niewątpliwa zaleta przy obliczeniach kadłubów metodą elementów skończonych.

Podsumowanie

FlightStream umożliwia wyznaczenie sił działających na ciało oraz pól prędkości i ciśnienia przy wykorzystaniu tylko siatki dwuwymiarowej. Program pozwala również na modelowanie przepływów z uwzględnieniem ruchomych powierzchni.

Kluczową zaletą FlightStream jest znaczne skrócenie czasu symulacji w porównaniu do klasycznych metod CFD wykorzystujących siatki objętościowe, przy zachowaniu satysfakcjonującej dokładności wyników. Ponadto daje możliwość uwzględnienia zjawisk związanych z lepkością i symulacji w wielu zakresach prędkości przepływu niezaburzonego. Dzięki temu znajduje zastosowanie nie tylko w branży lotniczej, ale także w branży automotive, morskiej oraz przy projektowaniu urządzeń energetycznych czy symulacjach maszyn przepływowych.

[1] Ahuja V., Hartfield R., “Three-dimensional Viscous Coupling & Flow Separation Enhancements to an Inviscid Surface Vorticity Flow Solver”, AIAA SciTech 2023, Maryland, January 2.