Проект выполнен в рамках расширения сотрудничества с Объединённой двигателестроительной корпорацией (ОДК) и направлен на оценку применимости свободно распространяемого ПО OpenFOAM в качестве альтернативы коммерческим CFD‑решениям (в частности, ANSYS) для задач российского двигателестроения. В качестве тестового кейса выбрано моделирование работы ротора NASA Rotor 67 в условиях околозвукового (трансзвукового) потока — эта конфигурация широко используется в отрасли как эталонный бенчмарк для валидации расчётных методик.

Ключевой целью было подтвердить техническую пригодность OpenFOAM для расчёта сложных аэродинамических явлений (включая срыв и запирание потока), построения аэродинамических характеристик (изоэнтропической эффективности и степени сжатия) и сопоставления результатов с экспериментальными данными. При этом учитывались практические ограничения, связанные с плотностью расчётной сетки, учётом зазора между лопаткой и корпусом, выбором модели турбулентности и точностью задания измерительных плоскостей.

По итогам первого этапа расчётов были выявлены расхождения с экспериментом, обусловленные указанными упрощениями. На втором этапе проведена доработка модели: увеличена плотность сетки, учтён зазор с корпусом, уточнено положение измерительных плоскостей, выполнены повторные расчёты. Полученные результаты, включая расчётные модели и исходный код, переданы заказчику и используются как обоснование для масштабирования практики применения OpenSource‑решений на предприятии.

Прочитать всё

ЗАДАЧА

  • оценить техническую пригодность ПО OpenFOAM как альтернативы коммерческим CFD‑пакетам (например, ANSYS) для актуальных задач российского двигателестроения;
  • выполнить моделирование работы ротора NASA Rotor 67 в режиме околозвукового (трансзвукового) течения и подтвердить способность OpenFOAM фиксировать критические аэродинамические явления (срыв, запирание потока);
  • построить аэродинамические характеристики ротора (изоэнтропическую эффективность и степень сжатия) и обеспечить сопоставимость расчётов с экспериментальными методиками (корректный выбор плоскостей съёма данных и процедуры усреднения);
  • выявить причины расхождений расчётных данных с экспериментом и предложить меры по повышению точности моделирования;
  • провести серию уточнённых расчётов (увеличение плотности сетки, учёт зазора лопатка‑корпус, точная привязка измерительных плоскостей) и передать результаты заказчику для практического применения;
  • сформировать методическую базу и доказательную основу для расширения использования OpenSource‑инструментов на предприятиях ОДК.

РЕШЕНИЕ

  • в качестве расчётной платформы выбран OpenFOAM (OpenSource‑решение для вычислительной гидродинамики на базе метода конечных объёмов — FVM); для препроцессинга и управления расчётами использован комплекс Visual‑Environment для OpenFOAM;
  • построена расчётная модель ротора NASA Rotor 67, адаптированная под условия трансзвукового течения; на первом этапе использована сетка плотностью ~900 000 ячеек, модель турбулентности k‑ε;
  • выполнены расчёты в широком диапазоне режимов работы ротора, включая критические состояния (срыв и запирание потока); построены аэродинамические характеристики (изоэнтропическая эффективность, степень сжатия) с применением методик усреднения, аналогичных обработке экспериментальных данных;
  • проведён сравнительный анализ расчётных и экспериментальных результатов; выявлены основные источники расхождений: низкая плотность сетки, отсутствие учёта зазора лопатка‑корпус, неточность позиционирования измерительных плоскостей;
  • на втором этапе реализована доработка расчётной модели: создана более плотная сетка, учтён зазор между лопаткой и корпусом, уточнены положения измерительных плоскостей; проведены повторные расчёты;
  • результаты (модели, код, отчётные материалы) переданы предприятию для интеграции в практику проектирования; сформированы рекомендации по дальнейшему применению OpenFOAM и методикам валидации расчётов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

  • подтверждена техническая пригодность OpenFOAM для моделирования трансзвуковых течений в осевых компрессорных роторах, включая фиксацию критических режимов (срыв, запирание);
  • продемонстрирована возможность построения достоверных аэродинамических характеристик (эффективность, степень сжатия) при условии корректного выбора плоскостей съёма и методики усреднения;
  • выявлены и количественно оценены ключевые факторы, влияющие на точность расчётов: плотность сетки, учёт зазора, позиционирование измерительных сечений, выбор модели турбулентности;
  • за счёт доработки расчётной модели (более плотная сетка, учёт зазора, точное позиционирование) удалось существенно повысить сходимость результатов с экспериментом;
  • переданы заказчику готовые расчётные модели, исходный код и отчётные материалы, пригодные для практического использования при проектировании новых изделий;
  • проект стал методической основой для расширения практики применения OpenSource‑кодов на предприятии: в работе находится 5 коммерческих проектов, результаты которых будут использоваться для обоснования масштабирования подхода;
  • показана реальная возможность импортозамещения коммерческих CFD‑решений за счёт применения OpenFOAM при сохранении требуемого уровня точности и валидируемости расчётов.

Отрасль

Авиакосмическая промышленность, Машиностроение, турбомашиностроение

Заказчик

АО «Объединённая двигателестроительная корпорация»

Используемое ПО