کاربردهای CFD در صنایع هوافضا

CFD Application In Aerospace Industries

امروزه دینامیک سیالات محاسباتی، CFD، بطور روز افزونی نقشی حیاتی در تحلیل، طراحی، تأیید و پشتیبانی محاسباتی محصولات هوافضایی بازی می‌کند. در این مطلب سعی شده تا وضعیت CFD در صنایع هوافضا تشریح گردد و فرصت‌هایی که به CFD امکان می‌دهد تا تأثیر به مراتب بیشتر و عمیق‌تری در این صنایع بگذارد معرفی گردد. البته چالش‌های پیش روی CFD در صنعت هوافضا و بویژه در حوزه‌های حل عددی، قدرت محاسباتی و مدلسازی فیزیکی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. پیش بینی می‌شود جامعه مهندسی بتواند توازن مطلوبی بین اشتیاق و سختی استفاده از CFD در صنایع هوافضا یافته و از این روش بطور بهینه استفاده کند.

توسعه سخت‌افزاری پردازنده‌های محاسباتی حیرت انگیز است. نگاهی به رشد سخت افزاری رایانه‌ها طی سه دهه گذشته دلیلی بر اثبات این ادعاست. بنابراین برای اینکه بتوان از CFD در کنار قدرت سخت افزارهای رایانه‌ای استفاده بهینه برد لازمست تا CFD قابلیت اطمینان بیشتری یافته (افزایش قابلیت اطمینان نرم افزار و تخصص کاربر)، قابل فهم‌تر شده، متداول‌تر گشته و از همه مهمتر اینکه بتواند با سایر فرآیندها، نرم افزارها و دیسیپلین‌های مهندسی ارتباط بیشتری پیدا کرده و تجمیع شود. این مهم در صنایع هوافضا امری بسیار مهم است چرا که هوافضا را می‌توان پرچم‌دار استفاده از CFD در دنیای مهندسی شمرد. کاربرد CFD در صنایع هوافضا را می‌توان به چند حوزه شاخص و اصلی آئرودینامیک، بارگذاری، دینامیک و کنترل پرواز، پیشرانش، پشتیبانی حیات، ارابه فرود، هیدرولیک/نیوماتیک و اویونیک دسته بندی نمود.

آئرودینامیک (Aerodynamic)

آئرودینامیک را می‌توان یکی از قدیمی‌ترین جولانگاه‌های CFD برشمرد. گستره کاربرد بسیار بالا با عدم قطعیت بسیار مشخصه اصلی این حوزه است. از حل میدان جریان اطراف یک پر پرنده تا میدان جریان حول سفینه‌های ارسالی به کرات دیگر در هنگام ورود به جو آن‌ها به خانواده مسائل آئرودینامیک تعلق دارد. تعیین ضرائب آئرودینامیکی برای طراحی آئرودینامیک وسایل پرنده، بهینه سازی شکل ظاهری وسایل پرنده و تجهیزاتش برای افزایش کارایی آئرودینامیکی -کاهش نیروی درگ و اختلالات آئرودینایمیکی مثل اثر فرووزش (Downwash)- و بررسی اثر پدیده‌هایی نظیر جدایش یا تغییر شکل اجسام روی رفتار آئرودینامیکی از مهمترین مسائل مطرح کاربرد CFD در آئرودینامیک به شمار می‌روند.

جریان‌های پایا، ناپایا، غیر لزج، آرام، آشفته، تراکم ناپذیر و تراکم‌ پذیر مهمترین جریان‌های مطرح در آئرودینامیک وسایل پرنده می‌باشند. البته درتحلیل‌های پرواز وسایل پرنده زیر باران و یا در گرد و غبار شاهد جریان‌های دو یا چند فازی امتزاجی هستیم که باید ملاحظات مربوط به آن‌ها در هنگام شبیه‌سازی لحاظ گردد.

مثل تمام بردارهای نیرو، نیروی آئرودینامیکی نیز از سه مؤلفه نیروی برا (Lift Force)، نیروی پسا (Drag Force) و نیروی جانبی (Side Force) تشکیل شده است. در استفاده از CFD برای محاسبه نیروهای آئرودینامیکی همواره با مشکل عدم دقت کامل بویژه برای نیروی درگ مواجه هستیم. نیروی پسا از دو بخش نیروی فشاری و نیروی اصطکاکی برخوردار است که نیروی اصطکاک بخش چالش برانگیز ماجراست. دلیل این امر وابستگی نیروی اصطکاکی به بردار سرعت در لایه مرزی و لزجت آشفتگی می‌باشد. تعیین دقیق بردار سرعت در لایه مرزی مستلزم شبکه مناسب برای لایه مرزی است. محاسبه لزجت آشفتگی با دقت مناسب نیز شبیه سازی دقیق آشفتگی را طلب می‌کند. تجربه نشان داده است که در حل میدان جریان آشفته با استفاده از معادلات RANS، معمولا مقدار ضریب پسا بیش از مقدار واقعی (Over Stimate) تخمین زده می‌شود

طبق گفته بالا آشفتگی، امواج شوک، شبکه‌های محاسباتی، مدل‌سازی‌های هندسی، فیزیکی و ریاضی منابع اصلی خطا و عدم قطعیت در استفاده از روش‌های CFD درحوزه آئرودینامیک هستند. امروزه مقدار سنجی غیر قطعی (پاسخ‌های با دقت‌های نامعلوم) به ویژه برای ضرائب پسا (Drag)، ممان غلتشی (Rolling Moment) و ممان سمتی (Yawing Moment) مهمترین چالش در دنیای آئرودینامیک محاسباتی می‌باشد و به عنوان یک هدف نهایی در نظر گرفته شده است. هرچند که فعلا برای نیل به آن عجله‌ای احساس نمی‌شود. به عنوان مثال چشم انداز استفاده از مدل‌های آشفتگی RANS برای شبیه‌سازی جریان‌های آشفته پایا مطلوب است چرا که بیش از یک دهه است که استفاده از این مدل‌ها بدون مداخله کاربر برای هندسه‌های پیچیده سه بعدی پاسخ‌هایی با دقت قابل قبول به همراه دارد. از آنجائیکه هنوز عملکرد exaplopها (پردازنده‌هایی با محاسبات بسیار سریع در مقیاس میلیارد در میلیارد (18^10)عمل محاسباتی در ثانیه) تثبیت نشده است، هنوز استفاده از معادلات فیلتر شده Large Eddy Simulation: LES) برای کاربردهای سنگین هوافضایی با رینولدزهای بسیار بالا عملیاتی نشده است اما تقریبهای هیبریدی RANS-LES پتانسیل بالایی برای توسعه و استفاده خواهند داشت. بطور کلی می‌توان گفت که در آئرودینامیک پایا عدم قطعیت‌های آزار دهنده وجود ندارد. اما در مسائل مرتبط با آئرودینامیک ناپایا با چالش‌های جدی از قبیل سخت افزار، هزینه، روش‌های حل و همچنین تخصص و تجربه‌ی کاربر CFD رو به رو هستیم. در شکل زیر اینفوگرافیک گستره و نفوذ CFD در آئرودینامیک هواپیما نشان داده شده است.

بارگذاری (Loading)

نیروهای آئرودینامیکی بخش غالب نیروهای وارد بر سازه وسایل پرنده می‌باشد. از این‌رو در طراحی المان‌های سازه‌ای همچون ریب‌ها (Ribs)، اسپارها (Spars)، پوسته‌ها، اتصالات و لولاهای بال، دم، سطوح کنترل، ارابه فرود و موتورها، محاسبه نیروهای آئرودینامیکی با دقت مناسب از اهمیت بسیاری برخوردار است. نیروهای آئرودینامیکی را می‌توان به دو دسته نیروهای استاتیکی و دینامیکی تقسیم‌بندی نمود. در طراحی سازه، نیروهای استاتیکی برای تحلیل استاتیکی سازه و نیروهای دینامیکی برای تحلیل دینامیکی از جمله ارتعاشات و مودال مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در تحلیل استاتیکی سازه نیروهای آئرودینامیک استاتیکی (برا، پسا و نیروی جانبی) به همراه ممان‌های آئرودینامیکی (پیچشی، غلتشی و سمتی) تأثیر گذارند. همچنین از آنجائیکه ضریب برا متأثر از اختلاف فشار است، خوشبختانه برای محاسبه این ضریب با استفاده از روش‌های عددی با مشکل حادی رو به رو نیستیم. اما همانطور که در مطلب قبل عنوان شد دقت محاسبه ضریب پسا همیشه مسئله ساز بوده است و این خبر بدی است! اما خبر خوب اینکه اولا تجربه نشان داده است که ضریب پسای محاسبه شده با استفاده از روش‌های RANS بیشتر از مقدار واقعی است که خود به نوعی ضریب اطمینان در طراحی سازه محسوب می‌شود. ثانیا در وسایل پرنده بالدار مثل هواپیماها و بالگردها، نیروی برا نیروی اصلی آئرودینامیکی است و در نتیجه نقشی اساسی در بارگذاری آئرودینامیکی بازی می‌کند. بارگذاری آئرودینامیکی عمدتا بر بصورت توزیع فشار خطی در مقاطع طولی و عرضی و یا توزیع فشار گسترده روی سطوح وسایل پرنده در روش‌های مهندسی و استفاده از نرم افزارهای المان محدود برای تحلیل وطراحی سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نیروهای آئرودینامیکی ناپایا عمدتا ناشی از ماهیت ناپایایی جریان آشفته می‌باشد و د رپدیده‌هایی همچون فلاتر (Flutter)، بافتینگ (Bufetting) و در کل آئروالاستیسیته دارد. در چنین شرایطی کوپلینگ محاسبات بین سیال و سازه یا همان اندرکنش سازه و سیال (Fluid-Solid Interaction) اجتناب ناپذیر است. در گذشته انجام محاسباتی این چنینی تقریبا غیر ممکن بود. اما امروزه با پیشرفت نرم افزارهای چند منظوره محاسباتی(Multi Physics) از جمله در بسته نرم افزاری Ansys شبیه سازی اندرکنش سازه و سیال به امری رایج و البته هیجان‌ انگیز تبدیل شده است. مشکلات محاسبه نیروهای آئرودینامیک ناپایا به مراتب بیشتر از حالت پایا است. سختی همگرایی، دقت در گام زمانی، مدل‌های فیزیکی و از همه مهتر زمان بسیار زیاد شبیه‌سازی مهمترین موانع و مشکلات بارگذاری دینامیکی نیروهای محاسباتی و تحلیل‌های سازه‌ای مرتبط به حساب می‌آیند.

همانند حوزه آئرودینامیکی، جریان‌های پایا، ناپایا، غیر لزج، آرام، آشفته، تراکم ناپذیر و تراکم‌ پذیر مهمترین جریان‌های مطرح در بارگذاری می‌باشند.

دینامیک و کنترل پرواز (Flight Control and Dynamics)

اکثرنتایج CFD مورد استفاده در آئرودینامیک در دینامیک و کنترل پرواز نیز استفاده می‌شود. نیروها، ممان‌ها و ضرائب آئرودینامیکی و همچنین ضرائب میرائی در حالت Clean وسایل پرنده از این دسته هستند. محاسبه تغییرات ضرایب آئرودینامیک و میرائی نسبت به تغییرات سطوح کنترل از مهمترین کاربردهای CFD در دینامیک و کنترل پرواز می‌باشد.

محاسبه تمامی ضرایب میرائی مستلزم حل ناپایای جریان است. البته در محاسبه این ضرایب مسئله چندان ساده‌ نیست و نمی‌توان بطور مستقیم از نتایج CFD، ضرایب میرائی را استخراج نمود. به عنوان مثال برای محاسبه ضریب میرایی طولی (که ترکیبی از دو حرکت پلانجینگ (Plunging) و پیچشی (Pitching) است) در روش‌های CFD، ابتدا لازمست که از روش‌های نوسان اجباری برای نوسان دامنه محاسباتی استفاده شده و مقدار ضریب ممان پیچشی بدست آید و سپس با یکی از روش‌های بسط سری فوریه و یا روش حرکت صفحه انتقالی، ضریب میرایی مورد نظر محاسبه گردد.

البته با استفاده از CFD می‌توان بطور بلادرنگ تغییرات ضرایب آئرودینامیکی ناشی از تغییرات شبه پیوسته سطوح کنترلی را بدست آورد. اینکار با حل جریان ناپایا امکان‌پذیر است و هرچه گام زمانی کوچکتر باشد پاسخ‌ها به واقعیت نزدیک‌تر خواهد بود. نکته جالب توجه دیگر اینکه می‌توان مسائل جالب پرواز آزاد (همراه با شش درجه آزادی) وسایل پرنده را نیز مدل نمود. بطور کلی اعمال حرکت‌های کنترل شده و آزاد برای اجسام در محاسباتی CFD با استفاده از نرم افزارهای معروف Fluent و CFX امکان پذیر است.

رژیم‌های اصلی جریان در بحث دینامیک و کنترل پرواز شامل جریان‌های تراکم ناپذیر، تراکم پذیر، غیر لزج، آرام، آشفته، پایا و ناپایا می‌باشد.

پیشرانش (Propulsion)

زیر سیستم پیشرانش را می‌توان یکی از چالش برانگیزترین حوزه‌های استفاده از CFD برشمرد. تنوع فیزیکی جریان‌های حاکم و همچنین پیچیدگی‌های هندسی (بویژه در مورد موتورهای جت) شبیه‌سازی را مشکل می‌کند. جریان‌های تراکم ناپذیر و تراکم پذیر در ورودی‌ هوای (Air Intake) انواع موتورها؛ جریان‌های تراکم پذیر دوفازی همراه با واکنش‌های شیمیایی (احتراق) در انژکتورها (Injectors) و محفظه‌های احتراق (Combustion Chamber)؛ جریان‌های تراکم پذیر دورانی در کمپرسورهای شعاعی و محوری (Axial and Radial Compressors) و توربین‌ها (Turbines)؛ جریان‌های تراکم پذیر در نازل‌ و خروجی‌ (Exhaust) موتورها و در نهایت جریان‌های چند فازی امتزاجی و غیر امتزاجی در مخازن سوخت (Fuel Tanks)، پمپ‌ها، شیرالات، لوله‌ها و شلنگ‌ها که اکثرا همراه با آشفتگی و انتقال حرارت نیز می‌باشند گستردگی رژیم‌های جریان در پیشرانش وسایل پرنده را نشان می‌دهد. سیستم‌های پیشرانش توربوفن (Turbofan) یکی از پیچیده‌ترین موتورهای صنایع هوافضایی از لحاظ تحلیل، طراحی، ساخت و تنوع قطعات تشکیل دهنده می‌باشد که تمامی رژیم‌های جریان شرح داده شده در بالا را در خود می‌بیند.

دهانه ورودی هوای وسایل پرنده می‌تواند تراکم ناپذیر (برای هواپیماهای فوق سبک پیستونی)، تراکم ناپذیر زیر صوت و حتی مافوق صوت باشد. بهینه سازی آئرودینامیکی دهانه ورودی هوای موتور وسایل پرنده همواره یکی از دغدغه‌های فکری طراحان است. ورود حداکثری میزان هوای ورودی، سطح مقطع حداقلی ورودی هوا، توزیع فشار مناسب هوای ورودی و از همه مهمتر عدم واماندگی موتور بخاطر قطع یا کاهش شدید و ناگهانی هوای ورودی به موتور، مطلوب هر طراحی به شمار می‌رود. خوشبختانه CFD در پدیده شناسی و درک رفتار هوای ورودی به موتور در شرائط پروازی مختلف، کمک بسیاری می‌کند. اهمیت استفاده از CFD برای طراحی ورودی هوای وسایل پرنده چابک چند برابر می‌شود.

به جرأت می‌توان گفت که محفظه احتراق پیچیده‌ترین مؤلفه سیستم‌های پیشرانش از نظر شبیه‌سازی می‌باشد. در اولین گام شبیه سازی در محفظه‌های سوخت بحث چگونگی پاشش سوخت و انژکتورها مطرح است. هنوز روشی مشخصی وجود ندارد که بوسیله آن بتوان تک تک قطرات از میلیون‌ها قطرات بسیار کوچک ریز تولید شده در انژکتورها و پاشیده شده به محفظه احتراق را رصد کرده و میزان تبخیر و همچنین واکنش آن‌ها را شبیه سازی نمود. بدیهی است که یکی از مهمترین محدودیت‌های این نوع شبیه‌سازی‌ها، توان محاسباتی فعلی سخت افزارهاست. در حال حاضر برمبنای تئوری‌های آمار و احتمالات و همچنین توابع چگالی محتمل (Probability Density Functions) به پیش‌بینی پارامترهای کلی نظیر قطر میانگین ساتر (Sauter Mean Diameter:SMD) بسنده شده است و در نرم افزارهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. در موضوع مدلسازی احتراق هم مشخص است امکان دقیق شبیه‌سازی تمامی واکنش‌های رخ دهنده اعم از واکنش‌های یک طرف و واکنش‌های دو طرفه وجود ندارد. علی رغم تمامی مطالب نا امید کننده بالا، CFD مهمترین، کامل‌ترین و دقیق‌ترین مرجع محاسباتی حل میدان جریان‌های تراکم پذیر آشفته همراه با واکنش شیمیایی در محفظه احتراق است و استفاده از آن روز به روز افزایش می‌یابد.

تراکم پذیری، آشفتگی، دوران و انتقال حرارت از مهمترین مشخصه‌های جریان در فن‌ها، کمپرسورها و بویژه توربنین‌ها (بخاطر خنک کاری) هستند. اکثر نرم افزارهای CFD از جمله Fluent و CFX قادر به شبیه‌سازی تمامی فیزیک حاکم بر جریان در تجهیزات یاد شده می‌باشند. اما همچنان مشکل محدودیت‌‌های سخت افزاری بوِیژه برای حل مسائل وابسته به زمان در توربین‌ها و کمپرسورها وجود دارد. کارایی CFD در مدلسازی انتقال حرارت آن‌ را به ابزاری ضروری در تحلیل و خنک کاری تجهیزات موتور بویژه تیغه‌های توربین تبدیل کرده است.

به فرآخور الزامات طراحی و ساخت، لازمست میدان جریان در تجهیزات ذخیره و توزیع سوخت حل شود. محاسبه فشار سیال در مخازن تحت فشار بویژه در هنگام شارژ یا دشارژ علاوه بر تعیین میزان فشار در مسیر سوخت، برای طراحی دیواره مخزن نیز مهم است. شناسایی دقیق پدیده کاویتاسیون در پمپ‌ها بخصوص برای پمپ‌های با عمر مفید بالا به منظور پیش‌بینی خوردگی در تیغه‌ها امری حیاتی است. دانش مناسب در مورد چگونگی عملکرد شیرها و تغییرات مشخصات جریان از جمله فشار در بالا و پایین‌دست شیرها در طراحی خود شیر و همچنین سیستم سوخت رسانی غیر قابل چشم پوشی است. کیفیت سوخت گیری، تخلیه اضطراری و البته پدیده تلاطم در مخازن سوخت هنگام سوخت گیری و پرواز پرنده‌های آهنین مسئله‌ای نیست که از کنار آن به سادگی گذشت. تمامی موارد فوق و بسیاری از موارد دیگر مرتبط با سیالات در تجهیزات سوخت رسانی را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلف CFD مورد مطالعه و ارزیابی قرار داد و در طراحی‌ وسایل پرنده بکار گرفت.

شاید ساده‌ترین بخش رژیم‌های جریان در سیستم‌های پیشرانش، جریان‌های عبوری از نازل‌ها و خروجی‌های موتورها باشد. جریان‌های عبوری از خروجی موتورها عموما به بصورت جریان‌ پایا، تراکم پذیر و تک فاز مدلسازی می‌شود. البته هستند مواردی مثل طراحی موتورهای سوخت جامد، که در آن شبیه‌سازی جریان‌های چندفازی امتزاجی برای بررسی اثرات ذرات ریز تولید شده از سوزش موتور روی پارامترهای مختلف، مطلوب می‌شود. اما مهمترین مسئله در جریان خروجی موتور، بحث نویزهای آئرودینایمیک (آکوستیک) است که قوانینی سخت محکم در استانداردهای زیست محیطی دارد. برای تعیین میزان نویز تولیدی توسط موتورها اغلب حل میدان جریان ناپایا مدنظر است هر چند در روش‌هایی مثل مدل‌های پهن باند (Broadband Acoustic Model) جریان را می‌توان مستقل از زمان نیز حل کرد.

اثرات چرخش ملخ روی ضرایب آئرودینامیکی  یک هواپیمای سبک.

پشتیبانی حیات (Life Support)

قابلیت اطمینان فناوری و تجهیزات بخصوص بخش پشتیبانی و حیات مهمترین اصل در توسعه و بکارگیری سامانه‌های هوانوردی و فضانوردی سرنشین‌دار می‌باشد. سیستم‌های پشتیبانی حیات گستره وسیعی از تجهیزات نظیر سامانه‌های تأمین فشار، گرمایش، سرمایش، کنترل آلاینده‌های هوا، تأمین اکسیژن، جذب دی‌اکسید کربن، تخلیه پس‌ماندها و فضولات انسانی، کلاه‌های هوانوردی و فضا نوردی و همچنین سیستم‌های تخلیه و فرار مسافرین، خدمه و خلبانان/فضانوردان از سرسره‌های بادی گرفته تا صندلی پران را شامل می‌شوند. جریان‌های پایا، ناپایا، آشفته و در برخی موارد چند فازی و یا همراه با گونه‌های مختلف شیمیایی از اهم جریانات حاکم بر این بخش هستند هر چند لازمست از جریان‌هایی مثل جریان دورانی برای فن‌ها و جریان در نواحی متخلخل برای فیلترها نیز نام برده شود.

با شبیه‌سازی تهویه مطبوع داخل کابین مسافران، خدمه، خلبانان و یا فضانوردان، می‌توان مواردی همچون کیفیت و کمیت توزیع دمایی، انتشار ذرات و آلاینده‌ها، فشار و رطوبت داخلی را بررسی نمود. با استفاده از CFD تقریبا مشکلی در پیش‌بینی و تعیین وضعیت موارد فوق وجود ندارد. جریان‌ پایا، تراکم‌ناپذیر و آشفته، جریان اصلی حاکم بر فضای داخل کابین می‌باشد. در صورت وجود آلودگی مثل انتشار دود آنگاه ویژگی‌ گونه‌های شیمیایی بدون یا با واکنش شیمیایی نیز به خصوصیات جریان داخل کابین اضافه خواهد شد. اهمیت تهویه مطبوع برای سامانه‌های هوانوردی مسافربری دور برد بسیار بیشتر است چرا که در این سامانه‌ها علاوه بر مسافت و زمان طولانی مسافرانی، را جابجا می‌کنند که ممکن است کمترین تمرین و آمادگی حضور در فضاهای این چنینی را داشته باشند.

سامانه‌های تأمین اکسیژن، جذب دی اکسید کربن، تخلیه پس‌ماندها و فضولات انسانی برای هواپیماهای ارتفاع بالا، برد بلند و مداومت پروازی بسیار بالا و البته فضاپیماهای سرنشین دار بسیار حائز اهمیت است. ار آنجائیکه تأمین اکسیژن و جذب دی اکسید کربن معمولا طی فرآیند شیمیایی انجام می‌شود بنابراین با استفاده از روش‌های CFD می‌توان تولید و انتشار اکسیژن را به همراه گردش و جذب دی‌اکسید کربن شبیه سازی و کمی سازی نموده و در طراحی‌ها لحاظ نمود. گردش پسماندها و فضولات در داخل لوله‌ها و کانال‌ها تا رسیدن به مخازن مطمئن و ایزوله و همچنین تولید گازهای فاضلابی در این مخازن، از مهمترین مسائلی هستند که با با علم به دینامیک سیالات محاسباتی مطالعه و بررسی می‌شوند.

سیستم‌های تخلیه اضطراری و فرار نیز بطور غیر بی ارتباط با مکانیک سیالات نیست. هرگونه بررسی غیر آزمایشگاهی کیفی و کمی تولید و گازرسانی به سرسره‌ها و قایق‌های بادی، مقدار نیروی لازم برای فرار خلبان از هواپیما با استفاده از صندلی پران و البته کیفیت پرواز با چتر نجات بدون استفاده از CFD کیفیت لازم را نخواهد داشت. جدی‌ترین موضوع مرتبط با جان خلبانان هواپیماهای نظامی، قابلیت اطمینان و عملکرد مناسب صندلی‌های پران است. تأمین نیرو کافی در کمترین زمان، تولید بیشترین شتاب (با توجه به آستانه تحمل خلبانان) در کمترین زمان و مسیر پیموده شده توسط خلبان از بدو حرکت صندلی پران تا باز شدن چتر نجات سه الزام اصلی فاز انتقالی فرار خلبان از هواپیما تا باز شدن چتر نجات هستند. اهمیت CFD در پیش‌بینی مسیر پرتاب خلبان غیر قابل انکار است (ویدئوی زیر). اما مسئله‌ای که هنوز برای حل کردن کامل و با دقت مناسب آن به کمک CFD زود است شبیه‌سازی باز شدن چتر و تغییر شکل آن می‌باشد. اندرکنش‌های پیوسته چتر و جریان هوا همراه با پیچیدگی‌های فراوان تغییر شکل‎‌های هندسی بندها و خود چتر از زمان باز شدن تا باز شدن کامل و تغییر شکل پس از آن مهمترین موانع شبیه سازی اندرکنش سازه و سیال (Fluid Solid Interaction:FSI) می‌باشد.

اویونیک (Avionic)

بیشترین ارتباط سیستمهای اویونیکی با دینامیک سیالات محاسباتی به شبیه‌سازی روش‌های خنک کاری المانهای الکترونیکی از بردهای کامپیوتری گرفته تا باتری‌ها مربوط می‌شود. عمده جریان‌های درگیر با این مقوله جریان‌های آشفته همراه با انتقال حرارت هستند. البته هستند موارد خاصی مثل شارژ باتری‌های رزرو که شبیه‌سازی جریان‌های چند فازی در آن‌ها به محققان در درک پدیده‌هایی که در آن‌ها اتفاق می‌افتد، کمک بسیاری می‌کند.

ارابه فرود (Landing gear)

ابررسی جریان سیال حول ارابه فرود وسایل پرنده مخصوصا هواپیما از دو جهت بسیار مهم است. اول اینکه هنگامیکه ارابه فرود باز است هم از لحاظ آئرودینامیکی و هم از لحاظ ارتعاشاتی روی پرنده تأثیرات قابل توجهی دارد. دوم اینکه بازبودن ارابه فرود موجب شدت آشفتگی بیشتر جریان هوای اطراف پرنده شده و در نتیجه شدت نویز آئرودینامیکی نیز افزایش می‌یابد و لازمست که مورد بررسی قرارگیرد. البته موارد دیگری همچون بحث جریان روغن در داخل لوله‌ها و کلا هیدرولیک ارابه فرود وجود دارد که با استفاده از CFD شبیه‌سازی آن‌ها امکان‌پذیر است اما به دلیل قابل پیش‌بینی بودن رفتار سیالات عامل در این سیستم‌ها، عدم استفاده از CFD موجب بروز بحران در تحلیل و طراحی‌ ارابه فرود نمی‌شود.

سایر

علاوه بر موارد یاد شده در بالا مسائلی در علوم هوافضا هستند که برای حل آن‌ها به CFD نیاز است. برای شناخت رفتارهای سیالات عامل در تجهیزات نیوماتیکی و هیدرولیکی تقریبا در تمامی زیر سیستم‌های وسایل پرنده از جمله پیشرانش، ارابه فرود، کنترل حرات (برای سامانه‌های فضایی زمین آهنگ) و پشتیبانی حیات استفاده از CFD بسیار راه‌گشاست. هلی برد تجهیزات و سربازان یکی دیگر از مسائلی است که به حل میدان جریان آشفته ناپایا نیاز دارد. کنترل حرارت ماهواره‌ها قبل از پرتاب و در هنگام انجام آزمون‌های پذیرش با پرتابگر تا لحظه جدایش نیز از ممکن است از جمله مواردی باشد که برای انجام آن، نیاز به شبیه سازی با استفاده از ابزارهای CFD احساس گردد. انتقال حرارت بین موتور و سایر اجزای دیگر وسایل پرنده نیز یکی از الزامات طراحی‌ سامانه‌های هوافضایی است و بارها نیاز به شبیه‌سازی جریان همراه با انتقال حرارت در اطراف موتور و پوسته از طرف طراحان اعلام شده است. جان کلام اینکه در هر پدیده‌ای که سیال در آن وجود داشته باشد همواره امکان استفاده از CFD وجود دارد.

مراجع

[1]- “On the role and challenges of CFD in the aerospace industry”
.P. R. Spalart, Boeing Commercial Airplanes, Seattle, USA
,V. Venkatakrishnan, Boeing Commercial Airplanes Seattle , USA
CD-adapco, Bellevue, USA

[2]- “محاسبه نیروهای آیرودینامیکی و پیش بینی مسیر پرتاب صندلی پران و خلبان در پرش اضطراری خلبان”. محمدرضا کلیچ، محمدطیبی رهنی. اولین کنفرانس ملی آیرودینامیک و هیدرودینامیک. مهر 1391

بازگشت

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ