AERODYNAMICKÁ OPTIMALIZACE NÁVRHU TRUPU LETOUNU EV …
64
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ LETECKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AEROSPACE ENGINEERING AERODYNAMICKÁ OPTIMALIZACE NÁVRHU TRUPU LETOUNU EV 007 SPORTSTAR DESIGN OF AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF AIRCRAFT EV 007 SPORTSTAR FUSELAGE DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE ONDŘEJ LAJZA AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE Ing. ROBERT POPELA, Ph.D. SUPERVISOR BRNO 2008
AERODYNAMICKÁ OPTIMALIZACE NÁVRHU TRUPU LETOUNU EV …
FAKULTA STROJNÍHO INENÝRSTVÍ LETECKÝ ÚSTAV
FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AEROSPACE
ENGINEERING
AERODYNAMICKÁ OPTIMALIZACE NÁVRHU TRUPU LETOUNU EV 007
SPORTSTAR
DESIGN OF AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF AIRCRAFT EV 007 SPORTSTAR
FUSELAGE
DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS
VEDOUCÍ PRÁCE Ing. ROBERT POPELA, Ph.D. SUPERVISOR
BRNO 2008
Letecký ústav Akademický rok: 2007/08
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE
student(ka): Lajza Ondrej
obor: Letadlová technika (2301TO04)
Reditel ústavu Vám v souladu se zákonem c.11111998o vysokých
školách a se Studijním a zkušebním rádem VUT v Brne urcuje
následující téma diplomové práce:
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007
Sportstar
v anglickém jazyce:
Design of Aerodynamic Optimization of Aircraft EV 007 Sportstar
Fuselage
Strucná charakteristika problematiky úkolu:
Provedte aerodynamickou optimalizaci prvotního návrhu trupu letounu
EV 007 Sportstar. Zpracujte analýzu klícových oblastí trupu a
prechodu na nosné plochy z hlediska vlivu na odpor v reimu
maximální rychlosti. Navrhnete úpravy prvotního tvaru návrhu trupu
a zhodnotte jejich predpokládaný prínos ve zvýšení maximální
rychlosti letounu Vh. Pri navrhovaných úpravách trupu respektujte
zachování prostoru pro posádku a charakter ocasních ploch.
Cíle diplomové práce:
Vytipování kritických zdroju odporu na trupu a prechodech
krídlo-trup u letounu EV 007 Sportstar. Návrh úprav pro zvýšení
maximální rychlosti vodorovného letu, analýza efektivnosti moných
úprav.
I I
Seznam odborné literatury:
[1] Hoerner S.: Fluid Dynamic Drag [2] Hoerner S., Borst V.: Fluid
Dynamic Lift [2] Fluent users manual
Vedoucí diplomové práce:Ing. Robert Popela, Ph.D.
Termín odevzdání diplomové práce je stanoven casovým plánem
akademického roku 2007/08.
V Brne, dne 26.11.2007
Reditel ústavu
Dekan fakulty
Abstract
The diploma thesis deal with CFD based a to the aerodynamic optimalization of a
fuselage and a wing fuselage junction of LSA category aircraft EV 007. Software Fluent is
used.
Keywords
Bibliografická citace
Lajza, O. Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar. Brno: Vysoké
uení technické v Brn, Fakulta
strojního inenýrství, 2008. 64
s. Vedoucí diplomové práce
Ing. Robert Popela, Ph.D.
Prohlášení autora o pvodnosti práce
Prohlašuji, e jsem byl seznámen s pedpisy pro vypracování diplomové
práce a e jsem celou diplomovou práci, vetn píloh, vypracoval
samostatn s pouitím uvedené literatury.
V Brn dne 23.05.2008
Podkování
Chtl bych podkovat mým rodim za podporu ve studiu. Velké díky patí
vedoucímu diplomové práce Ing. Robertu Popelovi, Ph.D. za jeho
pístup, trplivost a za cenné rady v oblasti CFD výpot a
aerodynamiky. Dále dkuji Ing. Petru Doupníkovi za vyerpávající rady
pi tvorb výpoetní sít. A v neposlední ad všem pracovníkm Leteckého
ústavu.
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
1
Obsah
2.2.
Tvorba výpoetní sít DLR F4 .................................................................................... 5
2.2.1.
Sí s tetraedrálními prvky ..................................................................................... 6
2.2.2.
Sí s prizmatickými prvky na kídle ....................................................................... 7
2.2.3.
Sí s prizmatickými prvky na celém modelu ......................................................... 7
2.3.
Výpoet kalibraní úlohy ............................................................................................. 7
2.3.1.
Výpoet sít s tetraedrickými prvky ..................................................................... 7
2.3.2.
Výpoet sítí s prizmatickými prvky ....................................................................... 8
2.4.
Vyhodnocení DLR F4 .................................................................................................. 8
2.4.1.
Vyhodnocení integrálních veliin ......................................................................... 8
2.4.2.
Vyhodnocení lokálních veliin ............................................................................ 11
2.4.3.
Kontrola výpotu mezní vrstvy ........................................................................... 13
2.5.
Závr .......................................................................................................................... 13
3.1.
Popis letounu ............................................................................................................. 14
3.2.
Technická data ........................................................................................................... 14
3.3.
Úprava geometrie ...................................................................................................... 16
3.5.
Výpoet letounu EV 97 – SportStar SL ....................................................................... 20
3.6.
Vyhodnocení prvotního návrhu ................................................................................. 22
3.6.1.
Vybrání kritického místa a rozbor problému ..................................................... 22
3.7.
Úprava pechodu ....................................................................................................... 24
3.8. Porovnání upraveného pechodu
s pvodním pechodem pi 4° pi
maximální
rychlosti v horizontu ............................................................................................................. 26
3.9.
Komplexní srovnání pvodního a upraveného pechodu pi maximální horizontální
rychlosti ................................................................................................................................ 28
3.9.1.
Vztlaková ára .................................................................................................... 29
3.9.2.
Polára .................................................................................................................. 30
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
2
3.9.3.
Klouzavost .......................................................................................................... 33
3.10.
Stoupací reim ........................................................................................................ 34
3.10.1. Porovnání upraveného pechodu
s pvodním pechodem pi 6° pi
maximální stoupavosti ...................................................................................................... 35
3.10.2.
Vztlaková ára ................................................................................................. 37
8.
Seznam píloh ................................................................................................................... 44
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
3
1. Úvod
Hlavním cílem diplomové práce je definovat moné úpravy vedoucí ke sníení odporu a
tím i zvýšení rychlosti letu. Dnešní zákazník od letounu oekává, e bude létat rychle a pitom
úsporn. Jedna z cest je minimalizovat odpor na co nejmenší míru. V pípad letounu EV 97
SportStar SL
se úpravy vedoucí ke sníení odporu budu
týkat pedevším trupu a pechodu
kídlo trup.
K nalezení vhodných úprav byl
pouit program Fluent, který patí
k jednomu
z nejrozšíenjších CFD programm. Výhoda CFD spoívá pedevším v tom, e
je mono ve
spojení s CAD systémem a patiným výpoetním výkonem propoítat mnoho variant úprav
trupu a pechodu kídlotrup, ne se najde optimální varianta.
Základem CFD metod je
ešení NavierStokesových rovnic. Tyto
rovnice jsou ešeny
numericky pomocí metody konených objem. Pokud se eší turbulentní proudní, je teba
k rovnicím pidat rovnice
turbulentního modelu. Volba modelu
turbulence je dleitá a to
z toho dvodu, e kadý model
turbulence se hodí na jiný typ
úloh. Model turbulence
pidává k rovnicím nejmén
jednu další rovnici. Pro výpoty proudní v letectví byl vyvinut
model turbulence SpalartAllmaras, který pidává k rovnicím jednu rovnici.
Z výše uvedených dvod je
problémem CFD výpot správnost
výsledk. Se
zkušenostmi v oblasti aerodynamiky a CFD program vzrstá správnost výsledk. Proto byla
spolen s Jiím Hradilem a Michalem Šrtkem ešena nejprve kalibraní úloha.
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
2. Kalibraní úloha
Kalibraní úloha byla poítána
z dvod seznámení se
s potebnými programy a taky
k ovení správnosti výsledk. V neposlední ad i proto, aby byla ujasnna nkteré pravidla,
které by mla výpoetní sí splovat a jak by se mlo postupovat pi zadávání výpotu.
Pi výpotu kalibraní úlohy byly zohlednny i rzné varianty výpoetní sít.
Jako kalibraní úloha byl poítán model DLR F4, který slouí jako validaní úloha CFD
program. A taky k tomu, aby si uivatelé CFD program ovili,
jak pesných výsledk jsou schopni
dosáhnout pi svých znalostech
v oblasti CFD. Tento model
byl men v nkolika
evropských aerodynamických tunelech.
2.1. Popis modelu DLR F4
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
4
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
5
2.2. Tvorba výpoetní sít DLR F4
Výpoetní sí byla vytvoena pomocí programu ICEM CFD.
• Import geometrického modelu •
Rozdlení ploch a kivek na ásti •
Vyištní modelu od nepotebných kivek a bod
• Piazení ploše velikost element •
Výpoet sít •
Vytvoení prizmatických prvk * •
Výpoet prizmatických prvk * •
Rozdlení prizmatických prvk * •
Peskládání prizmatických prvk * •
Vyhrazení sít • Kontrola sít •
Definice okrajových podmínek •
Export sít
Pozn.: * pouze v pípad prizmatické sít
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
2.2.1. Sí s tetraedrálními prvky
Obr. 2: Velikost element
Legenda k obrázku 2 barva
velikost oranová 100 modrá 300
Na odtokové hran kídla jsou pouity elementy o velikosti 20
Celkový poet element je 925 707.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
6
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
7
2.2.2.
Sí s prizmatickými prvky na kídle
Prizmatické prvky jsou
pouity pouze na kídle. Sí
vychází z pedešlé sít
s tetraedrálními prvky. Bylo zde
pidáno 10 vrstev prizmatických prvk.
Celkový poet
element je 1 282 581.
2.2.3.
Sí s prizmatickými prvky na celém modelu
2.3. Výpoet kalibraní úlohy
Byly nastaveny následující parametry:
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
8
2.3.2. Výpoet sítí s prizmatickými prvky
Nastavení výpotu obou prizmatických sítí
je identické. Parametry výpotu
jsou a na
výjimky stejné jako v pípad sít s tetraedrálními prvky.
Rozdílné parametry:
2.4. Vyhodnocení DLR F4
Mezi nejvýznamnjší
integrální veliiny patí
souinitele: vztlaku, odporu a klopivého
momentu. Hodnoty, které byly
vypoítány CFD výpotem, byly porovnány
s mením
v tunelu ONERA S2MA.
Na grafech 1, 2 a 3 jsou zaneseny hodnoty souinitel pro dané typy sítí.
tetraedrální sí
c l [ ]
prizmatická sí kídlo prizmatická sí
celé
Graf 2: Polára
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
9
c l [ ]
prizmatická sí kídlo prizmatická sí
celé
Graf 3: Momentová ára
tetraedrální sí 38.160 10.847 80.101
prizmatická sí kídlo 13.885
41.571 38.965 prizmatická sí celé
14.257 39.496 37.829
Tab. 1: Hodnoty odchylek
10
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
2.4.2. Vyhodnocení lokálních veliin
Obr. 4: Poloha ez pro mení rozloení tlaku
V grafu 4 je srovnání
rozloení souinitele tlaku. V tomto
srovnání není sí
s tetraedrálními prvky. A to
z dvodu, e tento prvek není
schopen popsat chování mezní
vrstvy.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
11
1.5
1
0.5
0
0.5
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1c p [ ]
hloubka
referenní data prizmy kídlo prizmy celé
Graf 4 Rozloení cp v ezu 3
Z grafu 4
je vidt, e na spodní stran profilu se rozloení cp velmi blíí namenému
v tunelu. Na horní stran tomu
ji tak není, zde
jsou vtší odchylky od hodnot namených
v tunelu, ale tvar rozloení je
podobný. Odchylky jsou zpsobeny tím,
e na horní stran
kídla dochází k lokálnímu nadzvukovému proudní viz. obrázek 5.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
12
Obr. 5: Machovo íslo
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
2.4.3. Kontrola výpotu mezní vrstvy
2.5. Závr
13
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3. Letoun EV 97 SportStar SL
V dob zadání nebylo známo
pesnjší oznaení letounu. V zadání
diplomové práce je
uveden letoun EV 007 Sportstar, momentáln se letoun jmenuje EV 97 SportStar SL.
3.1. Popis letounu
Letoun EV 97 SportStar SL
je následovníkem pedchozího letounu
EV 97 Sportstar
vyrábný firmou Evektor Aerotechnik. Jedná se o celokovový, dolnoplošný
letoun kategorie LSA. Letoun slouí
ke sportovnímu létání a také
k výcviku pilot. Pedchozí typ
patí
k nejúspšnjším letounm této kategorie.
3.2. Technická data
Rozptí 8,65 m
Délka 5,98 m
Výška 2,33 m
Maximální rychlost v horizontu
213 km/h
14
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
15
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.3. Úprava geometrie
17
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
Tvarov je letoun sloitý. Na obrázcích 13 a 14 ukázáno, jak byly jednotlivé ásti letounu
pojmenovány. Vdy stejná barva patí stejným prvkm letounu.
trup
pechod
vstup #2
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
18
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
19
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.5.
Výpoet letounu EV 97 – SportStar SL
Letoun byl poítán pi úhlech nábhu 4°, 0° a 4°, protoe v rozmezí tchto úhl nábhu
se dá oekávat reim, pi kterém
letoun dosahuje maximální rychlosti v horizontálním
letu. Pozdji byly pidány úhly nábhu
6° a 8°. A
to z toho dvodu, aby bylo schopno pesnji
urit reim, ve kterém letoun dosahuje maximální horizontální rychlosti.
20
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
21
intenzita turbulence
0,1 %
intenzita turbulence 10 %
Pouité okrajové podmínky
kídlo, trup Wall
výstup Presure inlet
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.6. Vyhodnocení prvotního návrhu
3.6.1.
Vybrání kritického místa a rozbor problému
22
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
kritické místo
Obr. 18: Statický tlak
Uprosted hloubky profilu dochází k náhlému zvýšení statického tlaku. Toto místo je
na obrázku 18 oznaeno
jako kritické místo. Pechod kídlo
trup pracuje jako difuzor. Pro
jeho správné fungování musí postupn
docházet k nárstu tlaku a
poklesu rychlosti. Postupné zvyšování
tlaku se dosáhne tak, e
se bude pechod smrem dozadu
rozšiovat.
Zvyšování tlaku by mlo být pozvolné.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
23
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.7. Úprava pechodu
Po rozboru problému a prostudování podklad [2], [4], [5], [6], [7], [8] a [9] byl pechod
upraven podle doporuení. Tvar pechodu není nijak pevn definován,
jsou jen dána jistá
doporuení. Geometrie pechodu
je pro kadou konfiguraci letounu
jiná. Mimo jiné záleí i na
tom, jaký má letoun píný prez
trupu, jak se tento prez po
délce mní. Vdy je
pechod nutné postupn upravovat podle
rozloení statického
tlaku. Rozšiování pechodu by mlo
zaínat v maximální
tloušce profilu. Zadní
ást pechodu by mla být dostaten
protáhlá dozadu, aby nedocházelo v zadní ásti k odtrhávání proudní.
24
Obr. 22: Upravený pechod
Na obrázku 22
je upravený pechod, kde
je vidt ve srovnání
s obrázkem 21, e se
pechod smrem dozadu rozšiuje a v zadní ásti je výraznji protáhlý dozadu.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
25
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.8. Porovnání upraveného pechodu
s pvodním pechodem pi 4° pi
maximální rychlosti v horizontu
Srovnání pi úhlu nábhu 4°
26
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
Upravený pechod má vyšší souinitel
odporu ne v pípad pvodní verze
a to o 14 %. Dále
došlo ke zvýšení souinitele vztlaku
na pechodu o 65 %.
Díky pechodu došlo i ke zvýšení
souinitele vztlaku na kídle o
10%. Na trupu došlo k poklesu
souinitele odporu o 11 %.
Celkov je souinitel vztlaku vyšší
o 3,5 %, souinitel odporu je
niší o 0,8 % a souinitel
klopivého
momentu se zvýšil o 26 %. Pokud se
porovná klouzavost, tak došlo ze
zvýšení o 4,4 %.
Z porovnání integrálních veliin je
patrno, e úpravou pechodu dochází
ke zmnám na
trupu i na kídle.
4 pvodní pechod
cl cd cm cl/cd kídlo
0.786760 0.059478 0.090290
13.227811 pechod 0.011574
0.002515 0.001668 4.602075 trup
0.074733 0.010906 0.000086
6.852502 celkové 0.873067
0.072899 0.092044 11.976450
upravený pechod kídlo 0.865856
0.059724 0.098056 14.497586 pechod
0.019057 0.002862 0.004361
6.658248 trup 0.019057 0.009720
0.013150 1.960543 celkové 0.903970
0.072307 0.115567 12.501901
rozdíly (upravený pvodní) kídlo
0.079096 0.000246 0.007766
1.269775 pechod 0.007483
0.000347 0.002693 2.056174 trup
0.055676 0.001186 0.013064
4.891959
celkové 0.030903 0.000592
0.023523 0.525451
procentuální rozdíl vi pvodnímu
kídlo 10.05 0.41 8.60
9.60 pechod 64.65 13.80
161.39 44.68 trup 74.50
10.87 15159.49 71.39 celkové
3.54 0.81 25.56 4.39
Tab. 2: Porovnání pechod
4 pvodní pechod
cd,tlak cd,tecí cd kídlo
0.052865 0.006613 0.059478 pechod
0.002392 0.000123 0.002515 trup
0.007251 0.003655 0.010906 celkové
0.062508 0.010391 0.072899
upravený pechod kídlo 0.052991
0.006733 0.059724 pechod 0.002705
0.000157 0.002862 trup 0.005860
0.003860 0.009720 celkové 0.061557
0.010750 0.072307
rozdíly (upravený pvodní) kídlo
0.000126 0.000120 0.000246 pechod
0.000314 0.000033 0.000347 trup
0.001391 0.000205 0.001186 celkové
0.000951 0.000359 0.000592
procentuální rozdíl vi pvodnímu kídlo
0.24 1.82 0.41 pechod
13.12 27.17 13.80 trup
19.18 5.62 10.87 celkové
1.52 3.46 0.81
Porovnáním jednotlivých sloek odporu
je vidt, e upravený pechod má
o 27 % vyšší tecí odpor a
o 13 % vyšší
tlakový odpor proti pvodnímu pechodu.
Toto zvýšení je zpsobeno tím, e
upravený pechod má vtší omoenou
plochu proti pvodnímu pechodu.
U trupu došlo pi pouití
upraveného pechodu ke sníení
tlakového odporu o 19 %. Toto sníení
je zpsobeno tím, e
se odstranilo odtrení proudu.
Celkov došlo ke sníení tlakového
odporu o 1,5 % a ke
zvýšení tecího odporu o
3,5 %. Ovšem tecí odpor je
o ád niší ne tlakový odpor. U
trupu jsou oba odpory ádov
stejn velké. To je dáno tím,
e trup má velkou omoenou
plochu oproti pechodu a kídlu.
Tab. 3: Porovnání sloek souinitele odporu
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
27
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.9. Komplexní srovnání pvodního a
upraveného pechodu pi
maximální horizontální rychlosti
Aby bylo mono vykreslit
z vypotených dat vztlakovou áru
a poláru bylo poteba
urit vyváený souinitel vztlaku. Postup výpotu vyváeného souinitele je následující:
mentu
Pi výpotech je teba zohlednit
smysl klopivého momentu viz. obrázek
27. Dle tohoto obrázku je
kladný smr klopivého momentu na
„ hlavu“. V pípad pouití
letadlového souadného systému je kladný smr klopivého momentu na „ ocas“.
V tabulkách 2, 3, 5 a 6
je kladný smr klopivého momentu
na „hlavu“. V pílohách 2 a
5 je kladný
smt klopivého momentu na „ ocas“
Kladný smr klopivého
momentu na „ hlavu“ je dán orientací
modelu. Dokud se s vypotenými daty
pracuje dále a slouí nap. k výpotm
zatíení, tak je teba, aby se pouívalo
jednotného letadlového souadného systému,
proto je v tabulkách
v pílohách otoný smysl momentu.
Obr. 27: Orientace modelu
28
Ondej Lajza
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.9.1. Vztlaková ára
0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
c l , c
Graf 5: Vztlaková ára
29
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.9.2. Polára
c l ,c
Graf 6: Polála
30
Graf 7: Zvtšená polára
Graf 7 je
zvtšená oblast poláry mezi 6°a 4°,
kde má letoun nejniší odpor a
tím
pádem dosahuje maximální rychlosti.
cl,vyv [] cd []
pvodní pechod 0.17 0.0293 upravený pechod
0.13 0.0292
procentuální rozdíl vi pvodnímu [%] 23.53
0.34
Tab. 4: Char. data pro maximální rychlost
Z tabulky 4, ve které jsou charakteristické data pro reim letu maximální horizontální
rychlostí je vidt,
e pi pouití upraveného pechodu dojde
k poklesu odporu o 0,3 % ve
srovnání s pvodním pechodem. U
upraveného pechodu se bude nacházet
reim maximální rychlosti na
souiniteli vztlaku o 23,5 %
niším, ne v pípad pvodního
pechodu.
6°
4°
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03 0.031 0.032 0.033 0.034
0.035
c l , c
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
31
c l ,v yv [ ]
Graf 8: Sloky odporu
32
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.9.3. Klouzavost
cl ,v yv /c d [ ]
cl ,vyv []
Graf 9: Klouzavost
33
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.10. Stoupací reim
Obr. 28: Stoupací rychlosti
Z toho grafu byla urena
maximální stoupavost v 0 m MSA
a tomu odpovídající
rychlost letu letounu. Rychlost letu, pi které je dosaena maximální stoupavost je 110 km/h.
Dále bylo teba urit úhel stoupání. Úhel stoupání pi maximální stoupavosti je 11°. Ze silové
rovnováhy letounu byl dopoítán souinitel vztlaku, pi kterém musí letoun lett, aby dosáhl
maximální stoupavosti. Souinitel vztlaku je 1,00.
34
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.10.1. Porovnání upraveného pechodu
s pvodním pechodem pi 6° pi
maximální stoupavosti
Srovnání pi úhlu nábhu 6°
Porovnání odtrení proudní pi všech
ešených úhlech nábhu je v píloze
6,
porovnání statických tlak v píloze 7.
V tabulce 5 je srovnán upravený pechod s pvodním pechodem, další porovnání je v
píloze 5. V tabulce 6 jsou porovnávány sloky odporu.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
35
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
cl cd cm cl/cd kídlo
0.918931 0.075018 0.087592
12.249501 pechod 0.013370
0.002734 0.001553 4.890568 trup
0.078527 0.009856 0.000825
7.967696 celkové 1.010828
0.087607 0.088320 11.538164
upravený pechod kídlo 0.988878
0.075079 0.093021 13.171092 pechod
0.019593 0.003533 0.004734
5.546465 trup 0.099063 0.008864
0.009949 11.175914 celkové 1.107534
0.087476 0.107704 12.661017
rozdíly (upravený pvodní) kídlo
0.069948 0.000062 0.005428
0.921591 pechod 0.006223
0.000799 0.003181 0.655897 trup
0.020536 0.000992 0.010775
3.208218
celkové 0.096706 0.000131
0.019384 1.122853
procentuální rozdíl vi pvodnímu
kídlo 7.61 0.08 6.20 7.52
pechod 46.54 29.21 204.84
13.41 trup 26.15 10.06
1305.43 40.27 celkové 9.57
0.15 21.95 9.73
Tab. 5: Porovnání pechod
6 pvodní pechod
cd,tlak cd,tecí cd kídlo
0.068843 0.006174 0.075018 pechod
0.002614 0.000120 0.002734 trup
0.006227 0.003629 0.009856 celkové
0.077684 0.009923 0.087607
upravený pechod kídlo 0.068774
0.006305 0.075079 pechod 0.003396
0.000137 0.003533 trup 0.005050
0.003814 0.008864 celkové 0.077220
0.010256 0.087476
rozdíly (upravený pvodní) kídlo
0.000069 0.000131 0.000062 pechod
0.000781 0.000017 0.000799 trup
0.001177 0.000185 0.000992 celkové
0.000465 0.000333 0.000131
procentuální rozdíl vi pvodnímu kídlo
0.10 2.12 0.08 pechod
29.89 14.53 29.21 trup
18.90 5.09 10.06 celkové
0.60 3.36 0.15
Porovnáním jednotlivých sloek odporu
je vidt, e upravený pechod má
o 15 % vyšší tecí odpor a
o 30 % vyšší
tlakový odpor proti pvodnímu pechodu.
Toto zvýšení je zpsobeno tím, e
upravený pechod má vtší omoenou
plochu proti pvodnímu pechodu. U
trupu došlo pi pouití upraveného
pechodu ke sníení tlakového odporu
o
19%. Toto sníení je zpsobeno tím, e se
odstranilo odtrení proudu. Celkov došlo
ke sníení tlakového odporu o 0,6 % a ke
zvýšení tecího odporu o 3,4 %.
Ovšem tecí odpor je o ád
niší ne tlakový odpor. U trupu
jsou oba odpory ádov stejn
velké. To je dáno tím, e
trup má
velkou omoenou plochu proti pechodu
a kídlu.
Tab. 6: Porovnání sloek souinitele odporu
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
36
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.10.2. Vztlaková ára
yv [ ]
α [°]
Graf 10: Vztlaková ára
Pokud se porovnají vztlakové áry z grafu 10 u pvodního a u upraveného pechodu,
tak je zde vidt, e u upraveného pechodu dosahuje letoun souinitele vztlaku pro nejlepší
stoupavost pi niším úhlu nábhu. Konkrétn u pvodního pechodu je úhel nábhu kolem
6.5°a u upraveného pechodu kolem 5°.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
37
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.10.3. Polára
c l , c
stoupání
cd [] pvodní pechod 0.090
upravený pechod 0.077
procentuální rozdíl vi pvodnímu [%]
14.44
Tab. 7: Porovnání odpor
Z tabulky 5 je vidt, e u upraveného pechodu dojde ve stoupacím reimu ke sníení
odporu o 14,5 %.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
38
c l ,v yv [ ]
Graf 12: Sloky odporu
Z grafu 12 je vidt, e
u upraveného pechodu dochází
v celém rozsahu zvolených úhl
nábhu k redukci dominantního tlakového
odporu. Pi úhlu nábhu 8° není
redukce
tlakového odporu tak výrazná. To
je zpsobeno tím, e
i u upraveného pechodu dojde pi
tomto úhlu nábhu k odtrení proudu na pechodu. Porovnání tvar odtrení je v píloze 6.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
39
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
3.10.4. Klouzavost
c l ,v yv /c
d [ ]
cl,vyv []
Graf 13: Klouzavost
Pokud se porovná v grafu 13 klouzavost,
tak je vidt, e v celém
rozsahu zvolených úhl nábhu dochází
k zvýšení klouzavosti. V tabulce
6 je porovnání klouzavosti pi
stoupacím reimu.
cl/cd [] pvodní pechod
11.10 upravený pechod 13.90
procentuální rozdíl vi pvodnímu [%]
25.23
Tab. 8:Klouzavost
Z tabulky 8 je vidt, e pi pouití upraveného pechodu se klouzavost pi stoupacím
reimu zvýší o 25 %.
V pílohách 5, 6 a 7 je porovnání pechod pi stoupacím reimu (tabulky), utrení na
pechodu a rozloení statického tlaku na pechodu.
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
40
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
41
4. Závr
Diplomová práce naznauje pouze místa moných budoucích úprav trupu a pechodu
kídlatrup letounu EV 97 SportStar SL.
Velkou výhodou pi hledání optimálního
tvaru bylo pouití CFD metod. V minulosti
bylo teba pi hledání optimálního tvaru pechodu kídlo
trup zapotebí velkého mnoství
mení v aerodynamickém tunelu
rzných variant pechod. Tato mení by byla
asov i finann velmi nároná.
Vyuití CFD metod lze v krátkém
ase propoítat velké mnoství
variant úprav a najít tu, která nejlépe spluje dané poadavky.
V pípad prvotního návrhu letounu
EV 97 – SportStar SL byl
kritickým místem pechod kídlotrup,
protoe došlo i pi malých úhlech
nábhu k masivnímu odtrení proudní
na pechodu. Pi pouití upraveného
pechodu, dojde k odstranní odtrení
proudní na pechodu pi malých
úhlech nábhu. Díky eliminaci odtrení
proudní dojde k poklesu tlakového
odporu, který je dominantní slokou
odporu. Dále se na kídle zvýší
vztlak a výrazn se redukuje tlakový odpor na trupu letounu.
V reimu maximální rychlosti letu
v horizontu dojde ke sníení
odporu, ale sníení
není píliš velké. K výraznjšímu zlepšení ovšem dojde pi stoupacím reimu, kde
je sníení
odporu a zvýšení klouzavosti dosti výrazné.
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
42
5. Seznam pouitých zdroj
[1]
Versteeg H. K., Malalasekera W. An intruduction to Computational Fluid Dynamics
[2]
Hoerner S.: Fluid Dynamick Drag, 1965
[3] Agard AR 303, A Selection
of Experimental Test Cases for
the Validation od CFD
Codes,1994 ISBN 9283610032
[4] Naca report 575
[5] Naca report 640
[6] Naca report 641
[7] Naca report 642
[8] Naca report 678
[9] Naca report 1272
[11] IcemCFD Users Manual
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
43
lVOP vzdálenost VOP [m]
L vztlaková síla [N]
M Machovo íslo []
FSI VUT v Brn
Letecký ústav
Aerodynamická optimalizace návrhu trupu letounu EV 007 Sportstar
V Brn 23. 05. 2008 Ondej Lajza
44
3. Porovnání odtrení proudní pi maximální rychlosti ........................................................... 6
4. Porovnání statického tlaku na pechodu pi maximální rychlosti .......................................... 8
5. Porovnání pechod mezi sebou pi stoupání ..................................................................... 10
6. Porovnání odtrení proudní pi stoupání ........................................................................... 12
7. Porovnání statického tlaku na pechodu pi stoupání ......................................................... 13
-6 pvodní pechod
celkové 0.082851 0.029765 -0.026574 2.783492 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo -0.020525 -0.000212 0.003777 -1.227393 pechod
0.001566 0.000041 0.001266 1.557597 trup -0.008641 0.000173
0.003744 -0.650848
celkové -0.027600 0.000002 0.003777 -0.927546 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo -19.79 -1.34 -3.94 -18.70 pechod 33.50 5.00
-43.51 27.15 trup -418.37 1.32 -7.89 -414.23
celkové -24.99 0.01 -6.01 -24.99
-8 pvodní pechod
celkové -0.065811 0.033035 -0.149613 -1.992152 upravený pechod
kídlo -0.071780 0.016057 -0.088739 -4.470291 pechod 0.003568
0.000693 -0.000958 5.145627 trup -0.028737 0.016914 -0.049670
-1.699001
celkové -0.096948 0.033664 -0.139367 -2.879839 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo -0.023108 0.000027 0.004278 -1.433928 pechod 0.001807
0.000193 0.001794 1.625963 trup -0.009836 0.000409 0.004175
-0.553838
celkové -0.031137 0.000629 0.010246 -0.887687 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo 47.48 0.17 -4.60 47.23 pechod 102.54 38.54 -65.20
46.20 trup 52.04 2.48 -7.75 48.36
celkové 47.31 1.91 -6.85 44.56
4
celkové 0.264280 0.030275 -0.134731 8.729336 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo -0.017202 -0.000373 0.003195 -0.656969 pechod
0.001462 -0.000064 0.000656 1.704664 trup -0.007304 -0.000004
0.003242 -0.679228
celkové -0.023045 -0.000441 0.007093 -0.624939 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo -6.69 -1.98 -3.27 -4.81 pechod 19.47 -5.52 -22.00
26.46 trup -31.99 -0.04 -7.89 -31.97
celkové -8.02 -1.44 -5.00 -6.68
0 pvodní pechod
celkové 0.628852 0.043604 -0.127117 14.421757 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo -0.009502 -0.000538 0.001920 -0.015413 pechod
0.001266 -0.000036 -0.000534 0.812491 trup -0.004266 -0.000096
0.002179 -0.421203
celkové -0.012502 -0.000669 0.003565 -0.064357 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo -1.68 -1.59 -1.92 -0.09 pechod 9.75 -1.88 18.17
11.85 trup -6.75 -1.12 -7.78 -5.70
celkové -1.95 -1.51 -2.73 -0.44
5
celkové 0.903970 0.072307 -0.115567 12.501901 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo 0.079096 0.000246 -0.007766 1.269775 pechod 0.007483
0.000347 -0.002693 2.056174 trup -0.055676 -0.001186 -0.013064
-4.891959
celkové 0.030903 -0.000592 -0.023523 0.525451 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo 10.05 0.41 8.60 9.60 pechod 64.65 13.80 161.39
44.68 trup -74.50 -10.87 15159.49 -71.39
celkové 3.54 -0.81 25.56 4.39
6 pvodní pechod
celkové 1.110490 0.090497 -0.097995 12.271046 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo 0.072090 -0.000260 -0.004949 0.991418 pechod 0.006364
0.000840 -0.003281 0.682948 trup 0.020541 -0.002104 -0.009613
3.109198
celkové 0.098996 -0.001524 -0.017843 1.279045 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo 7.92 -0.34 5.67 8.29 pechod 50.42 31.41 221.63
14.47 trup 23.22 -15.90 -111.50 46.51
celkové 9.79 -1.66 22.26 11.64
6
3. Porovnání odtrení proudní pi maximální rychlosti Pvodní pechod
Upravený pechod
-8°
-6°
-4°
7
4. Porovnání statického tlaku na pechodu pi maximální rychlosti
Pvodní pechod Upravený pechod
-8°
-6°
-4°
9
4 pvodní pechod
celkové 0.970010 0.069575 -0.122354 13.941895 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo 0.067574 0.000349 -0.006885 1.070417 pechod 0.006629
0.000326 -0.002480 1.752789 trup 0.022110 -0.000384 -0.012329
3.146767
celkové 0.096312 0.000290 -0.021695 1.331723 procentuální rozdíl vi
pvodnímu kídlo 8.49 0.60 7.61 7.85 pechod 54.28 12.64 139.84 36.97
trup 33.50 -4.59 147.40 39.92
celkové 11.02 0.42 21.55 10.56
6 pvodní pechod
celkové 1.107534 0.087476 -0.107704 12.661017 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo 0.069948 0.000062 -0.005428 0.921591 pechod 0.006223
0.000799 -0.003181 0.655897 trup 0.020536 -0.000992 -0.010775
3.208218
celkové 0.096706 -0.000131 -0.019384 1.122853 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo 7.61 0.08 6.20 7.52 pechod 46.54 29.21 204.84
13.41 trup 26.15 -10.06 -1305.43 40.27
celkové 9.57 -0.15 21.95 9.73
11
celkové 1.183015 0.109579 -0.124874 10.796034 rozdíly (upravený -
pvodní) kídlo 0.041109 -0.000944 -0.006931 0.550212 pechod 0.004488
0.001542 -0.002668 -0.650528 trup 0.011550 -0.001061 0.002825
1.586036
celkové 0.057148 -0.000463 -0.006773 0.564719 procentuální rozdíl
vi pvodnímu kídlo 4.01 -1.00 8.53 5.06 pechod 32.83 53.81 106.68
-13.64 trup 13.23 -8.24 -8.23 23.39
celkové 5.08 -0.42 5.74 5.52
12
6. Porovnání odtrení proudní pi stoupání Pvodní pechod Upravený
pechod
4°
6°
8°
13
7. Porovnání statického tlaku na pechodu pi stoupání Pvodní pechod
Upravený pechod
4°
6°
8°
05.1_podkování
2.2. Tvorba výpoetní sít DLR - F4
2.2.1. Sí s tetraedrálními prvky
2.2.2. Sí s prizmatickými prvky na kídle
2.2.3. Sí s prizmatickými prvky na celém modelu
2.3. Výpoet kalibraní úlohy
2.4. Vyhodnocení DLR - F4
2.4.1. Vyhodnocení integrálních veliin
2.4.2. Vyhodnocení lokálních veliin
2.5. Závr
3.1. Popis letounu
3.2. Technická data
3.3. Úprava geometrie
3.6. Vyhodnocení prvotního návrhu
3.7. Úprava pechodu
3.8. Porovnání upraveného pechodu s pvodním pechodem pi 4° pi
maximální rychlosti v horizontu
3.9. Komplexní srovnání pvodního a upraveného pechodu pi maximální
horizontální rychlosti
3.9.1. Vztlaková ára
3.10. Stoupací reim
3.10.1. Porovnání upraveného pechodu s pvodním pechodem pi 6°
pi maximální stoupavosti
3.10.2. Vztlaková ára
Porovnání odtrení proudní pi maximální rychlosti
-8
-6
-4
0
4
6
-8
/-6
/-4
0
4
6
Porovnání odtrení proudní pi stoupání
4
6
8
4
/6
/8