Child pages
  • Akustyka: Aerodynamika wirnika śmigłowca (AERO-H)
Skip to end of metadata
Go to start of metadata

Krótki opis usługi

Usługa "Akustyka: Aerodynamika wirnika śmigłowca (AERO-H)" ułatwia prowadzenie analiz numerycznych pola przepływowego związanego z pracą wirnika nośnego śmigłowca w warunkach zawisu. W szybkim locie postępowym, lub w zawisie z dużą prędkością obrotową, na końcówce łopaty powstają lokalne obszary naddźwiękowe zakończone silnymi falami uderzeniowymi powodującymi pogorszenie właściwości aerodynamicznych wirnika. Niestacjonarne zachowanie fal uderzeniowych oraz ich wpływ na warstwę przyścienną i oderwanie w przepływach około- i naddźwiękowych stanowi jedno z głównych źródeł hałasu aerodynamicznego w aeronautyce. Obecny rozwój nowoczesnych metod numerycznych oraz zastosowanie wieloprocesorowych obliczeń równoległych i superkomputerów umożliwiają z dobrym przybliżeniem przewidywanie charakterystyk pól przepływowych generowanych przez wirnik śmigłowca w zawisie, co stanowi główny cel usługi AERO-H.

Zestaw narzędzi analizy opływu wirnika nośnego śmigłowca o akronimie AERO-H bazuje na udostępnionym w Infrastrukturze PL-Grid oprogramowaniu komercyjnym Obliczeniowej Dynamiki Płynów (CFD) firmy Numeca Int. (pakiet Fine/Turbo) oraz Tecplot, Inc. (pakiet Tecplot 360). Usługa polega na zintegrowaniu i zautomatyzowaniu wszystkich etapów tworzenia modelu numerycznego (budowy geometrii i siatki obliczeniowej), przeprowadzenia czasochłonnych obliczeń równoległych z wykorzystaniem klastrów HPC (przepływ) oraz obróbki wyników symulacji (raportowanie) w jednym narzędziu numerycznym. Zadanie obliczeniowe rozpoczyna się od analizy numerycznej pola przepływu metodami CFD dzielącej się na trzy podstawowe etapy: przygotowanie modelu (pre-processing), rozwiązanie zagadnienia (processing) oraz obróbkę wyników symulacji (post-processing). Na etapie budowy modelu tworzona jest strukturalna siatka numeryczna służąca do przybliżonego rozwiązania nieliniowego układu ważonych masowo uśrednionych równań Naviera-Stokesa (przepływ turbulentny) uzupełnionych o domknięcie Spalarta-Allmarasa. Na etapie wyznaczania pola przepływu rozwiązywany jest odpowiedni układ równań dynamiki płynów. W przybliżeniu 1 milion objętości kontrolnych siatki numerycznej wymaga ok. 1 GB pamięci operacyjnej RAM (dla wirnika śmigłowca siatka obliczeniowa zawiera od 5 do 10 milionów objętości kontrolnych na łopatę). Rozwiązanie układu równań dynamiki płynów jest bardzo wymagające sprzętowo i czasowo (obliczenia równoległe mogą trwać kilka dni). Ostateczna obróbka danych wynikowych symulacji przepływowej wymaga specjalnych narzędzi pomocnych w interpretacji uzyskanych wyników numerycznych.

Każdy ze wspomnianych etapów analizy jest czasochłonny i stanowi wyzwanie z punktu widzenia modelowania. Udostępnienie automatycznych narzędzi AERO-H pozwala na około dziesięciokrotne skrócenie czasu szkolenia, realizacji symulacji i tworzenia raportu z obliczeń numerycznych CFD opływu wirnika śmigłowca w warunkach zawisu przy zachowaniu niskiego poziomu komplikacji i zwiększonej efektywności wykorzystania zasobów.

Aktywowanie usługi

W celu uzyskania dostępu do usługi "Akustyka: Aerodynamika wirnika śmigłowca (AERO-H)" należy:

1. posiadać aktywne konto w portalu PL-Grid (zakładanie konta w portalu PL-Grid)

2. zalogować się do portalu PL-Grid (https://portal.plgrid.pl)

3. przejść do Katalogu Aplikacji i Usług (https://aplikacje.plgrid.pl/)

4. wyszukać usługę AERO-H i kliknąć w link "Aplikuj"

5. upewnić się, że usługa nadrzędna "Lokalny dostęp do klastrów TASK" jest aktywna

6. przejść do zakładki Granty w portalu PL-Grid

7. upewnić się, że na liście grantów użytkownika istnieje chociaż jeden grant o statusie "aktywny" dla centrum obliczeniowego TASK w Gdańsku


Usługa AERO-H jest automatycznie aktywowana bez podawania motywacji.

Ograniczenia w korzystaniu

Ze względu na ograniczenia licencyjne usługa AERO-H dostępna jest tylko w ośrodku obliczeniowym TASK w Gdańsku. Dla zapewnienia funkcjonalności usług obliczeniowych platformy dziedzinowej: Akustyka (AKU-H, AERO-H i AERO-T) przeznaczono dwie licencje na oprogramowanie komercyjne firmy Numeca (Fine/Turbo). Oznacza to, że równolegle mogą być uruchomione dwie analizy numeryczne spośród wyżej wspomnianych, każda do maksymalnie 16 procesów obliczeniowych na klastrze. Oprogramowanie uzupełnione jest przez jedną licencję na oprogramowanie komercyjne firmy Tecplot, Inc. (Tecplot 360) służące do obróbki wyników symulacji. 

Pierwsze kroki

Po aktywowaniu usługi "Akustyka: Aero-akustyka wirnika śmigłowca (AERO-H)" w portalu należy pobrać archiwum o nazwie AERO-H.tar.gz z katalogu /home/plgrid-groups/plgg-aero-h/AERO-H położonego w systemie plików dostępnym na klastrze obliczeniowym Tryton w Centrum Informatycznym TASK w Gdańsku. Po rozpakowaniu archiwum tworzony jest nowy folder usługi o nazwie AERO-H zawierający następującą strukturę katalogów:

1. plik AERO-H.batch - główny skrypt uruchamialny usługi AERO-H
2. katalog bin - katalog zawierający skrypt czyszczący "clean_all"
3. katalog DOC - katalog zawierający dokumentację usługi oraz pakietów Fine/Turbo i Tecplot 360 
4. katalog INPUT - katalog zawierający skrypt INPUT_user_parameters.py definiujący wspólne parametry wejściowe analizy
5. katalog STEP1-PRE - katalog zawierający zestaw skryptów generujących siatkę obliczeniową wraz z ustawieniem warunków brzegowych (pakiet Fine/Turbo, IGG)
6. katalog STEP2-SOLV - katalog zawierający zestaw skryptów tworzących projekt numeryczny (pakiet Fine/Turbo, Fine) dla kodu obliczeniowego Euranus (pakiet Fine/Turbo)
7. katalog STEP3-RUN - katalog zawierający skrypt RUN.sh uruchamiający symulację kodem Euranus (pakiet Fine/Turbo)
8. katalog STEP4-POST - katalog zawierający zestaw skryptów służących do obróbki wyników symulacji (Tecplot 360) oraz katalog FIGURES z wizualizacjami graficznymi wyników symulacji

UWAGA! Po rozpakowaniu archiwum AERO-H.tar.gz usługa jest wstępnie pre-konfigurowana dla symulacji numerycznej opływu dwułopatowego wirnika modelowego o przekroju NACA 0012 pochodzącyego z publikacji F. X. Caradonna i C. Tung (NASA) [1]. Pierwsze uruchomienie usługi jest zalecane dla tej konfiguracji. Inne wirniki śmigłowcowe mogą być symulowane poprzez zmianę wspólnych parametrów wejściowych analizy znajdujących się w pliku INPUT_user_parameters.py położonym w katalogu INPUT usługi.

Na wstępie głównego skryptu uruchamialnego usługi AERO-H.batch znajdują się parametry niezbędne dla systemu kolejkowego PBS, które należy dostosować (np. liczba węzłów, procesów, czas symulacji, nazwa kolejki, nazwa zadania, nazwa grantu, etc.). Analizę numeryczną uruchamia się poleceniem "qsub AERO-H.batch".

Wynikiem działania usługi jest utworzenie plików siatki obliczeniowej (grid.*) w katalogu STEP1-PRE/GRID, projektu numerycznego Caradonna_rotor.iec w katalogu STEP2-SOLV/PROJECTS/Caradonna_rotor wraz z rozwiązaniem pola przepływu w katalogu STEP2-SOLV/PROJECTS/Caradonna_rotor/Caradonna_rotor_computation_1. Ostatecznie wyniki końcowych analiz aerodynamicznych są zawarte w folderze STEP4-POST/FIGURES w formie wizualizacji zapisanych w formacie graficznym .tif:

1. plik topology.tif - zawiera widoki topologii siatki numerycznej (całość oraz zbliżenie łopaty wirnika)
2. plik grid.tif - zawiera widoki siatki numerycznej (całość oraz zbliżenie łopaty wirnika)
3. plik c-grid.tif - zawiera widok siatki numerycznej w przekroju poprzecznym łopaty r/R = 0.80 (w 80% promienia) wirnika
4. plik cps.tif - zawiera rozkłady współczynnika ciśnienia w przekrojach poprzecznych łopaty wirnika
5. plik loading.tif zawiera rozkład współczynnika siły nośnej wzdłuż promienia łopaty wirnika
6. plik qcriterion.tif - zawiera wizualizację śladu wirnika w postaci izopowierzchni tzw. kryterium Q pokolorowanego wartością modułu wektora wirowości 

[1] Caradonna F. X., Tung C. Experimental and analytical studies of a model helicopter rotor in hover. NASA Technical Memorandum 81232, 1981

Zaawansowane użycie

Specyfikację parametrów wejściowych analizy w pliku INPUT_user_parameters.py można uzupełnić poprzez modyfikację dodatkowych parametrów wejściowych zdefiniowanych w:

1. STEP1-PRE/PRE_parameters.py - skrypt kontrolujący generację siatki obliczeniowej
2. STEP2-SOLV/SOLV_parameters.py - skrypt kontrolujący tworzenie projektu numerycznego
3. STEP4-POST/POST_parameters.py - skrypt kontrolujący tworzenie wizualizacji wyników symulacji

Rozwój usługi

Obecnie funkcjonalność usługi "Akustyka: Aerodynamika wirnika śmigłowca (AERO-H)" jest pełna, ale ograniczona do dwułopatowych wirników nośnych opartych na profilu lotniczym NACA 0012. Planowana jest rozbudowa o nowe funkcjonalności, takie jak:

1. uwzględnienie innych profili lotniczych przekroju łopat (np. rodzin NACA, ILH, OLS, etc.)
2. uwzględnienie skręcenia geometrycznego łopat
3. uwzględnienie innych, złożonych geometrycznie wirników nośnych (np. śmigłowców AH-1, 7AD, UH-60A, PZL W-3, etc.)  
4. uwzględnienie innych kształtów końcówek łopat
5. wykorzystanie schematów numerycznych wyższego rzędu w celu ograniczenia dyssypacji numerycznej i dyfuzyjności struktur wirowych w śladzie wirnika oraz polepszenia rozwiązania w rejonie fal uderzeniowych generowanych na końcówkach łopat
6. uwzględnienie warunków lotu postępowego 

Gdzie szukać dalszych informacji?

Więcej informacji na temat usługi "Akustyka: Aero-akustyka wirnika śmigłowca (AERO-H)" można znaleźć w artykule opublikowanym przez wydawnictwo Springer [2].

[2] Doerffer P.Szulc O.Tejero F. E.Martinez J. SAerodynamic and aero-acoustic analysis of helicopter rotor blades in hover. eScience on Distributed Computing InfrastructureLecture Notes in Computer Science Volume 8500, Springer, 2014

Pytania odnośnie działania usługi "Akustyka: Aero-akustyka wirnika śmigłowca (AERO-H)" proszę zadawać poprzez system Helpdesk https://helpdesk.plgrid.pl/ (kolejka "Aeroakustyka").

  • No labels