Spokojne loty w niespokojnym powietrzu
Zmiany klimatyczne na świecie sprawiają, że turbulencje w czasie podróży lotniczych stają się coraz częściej występującym zjawiskiem. Nawet niewielkie turbulencje powodują zarówno dyskomfort, jak i urazy wśród personelu kabinowego, a jednocześnie piloci nie mają do dyspozycji wielu możliwości zapobiegania temu zjawisku – turbulencje w powietrzu są nie tylko niezauważalne gołym okiem, lecz także niewykrywalne przy pomocy radarów. Samoloty o lekkiej konstrukcji będą charakteryzowały się niższym zużyciem paliwa, a dodatkowo będą emitowały dużo mniej szkodliwego dwutlenku węgla. Pozostaje pytanie – czy loty na ich pokładzie będą przyjemniejsze i bezproblemowe? Aby udzielić na nie odpowiedzi, projektanci potrzebują lepszych narzędzi, które pozwolą im prognozować dynamiczne obciążenia i optymalizować projektowane konstrukcje pod tym kątem. W tym celu naukowcy rozpoczęli prace nad finansowanym przez Unię Europejską projektem AEROGUST w celu dogłębnego zbadania w jaki sposób podmuchy wiatru wpływają na samoloty. Zwiększenie wiedzy na temat zachowania samolotu w przypadku natrafienia na podmuch wiatru pozwoli na projektowanie lżejszych konstrukcji, a także możliwą redukcję przesadnie zachowawczych marginesów bezpieczeństwa. Obniżone zapotrzebowanie na testy w tunelach aerodynamicznych „Turbulencje atmosferyczne są jednym z kluczowych aspektów, które należy wziąć pod uwagę w procesie projektowania i certyfikacji samolotów oraz turbin wiatrowych”, zauważyła dr Ann Gaitonde, koordynatorka ds. naukowych projektu AEROGUST. W obu przypadkach krótkie podmuchy wiatru mogą spowodować powstanie dużych obciążeń konstrukcji. Zapewnienie ich bezpieczeństwa wymaga świadomości i wiedzy na temat tego, na jakie obciążenia może być narażona konstrukcja w najbardziej wymagających sytuacjach. To właśnie ta wiedza umożliwia producentom samolotów oraz turbin wiatrowych określenie, jak wytrzymałe muszą być kluczowe elementy konstrukcji, aby całość była w stanie sprostać maksymalnym obciążeniom i naprężeniom powstającym w czasie lotu lub pracy. „Obecnie większość danych eksperymentalnych dotyczących podmuchów wiatru jest gromadzona w ramach kosztownych eksperymentów przeprowadzanych w tunelach aerodynamicznych na późnych etapach procesu projektowania, w czasie których liczba dostępnych możliwości jest już mocno zawężona”, dodała dr Gaitonde. Ten fakt sprawia także, że szybka ocena i analiza zmian w konstrukcji powierzchni aerodynamicznych jest znacząco utrudniona. Co więcej, na świecie znajduje się zaledwie kilka tuneli aerodynamicznych, które są w stanie dokładnie odwzorować warunki lotu samolotu w naturalnej skali. Dokładniejsze projekty modeli samolotów przed przeprowadzeniem testów pozwolą na obniżenie zapotrzebowania na projektowanie nowych modeli w rezultacie przeprowadzonych testów w tunelach aerodynamicznych, co z kolei przełoży się zarówno na oszczędności czasu i pieniędzy, jak i pozwoli na sprawdzenie w praktyce nowatorskich konstrukcji i pomysłów, wśród których można wymienić między innymi korzystanie z innych, bardziej elastycznych materiałów. Zmiana obecnych praktyk Obliczeniowa dynamika płynów umożliwia przeprowadzanie wysokosprawnych obliczeń na potrzeby współczesnych konstrukcji dla przemysłu lotniczego i kosmicznego. Wykorzystując analizę numeryczną i struktury danych, technologia ta umożliwia opracowywanie niezwykle dokładnych modeli wirtualnych, które dostarczają wyjątkowych informacji na temat przepływów powietrza wokół kadłuba samolotu. Problem z technologią obliczeniowej dynamiki płynów polega na tym, że jest ona zbyt droga, by wykorzystywać ją do prowadzenia wszystkich symulacji podmuchów. Z tego powodu dotychczas naukowcy polegali w kwestii modelowania podmuchów na metodach liniowego modelowania przepływów nieustalonych oraz ustalonych danych uzyskanych w wyniku eksperymentów. Zespół projektu AEROGUST zdecydował się na wykorzystanie danych uzyskanych na podstawie obliczeniowej dynamiki płynów w celu ulepszenia symulacji podmuchów oraz uproszczonych modeli i zmniejszenia kosztów obliczeniowych symulacji obciążeń w wyniku podmuchów wiatru opartych na technologii obliczeniowej dynamiki płynów. Włączenie nieliniowych efektów konstrukcyjnych i aerodynamicznych w takich modelach umożliwia opracowywanie elastycznych i innowacyjnych konstrukcji. Zaawansowane technologie symulacji opracowane w ramach projektu AEROGUST powinny umożliwić konceptualizację nowatorskich konstrukcji i konfiguracji, a także produkcję samolotów, które będą bardziej przyjazne dla środowiska. Dodatkowo metody te powinny zmniejszyć zapotrzebowanie na kosztowne testy w tunelach aerodynamicznych, zmniejszając tym samym zarówno koszt, jak i czasochłonność procesu projektowania przed zbudowaniem fizycznych prototypów. W rezultacie pozwoli to zagwarantować, że europejski przemysł lotniczy i kosmiczny pozostanie konkurencyjny także w nadchodzących latach. „Jeśli będziemy w stanie przewidywać z dużo większą dokładnością skutki podmuchów w przypadku turbin wiatrowych, otworzy nam to drogę do umieszczania takich urządzeń w bardziej wymagających środowiskach, takich jak koło podbiegunowe oraz obszary zwrotnikowe”, podsumował dr Dorian Jones, koordynator naukowy projektu AEROGUST.
Słowa kluczowe
AEROGUST, projektowanie, podmuch, samolot, tunel aerodynamiczny, turbina wiatrowa, obliczeniowa dynamika płynów, symulacja numeryczna, modele uproszczone, nieliniowy
