По-ефективни самолети с нов метод за точни прогнози за въздушното съпротивление

AeroMap улавя основните ефекти на съпротивлението без високите изчислителни изисквания на по-подробни симулации

Ваня Милева Последна промяна на 10 ноември 2025 в 00:00 122 0

Дефиниране на геометрични параметри, използвани в FPCON, генератор за параметризиране на геометрията на крилото и тялото.

Кредит Rejish Jesudasan et al; https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110727
Дефиниране на геометрични параметри, използвани в FPCON, генератор за параметризиране на геометрията на крилото и тялото.

Изследователи предлагат изчислителен подход, който може да предоставя данни за аеродинамичното съпротивление по-ефективно в ранните етапи на проектирането на самолети.

Те се надяват, че инструментът AeroMap, който ефективно визуализира връзката между геометричните свойства и аеродинамичните свойства, използван досега за състезателни автомобили, ще помочне на инженерите да оптимизират разработването на по-безопасни и по-икономични самолети, с по-малък разход на гориво.

Съпротивлението е аеродинамичната сила, която се противопоставя на движението на самолета във въздуха. Възможността за точно прогнозиране на съпротивлението в ранен етап на проектиране помага на инженерите да избегнат по-късни корекции, които могат да доведат до допълнително време и разходи. Надеждните ранни оценки могат също да намалят необходимостта от продължителни и скъпи тестове в аеродинамичен тунел или мащабни компютърни симулации.

Аеродинамично съпротивление

Съпротивлението е аеродинамична сила, която противодейства на движението на обект през флуиди, т.е. течности и газове, кнапример въздух. Това е съпротивителна сила, която действа успоредно и противоположно на посоката на движение, причинена от фактори като формата на обекта и свойствата на неговата повърхност. Намаляването на съпротивлението е от решаващо значение за подобряване на ефективността на превозни средства като кораби, автомобили и самолети. Има случаи обаче, когато съпротивлението се търси като начин за "гасене на енергия" в хидротехническите съоръжения.

AirShaperГрафика на аеродинамично съпротивление на автомобил. Кредит: AirShaper

AeroMap, софтуер, разработен от изследователи от Университета в Съри, оценява съпротивлението за различни конфигурации на крилото и тялото, работещи при скорости, близки до скоростта на звука.

AeroMap предоставя набори от данни до 10 до 100 пъти по-бързо

В проучване, публикувано в Aerospace Science and Technology, изследователите показват как AeroMap предоставя набори от данни до 10 до 100 пъти по-бързо от висококачествените симулации, предлагани в момента на пазара, като същевременно поддържа добра точност.

"Нашата цел е да разработим метод, който осигурява надеждни трансзвукови аеродинамични прогнози за редица конфигурации, без високите изчислителни разходи за симулации в пълен мащаб", коментира д-р Реджиш Джесудасан (Rejish Jesudasan), научен сътрудник в Университета в Съри и водещ автор на изследването.

"Като предоставя надеждни резултати по-рано в процеса на проектиране, AeroMap намалява необходимостта от скъпи редизайн и многократни тестове в аеродинамичен тунел. Той също така осигурява нивото на детайлност, от което инженерите се нуждаят, за да усъвършенстват концепциите по-ефективно и с по-голяма сигурност."

Подходът позволява на AeroMap да улови основните ефекти на съпротивлението

AeroMap комбинира редуцирана форма на уравненията на Навие-Стокс (вижте най-долу какво представляват уравненията на Навие-Стокс), които описват въздушния поток, с модел на тънкия граничен слой въздух, който се движи по повърхността на самолета.

Изследователският екип твърди, че този подход позволява на AeroMap да улови основните ефекти на съпротивлението без високите изчислителни изисквания на по-подробни симулации. В резултат на това той предоставя практичен инструмент за ранните етапи на проектирането на самолети, когато инженерите се нуждаят от резултати, които са едновременно надеждни и бързи.

Много съществуващи модели все още разчитат на емпирични методи, разработени преди няколко десетилетия. Въпреки че те остават широко използвани, те могат да бъдат по-малко точни, когато се прилагат към съвременни, високоефективни конструкции на крила. AeroMap е валидиран спрямо данни от аеродинамични тунели на НАСА, като резултатите показват близко съответствие между неговите прогнози и експериментални измервания, което показва неговата пригодност за устойчиво разработване на самолети, според прессъобщение.

Прогнозиране на свръхзвуковите характеристики на конфигурациите на самолетите

Проучването описва, че точното прогнозиране на характеристиките на аеродинамичното съпротивление в широк диапазон от конфигурации на крилото и тялото е от решаващо значение в ранните етапи на проектиране на свръхзвукови търговски транспортни самолети.

Изследователите представят рамката AeroMap за бързо генериране на аеродинамични карти на ефективността за оценка както на аеродинамични характеристики на конфигурациите на крилото и тялото както при проектни условия, така и при работа в условия, различни от първоначалната му, оптимизирана проектна схема. Последното се случва, когато се променят външни фактори като например вариации в натоварването или околната среда. Вместо да изчисляват за идеалните условия, инженерите анализират състоянието на самолета при тези променени, извънпроектни условия, за да разберат как ще се държи съоръжението и да го оптимизират.

Според изследователите прогнозите на рамката за началото на дивергенцията на съпротивлението при различни конфигурации на крилото и тялото подчертават важността на отчитането на взаимодействията между вискозната свиваемост и прогресията на ударната сила по обхват, фактори, които не се отчитат от метода на Корн-Лок-Мейсън.

"С изчислителни разходи, поне с един до два порядъка по-ниски от тези на висококачествените моделни изследвания, AeroMap е подходящ за проучвания на конфигурацията търговия в ранната фаза на проектиране", казват изследователите в проучването.

Справка: Enhancing rapid drag analysis for transonic aircraft configuration trade studies; Rejish Jesudasan, John Doherty, Simão Marques; Aerospace Science and Technology; Volume 168, Part A, January 2026, 110727; https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.110727

Източник: Fast, accurate drag predictions could help improve aircraft design, University of Surrey

Уравненията на Навие-Стокс

Турбуленцията е драматична, красива и потенциално опасна. Тя се случва в течности, като разбиващи се вълни и буйни реки, както и в газове, например въздух, обтичащ кола или самолет. По самата си природа турбуленцията е изключително трудна за описание. Ако измерите скоростта и посоката на водата, течаща в турбулентен поток, можете да получите много различни отговори в точки, които са много близо една до друга.

Въпреки тази сложност, учените смятат, че потокът на флуид се описва с разумно ниво на точност от уравненията на Навие-Стокс. Когато се опитвате да опишете движението на течност или газ, това, което търсите, е скоростта v(x,y,z,t) и налягането P(x,y,z,t) на течността в точката (x,y,z) в пространството и във времето.

Уравненията на Навие-Стокс, кръстени на физиците Клод-Луи Навие и Джордж Габриел Стоукс , са набор от свързани диференциални уравнения с частни производни, които свързват промените в скоростта, промените в налягането и вискозитета на течността. За да се намерят функциите v и P, трябва да се решат тези уравнения.

Но това не е лесно. Точни решения на уравненията – решения, които могат да бъдат записани като математически формули – съществуват само за опростени проблеми, които са от малък или никакъв физически интерес. За повечето практически цели приблизителните решения се намират чрез компютърни симулации – по същество чрез обосновани догадки – които изискват огромна изчислителна мощност.

Никой не знае дали съществуват точни математически решения дори за най-общата форма на уравненията. И ако съществуват, все още не знаем дали включват странности, като например прекъсвания или безкрайности, които не съответстват на нашата интуиция за това как трябва да се държи една течност. Отговорът на този въпрос може да ви спечели милион долара от Математическия институт "Клей".

Ето уравненията в пълния им блясък:

В точка (x,y,z) в пространството, скоростта v(x,y,z) има три компонента (u,v,w), по един за всяка координата. Налягането на течността е P(x,y,z). Ето уравненията:

Уравненията на Навие-Стокс

Параметърът Re в уравненията се нарича число на Рейнолдс и измерва вискозитета на течността.

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !