МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 6 • 2014
УДК 532.516:533.6
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ НАРОСТОВ ЛЬДА НА ПОВЕРХНОСТИ ПРОФИЛЯ КРЫЛА
© 2014 г. С. В. АЛЕКСЕЕНКО, А. А. ПРИХОДЬКО
Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара, Днепропетровск e-mail: Alexeyenko_sv@ukr.net, paadp@mail.ru
Поступила в редакцию 09.12.2013 г.
Проанализированы основные модели и методы исследования процессов обледенения аэродинамических поверхностей, метеорологические параметры при обледенении, типы облаков, виды образующейся наледи, системы защиты от обледенения. Разработано программно-методическое обеспечение, позволяющее моделировать процессы образования льда на передней кромке профиля крыла. При описании движения несущей среды использованы уравнения На-вье—Стокса сжимаемого газа с применением модели турбулентности Spalart-Allmaras. Для описания движения переохлажденных капель воды применена инерционная модель. Численное моделирование процесса нарастания льда основано на методе контрольных объемов, заключающемся в решении дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии для каждого элемента поверхности с применением модели, учитывающей поведение поверхностной влаги на макро- и микроуровне. На примере профиля NACA 0012 воспроизведены основные формы ледяных наростов при двухмерном обтекании двухфазным вязким сжимаемым потоком с учетом режима нарастания льда, формы существования влаги на профиле, подогрева поверхности и влияния изменения его геометрии на внешний поток и аэродинамические характеристики.
Ключевые слова: профиль крыла, обледенение, сжимаемый газ, турбулентность, капли воды, численное моделирование, аэродинамические характеристики.
Обледенение самолетов в полете — всемирно признанная серьезная проблема безопасности, которой в последнее время уделяется все более пристальное внимание [1—4]. В определенных летных условиях переохлажденные капли воды, содержащиеся в облаках, могут замерзать, попадая на передний край фюзеляжа, крыльев, на элементы оперения, детали авиационных двигателей. При этом нарастающий лед может по-разному влиять на свойства самолета и характеристики управляемости в зависимости от местоположения, количества и типа льда. Однако наиболее общими явлениями, вызванными обледенением аэродинамических поверхностей, можно назвать уменьшение подъемной силы и угла срыва потока на крыле, на элементах хвостового оперения, потерю продольной устойчивости и управляемости самолета в целом. Кроме того, образующийся ледяной слой разрушает структуру течения, вызывает потерю тяги, рост турбулентного следа, приводит к увеличению веса.
Разработка систем защиты от обледенения и определение их эффективности — очень сложная проблема. Кроме надежности к таким системам предъявляются жесткие требования по занимаемому объему, весу и энергопотреблению. Летные испытания (помимо их чрезвычайно высокой стоимости) — не надежны, поскольку трудно определить местоположение вызывающих обледенение облаков, обеспечить воспроизводимость условий эксперимента, а также, принимая во внимание опасность ситуа-
ции, значительно сокращается количество приемлемых условий эксперимента для пилота. Поэтому, для понимания различных механизмов образования льда, степени его влияния на аэродинамику и управляемость самолета и борьбы с обледенением эффективнее использовать методы моделирования. Однако экспериментальные методы также требуют использования дорогостоящего и сложного оборудования — охлаждаемых высокоскоростных аэродинамических труб, оснащенных системой воспроизводства вызывающих обледенение осадков, не дают полного представления о распределении параметров в исследуемой области. Эксперименты, проводимые в наземных условиях, не могут точно воспроизвести условия обледенения в полете, требуют использования масштабных моделей.
В результате, с целью сокращения времени и стоимости разработки систем защиты от обледенения, оценки их эффективности, понимания роли изменения геометрии профиля крыла, а также при расследовании авиационных происшествий в современных условиях применение численного моделирования становится эффективным, а иногда и единственно возможным методом исследования.
1. Условия возникновения обледенения и его влияние на полетные характеристики. Условия, при которых возникает обледенение, формируются в тропосфере на высотах от 7 км у полюсов до 16 км на экваторе. В ней сосредоточено примерно 70% всей массы воздуха [2]. В тропосфере воздух состоит из смеси газов, воды в трех фазах (жидкой, парообразной, кристаллической) и различных примесей (мельчайшей пыли, продуктов горения, спор растений, солей и пр.). В отличие от основного состава воздуха количество примесей, являющихся ядрами конденсации и кристаллизации воды, существенно изменяется по времени, высоте и вдоль поверхности земли. Мощные тепловые вертикальные потоки воздуха, непрерывное перемешивание воздушных масс с различными температурами и давлением, понижение температуры и давления воздуха с высотой обуславливают также изменение концентрации воды в воздухе, способствуют конденсации водяного пара и формирования облаков, тумана, дождя, снега или града.
Основные метеорологические параметры при обледенении. При определенных условиях вода в воздухе может находиться в переохлажденном состоянии [2]. Обледенение самолетов и вертолетов в большинстве случаев происходит при полете в этой среде, содержащей капли воды при отрицательной температуре окружающего воздуха, в основном в облаках или в условиях переохлажденного дождя.
Основные метеорологические параметры, от которых зависит интенсивность обледенения, следующие:
— количество сконденсированной воды, содержащееся в единице объема облака (водность);
— температура воздуха;
— размер водяных капель.
Большее водное содержание облаков означает большую интенсивность обледенения. Высокий уровень содержания влаги наблюдается в облаках, образованных орографическим и фронтальным подъемом. Дополнительным важным фактором, определяющим содержание влаги является температура в основании облака. Тот факт, что теплый воздух имеет большее содержание влаги, чем холодный означает, что теплое основание облака содержит больше влаги. Таким образом, риск обледенения, вызванного повышенным содержанием влаги больше летом (когда облака более теплые), чем зимой. Также содержание влаги в тропическом облаке больше, чем в полярном и поэтому количество нарастающего льда больше в тропиках, чем в полярных регионах [3].
Как правило, обледенение может возникать в диапазоне температур от 0 до —20°С и в особенности от 0 до —10°С. Однако особенно опасным следует считать полет в условиях переохлажденного дождя, т.е. при наличии в атмосфере крупных переохлажденных капель диаметром 50—500 мкм на высотах до 2.5 км, в этом случае на передних
кромках крыльев очень быстро образуются крупные "рогообразные" наросты льда, оказывающие фатальное влияние на аэродинамические характеристики и управляемость. Для существующих систем защиты от обледенения такие условия — нерасчетные: крупные капли захватываются большей частью поверхности крыла и приносят большее количество воды. В результате за защищаемой зоной на поверхностях самолета образуются наросты льда в виде валика или отдельных затеков, которые принято называть "барьерным" льдом.
Облако представляет собой полидисперсную аэрозоль, в которой содержатся капли самых различных размеров — от нескольких до десятков микрометров, а при дожде и сотен микрометров. Подобно тому, как средний диаметр капель изменяется в широком диапазоне в тумане, облаке и дожде, так и переохлажденные капельки могут иметь сильно различающиеся размеры (от 5 до 75 мкм). Средний диаметр переохлажденных капель в слоистых облаках равен 14 мкм, в кучевых облаках — 22 мкм [2].
На острых частях обтекаемых элементов, таких как антенны, пропеллеры, лопасти вертолета скорость образования льда выше, чем на тупых краях. Основная причина — скорость воздуха около тупых и прямолинейных объектов ниже, соответственно давление в этих зонах выше, что, в свою очередь, увеличивает плотность и температуру. Также острые элементы имеют тонкий пограничный слой, дающий небольшую изоляцию между поверхностью обтекаемого элемента и льдом. Этот принцип также справедлив при рассмотрении тяги, производимой пропеллером. Местная скорость также влияет на скорость роста льда, чем выше скорость (в пределах до 130 м/с), тем выше скорость накопления льда. Однако при скоростях выше 130 м/с нагрев, обусловленный поверхностным трением, значительно уменьшает риск обледенения [3].
Обледенение и типы облаков. Кучевые облака состоят преимущественно из переохлажденных капелек воды при температурах около —20°С. Только что сформированные части облаков содержат большее количество жидких капель, чем части уже зрелых облаков. Риск обледенения в кучевых облаках высок в диапазоне температур от 0 до —20° С. Обледенение при температурах ниже —20°С маловероятно, поскольку в таких условиях, как правило, происходит спонтанная кристаллизация переохлажденных капель. Вертикальное перемещение в конвективном движении облака изменяет его состав, поэтому риск обледенения высок в широком диапазоне высот. Восходящие потоки будут нести капли воды выше и увеличивать их размер [3].
В слоистых облаках преобладают водяные капли с температурой около —15°С. Возникновение слоистых облаков связано с активным фронтом или орографическим подъемом влажного морского потока воздуха, что повышает вероятность обледенения при более низких температурах. Непрерывное восходящее движение воздуха вообще означает большее содержание жидкости в облаках [3].
Капли дождя или изморозь из любого типа облаков вызывают обледенение при контакте с поверхностью, имеющей температуру ниже 0°С [3].
Высокие или перистые облака, которые находятся на высоте около 6000 м, состоят из ледяных кристаллов, которые не вызывают намерзаний на поверхности самолета, поэтому риск появления обледенения в таких условиях невысок [3].
Типы льда и его влияние на полетные характеристики. Лед, появляющийся в полете в условиях обледенен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.