Розробка тривимірної моделі процесу наростання криги на аеродинамічних поверхнях

Анотація

Об'єктом дослідження є процеси гідроаеродинаміки і тепломасопереносу, що відбуваються при зледенінні аеродинамічних поверхонь літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах. Одними з проблемних місць при розробці програмно-методичного забезпечення, що дозволяє моделювати процеси зледеніння, є складності при переході до вирішення задачі в тривимірній постановці. А також наявність в існуючих методиках протиріч при описі фізичної картини і, відповідно, термодинаміки процесу наростання криги.

В ході дослідження використовувалися експериментальні та аналітичні методи дослідження фізичних процесів наростання криги на обтічних поверхнях, засновані на поетапному аналізі взаємодії переохолоджених крапель з поверхнею і їх подальшим замерзанням на кромці крила. Запропонована модель процесу наростання криги заснована на використанні методу поверхневих контрольних об’ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху і енергії. На основі нових отриманих експериментальних даних про фізику обмерзання, в методиці моделювання наростання криги запропоновано виділити окремо процеси утворення об’ємної структури крига-вода і подальшого повного замерзання цієї структури. На першому етапі процесу кристалізації рідини, в рамках кроку за часом зледеніння, переохолоджена рідина, що міститься в краплях, які потрапляють на обтічну поверхню, переходить в стан термодинамічної рівноваги. Тобто прихована теплота затвердіння, що виділяється при утворенні крижаної долі в структурі крига-вода, буде дорівнювати внутрішній теплоті, необхідній для нагрівання переохолодженої рідини від температури крапельок до температури фазового переходу. На другому етапі буде замерзати вода, що міститься в структурі крига-вода за рахунок теплових втрат конвекцією, випаровуванням, сублімацією, теплопровідністю (за мінусом прихованої теплоти затвердіння, кінетичного і аеродинамічного нагріву). Необхідно зазначити, що вода, яка буде замерзати, також сковуватиме і просторову крижану структуру. При цьому для визначення напрямку переміщення рідини уздовж обтічної поверхні було застосовано метод послідовних наближень.

У порівнянні з відомими традиційними методиками такий підхід дозволяє більшою мірою враховувати надзвичайно складні для математичного опису реальні фізичні процеси обмерзання аеродинамічних поверхонь.

Результати роботи можуть бути використані при оптимізації роботи систем захисту від обмерзання і визначенні шляхів зниження енергетичних витрат при роботі таких систем.