Застосування методів числельного моделювання для зниження енергоспоживання систем захисту від зледеніння літальних аппаратів
DOI:
https://doi.org/10.15587/2312-8372.2018.145298Ключові слова:
зледеніння аеродинамічних поверхонь, системи захисту від зледеніння, математичне моделювання процесу наростання кригиАнотація
Об'єктом дослідження є процеси гідроаеродинаміки та тепломасопереносу, що відбуваються при зледенінні літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах, а також системи захисту від зледеніння. Одним з проблемних місць в розробках систем захисту від зледеніння є мінімізація їх енергоспоживання при забезпеченні безпеки польотів.
В ході дослідження було використано розроблене програмно-методичне забезпечення, яке дозволяє моделювати процеси зледеніння літальних апаратів. Для опису зовнішнього повітряно-крапельного потоку, а також випадіння вологи на обтічну поверхню застосовано підхід на основі рівнянь Нав’є-Cтокса та моделі взаємопроникних середовищ. Чисельне моделювання процесу наростання криги виконано з використанням методу поверхневих контрольних об'ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху та енергії.
Результати проведених досліджень представлені на прикладі обтікання профілю крила NACA 0012 в’язким стисливим повітряно-крапельним потоком. Отримані більш точні розподіли основних параметрів потоку на межі пограничного шару, конвективного теплообміну вздовж обтічної поверхні, а також основних величин, що входять до рівнянь масових та теплових балансів. Це пов'язано з тим, що запропонований похід враховує в'язкість та стисливість потоку, а також має ряд особливостей при описі зовнішнього потоку. Зокрема використовується модифікована модель турбулентності Spalart-Allmaras, що враховує шорсткість стінки. Завдяки цьому забезпечується можливість визначення коефіцієнта конвективного теплообміну за отриманим розподілом температурного поля. У порівнянні з відомими традиційними методами, що використовують інтегральні співвідношення, такий підхід дозволяє враховувати передісторію потоку, може бути застосований у випадку досить великих швидкостей і складних крижаних форм, у задачах у тривимірній постановці. Також такий підхід дає можливість визначити аеродинамічні характеристики профілів з наростами криги з урахуванням шорсткості поверхні.
Результати роботи можуть бути використані при оптимізації роботи систем захисту від зледеніння та визначення шляхів зменшення енергетичних витрат при роботі таких систем.
Посилання
- Fuzaro Rafael, C., Mendes Pio, D., A. Lima da Silva, G. (2015). CFD and Boundary Layer Models with Laminar-Turbulent Transition around Airfoils and a Rough Cylinder: Results Validation. SAE Technical Paper Series, 14. doi: http://doi.org/10.4271/2015-01-2163
- Wright, W. B. (1995). Users Manual for the Improved NASA Lewis Ice Accretion Code LEWICE 1.6. National Aeronautical and Space Administration (NASA). Contractor Report, 95.
- Gent, R. W. (1990). TRAJICE2 – A Combined Water Droplet and Ice Accretion Prediction Program for Aerofoil. Royal Aerospace Establishment (RAE). Technical Report Number TR90054. Farnborough, 83.
- Guffond, D., Hedde, T., Henry, R. (1993). Overview of Icing Research at ONERA, Advisory Group for Aerospace Research and Development. Fluid Dynamics Panel (AGARD/FDP) Joint International Conference on Aircraft Flight Safety – Actual Problems of Aircraft Development. Zhukovsky, 7.
- Tran, P., Brahimi, M. T., Paraschivoiu, I., Pueyo, A., Tezok, F. (1994). Ice Accretion on Aircraft Wings with Thermodynamic Effects. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 32nd Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. AIAA Paper, No. 0605. Reno, 9. doi: http://doi.org/10.2514/6.1994-605
- Mingione, G., Brandi, V. (1998). Ice Accretion Prediction on Multielement Airfoils. Journal of Aircraft, 35 (2), 240–246. doi: http://doi.org/10.2514/2.2290
- Dillingh, J. E., Hoeijmakers, H. W. M. (2003). Accumulation of Ice Accretion on Airfoils during Flight: Conference. Federal Aviation Administration In-flight Icing and Aircraft Ground De-icing. Chicago, 13.
- Messinger, B. L. (1953). Equilibrium Temperature of an Unheated Icing Surface as a Function of Air Speed. Journal of the Aeronautical Sciences, 20 (1), 29–42. doi: http://doi.org/10.2514/8.2520
- Shin, J., Bond, T. (1992). Experimental and Computational Ice Shapes and Resulting Drag Increase for a NACA 0012 Airfoil. National Aeronautical and Space Administration (NASA). Technical Memorandum, No. 105743, 10.
- Olsen, W., Walker, E. (1986). Experimental Evidence for Modifying the Current Physical Model for Ice Accretion on Aircraft Surfaces. NASA Technical Memorandum, No. 87184, 47.
- Jones, K. F. (1998). The Density of Natural Ice Accretions. Fourth International Conference on Atmospheric Icing of Structure. E. D. F., 77 (1), 114–118.
- Alekseyenko, S., Sinapius, M., Schulz, M., Prykhodko, O. (2015). Interaction of Supercooled Large Droplets with Aerodynamic Profile. SAE Technical Paper 2015-01-2118, 12. doi: http://doi.org/10.4271/2015-01-2118
- Alekseenko, S. V., Mendig, C., Schulz, M., Sinapius, M., Prykhodko, O. A. (2016). An experimental study of freezing of supercooled water droplet on solid surface. Technical Physics Letters, 42 (5), 524–527. doi: http://doi.org/10.1134/s1063785016050187
- Spalart, P., Allmaras, S. (1992). A one-equation turbulence model for aerodynamic flow. AIAA Paper. Nо. 92-0439, 22. doi: http://doi.org/10.2514/6.1992-439
- Aupoix, B., Spalart, P. R. (2003). Extensions of the Spalart–Allmaras turbulence model to account for wall roughness. International Journal of Heat and Fluid Flow, 24 (4), 454–462. doi: http://doi.org/10.1016/s0142-727x(03)00043-2
- Roe, P. (1986). Characteristic-Based Schemes for the Euler Equations. Annual Review of Fluid Mechanics, 18 (1), 337–365. doi: http://doi.org/10.1146/annurev.fluid.18.1.337
- Alekseyenko, S. V., Prykhodko, O. A. (2013). Numerical simulation of icing of a cylinder and an airfoil: model review and computational results. TsAGI Science Journal, 44 (6), 761–805. doi: http://doi.org/10.1615/tsagiscij.2014011016
- Alekseenko, S. V., Prikhod’ko, A. A. (2014). Mathematical modeling of ice body formation on the wing airfoil surface. Fluid Dynamics, 49 (6), 715–732. doi: http://doi.org/10.1134/s0015462814060039
- Prikhod’ko, A. A., Alekseenko, S. V. (2014). Numerical Simulation of the Processes of Icing on Airfoils with Formation of a “Barrier” Ice. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 87 (3), 598–607. doi: http://doi.org/10.1007/s10891-014-1050-0
- Fortin, G., Ilinca, A., Laforte, J.-L., Brandi, V. (2004). New Roughness Computation Method and Geometric Accretion Model for Airfoil Icing. Journal of Aircraft, 41 (1), 119–127. doi: http://doi.org/10.2514/1.173
- Fortin, G., Laforte, J., Beisswenger, A. (2003). Prediction of Ice Shapes on NACA0012 2D Airfoil. Anti-Icing Materials International Laboratory, Universite du Quebec a Chicoutimi, No. 01-2154, 7. doi: http://doi.org/10.4271/2003-01-2154
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2018 Sergey Alekseyenko, Оleg Yushkevich
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
