Алексеенко С.В.

Днепропетровский национальный университет, Украина

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ОБЛЕДЕНЕНИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Образование льда на поверхностях самолета, входного направляющего аппарата компрессора и обечайки мотогондол авиационных двигателей во время полета в неблагоприятных метеоусловиях приводит к снижению эксплуатационных характеристик и уменьшению безопасности полетов. При обледенении элементов двигателя уменьшаются площадь межлопаточных каналов, расход воздуха, падает тяга, растет удельный расход топлива. Неравномерность потока на входе в компрессор приводит к неустойчивому режиму его работы, изменению расчетных характеристик на входе в камеру сгорания. С увеличением толщины образующейся ледяной корки растет вероятность ее разрушения и попадания в двигатель, что может привести к повреждению лопаток компрессора и выводу двигателя из строя. Образование льда на аэродинамических поверхностях летательных аппаратов может стать причиной существенного изменения структуры обтекания, и привести к росту лобового сопротивления и уменьшению подъемной силы.

Лед, образующийся в полете в условиях обледенения и прочно держащиеся на поверхностях самолета, можно условно разделить на рыхлый, гладкий или стекловидный и смешанный лед:

рыхлый лед имеет грубую структуру молочно-белого цвета, как правило может быть удален или его образование предотвращено системами антиобледенения;

гладкий или стекловидный лед имеет гладкую поверхность и образовывается по контуру обтекаемого профиля, при дальнейшем накоплении могут формироваться гребневидные наросты, такой лед трудно удалять;

смешанный лед – комбинация рыхлого и гладкого льда.

Испытания в аэродинамической трубе а также натурные испытания показывают, что рыхлые ледяные образования (на передней части и верхней поверхности крыла) уменьшают подъемную силу до 30% и уменьшают тягу до 40%. Большие ледяные наросты могут еще более уменьшать подъемную силу и уменьшать тягу до 80% и более. Образование льда на поверхностях летательного аппарата происходит при температурах от 00 С и ниже, когда в воздухе присутствуют жидкие капельки воды.

Таблица 1.1. иллюстрирует риск обледенения в зависимости от типа облаков и температуры окружающей среды.

Кучевые облака	Слоистые облака	Дождь и изморось
от 00 до – 200 С	Высокие от 00 до – 150 С	00 С и ниже
от – 200 до – 400 С	Средние от – 150 до – 300 С
< – 400 С	Низкие < – 300 С

Вообще говоря, наихудшие условия для возникновения обледенения наблюдаются при температурах около 00 С в слоистых облаках, или в дожде на высотах до 2.500 км. На больших высотах обледенение встречается редко, поскольку капельки в облаках уже заморожены. В кучевых облаках с сильными подъемными течениями большие водяные капельки могут попадать на большие высоты, где возможно структурное обледенение. Таким образом, зона обледенения может перемещаться вверх с подъемными течениями и вниз с опускающимися, зачастую на сотни и тысячи километров. Это означает, что существует потенциальная возможность возникновения обледенения практически на любых высотах.

В настоящей работе анализируются основные подходы к расчету набегающего влажного потока. Исследование тепломассообмена при обледенении аэродинамических поверхностей выполнено с привлечением феноменологических моделей, базирующиеся на фундаментальных законах сохранения, реализация которых возможна с помощью численных методов на существующей вычислительной технике.

Для расчета несущей среды применяются уравнения Навье-Стокса сжимаемого газа. При описании движения капель рассматривались и сравнивались модель взаимопроникающих сред, инерционная и гомогенная модели. В модели взаимопроникающих сред набегающий поток принимается двухскоростным и двухтемпературным, состоящим из несущей фазы и капель одного диаметра. Столкновения между каплями пренебрегают, дискретная фаза считается лишенной собственного давления. Вязкие силы проявляются только в несущей фазе и при взаимодействии капель с газом. В инерционной модели траектории капель рассчитывались после получения поля скоростей несущей фазы. Обратного влияния траектории капель на несущую среду не оказывают. В гомогенной модели предполагается, что жидкая и газообразная фазы движутся с одинаковыми скоростями, учитывается обмен массой импульсом и энергией между фазами, возможно образование новых капель и их рост.

На примере модели взаимопроникающих сред течение набегающего потока с каплями рассчитывалось с помощью пакета прикладных программ решения уравнений Навье-Стокса сжимаемого газа на структурированных и неструктурированных сетках. Приводятся результаты расчетов обтекания цилиндра и профиля крыла влажным трансзвуковым потоком. Анализируются распределения газодинамических параметров несущей фазы, структура потока, траектории капель, распределения давления, коэффициента трения на поверхности, определены области выпадения капель, режимы, на которых происходит образование льда, основные факторы, влияющие на рост ледяной корки, динамика фронта фазового перехода, а также влияние изменения геометрии профиля на структуру обтекания.

Разработанные численные методики могут быть использованы для определения режимов, мест образования водяной пленки, толщины ледяной корки и влияние образовавшихся наростов на эксплуатационные характеристики. Полученные результаты могут найти применение при обеспечении безопасности полетов и проектировании противообледенительных устройств летательных аппаратов.