Науково-методологічні основи моделювання зледеніння аеродинамічних поверхонь літальних апаратів

Abstract

Створено наукові та методологічні основи для розробки математичних моделей, методик, алгоритмів і програм, що описують процеси гідроаеродинаміки і тепломасопереносу, з урахуванням фазових переходів, що відбуваються при зледенінні літальних апаратів. Проведена серія експериментальних досліджень процесу замерзання вологи, що випадає на обтічну поверхню, яка включає вивчення мікрофізики процесу взаємодії переохолоджених крапель води з поверхнею, структури криги, що утворюється на поверхні, а також процесу замерзання переохолодженої поверхневої краплі. На основі проведених експериментів вдосконалена методика моделювання наростання криги. Проведені системні багатопараметричні дослідження в діапазоні льотних та метеорологічних параметрів, в яких можливе виникнення зледеніння. 39 Розроблене програмно-методичне забезпечення може бути використано наряду з льотними випробуваннями, а також наземними експериментами для моделювання процесу утворення крижаних наростів, у тому числі криги, що утворюється при роботі системи протизледеніння, теплової системи протизледеніння в умовах появи «бар’єрної» криги в заданих метеорологічних умовах і оцінки впливу таких наростів на експлуатаційні характеристики літальних апаратів. Отримані результати можуть знайти застосування під час проектування систем захисту від зледеніння, забезпечення безпеки польотів, в процесі сертифікації літальних апаратів для польоту в умовах зледеніння, розслідування аварійних випадків

The scientific and methodological foundations for the creation of mathematical models, techniques, algorithms and programs describing the processes of hydroaerodynamics and heat and mass transfer taking into account phase transitions occurring during the icing of aircraft are developed in the thesis. A series of experimental studies of the freezing of freezing moisture on a streamlined surface, including a study of the microphysics of the interaction process of incoming supercooled water droplets with the surface, the structure of the formed ice, and the freezing process of a supercooled surface drop is carried out. On the basis of the experiments carried out, the technique for modeling the buildup of ice was improved. Systemic multiparametric studies in the range of flight and meteorological parameters in which icing occurs have been carried out. The developed software and methodological support can be used along with flight tests, as well as ground-based experiments to simulate the process of formation of ice outgrowths, including ice formed during operation of the de-icing system, thermal deicing system under the conditions of "barrier" ice in the given meteorological conditions and evaluation of the influence of such growths on the performance characteristics of aircraft. The obtained results can find application in the design of anti-icing systems, flight safety, in the certification of aircraft for flight in icing conditions, in the investigation of aviation accidents.

В диссертации разработаны научные и методологические основы для создания математических моделей, методик, алгоритмов и программ, описывающих процессы гидроаэродинамики и тепломассопереноса с учетом фазовых переходов, происходящих при обледенении летательных аппаратов. Разработана методика трехмерного расчета обтекания тел воздушнокапельным вязким сжимаемым потоком, учитывающая шероховатость поверхности и описывающая процесс осаждения влаги на обтекаемую поверхность. Проведена серия экспериментальных исследований процесса замерзания выпадающей влаги на обтекаемой поверхности, включающая изучение микрофизики процесса взаимодействия влетающих переохлажденных капель воды с поверхностью, структуры образующейся наледи, а также процесса замерзания переохлажденной поверхностной капли. На основе проведенных экспериментов усовершенствована методика моделирования нарастания льда. Изучены возможные формы наледи, образующейся на аэродинамических поверхностях летательных аппаратов на различных этапах полета, в том числе и при активной анти-, противообледенительной системе, и их влияние на картину течения и на аэродинамические характеристики профилей. Проведена верификация разработанной методики сравнением полученных расчетных форм ледяных наростов с известными экспериментальными данными, а также проведенными экспериментальными исследованиями влияния наледи на аэродинамические характеристики профиля крыла. 40 Проведены системные многопараметрические исследования в диапазоне летных и метеорологических параметров, в котором возможно возникновение обледенения. Приведено решение задачи обледенения летательного аппарата в трехмерной постановке. Разработанное программно-методическое обеспечение может быть использовано наряду с летными испытаниями, а также наземными экспериментами для моделирования процесса образования ледяных наростов, в том числе льда, образующегося при работе противообледенительной системы, тепловой антиобледенительной системы в условиях возникновения «барьерного» льда в заданных метеорологических условиях и оценки влияния таких наростов на эксплуатационные характеристики летательных аппаратов. Полученные результаты могут найти применение при проектировании противообледенительных систем, обеспечении безопасности полетов, в процессе сертификации летательных аппаратов для полета в условиях обледенения, расследовании авиационных происшествий.