книги / Моделирование влияния вибраций на обледенение конструкции на базе малогабаритной климатической трубы и высокопроизводительного вычислительного комплекса ПНИПУ

объяснить более острой формой «рогообразных» наростов, которые плохо обтекаемы потоком.

На рис. П.12 видно, что для каждого расчетного варианта зона повышенных статических давлений находится между «рогообразными» наростами. Наиболее высокое значение статического давления наблюдается при угле атаки α = 4°. Также можно отметить снижение давления в области В (см. рис. 20) при α = 4° относительно α = 2° вследствие увеличения волнистости в этой области.

Можно сказать, что увеличение угла атаки приводит к более опасным случаям обледенения, что подтверждается данными публикации в журнале международной гражданской авиации IKAO [20], где отмечается, что наиболее подвержены обледенению в полете суда на этапе захода на посадку, то есть при ненулевых углах атаки.

2.7.2. Влияние жидкой фазы

Для оценки влияния жидкой фазы в ходе проведения чис-

ленных экспериментов согласно плану п. 2.6 (см. табл. 3, расчетные варианты 1, 8, 9) были получены результаты расчета при значениях водности потока, равных 0,25, 0,50, 0,75 г/м3. Представленные результаты приводятся в момент времени, равный 120-й секунде.

На рис. 22 представлены формы ледяных наростов в сечении профиля крыла для данных расчетных вариантов.

Изменение водности потока значительно влияет на образование ледяных наростов в области А. Так, при водности потока LWC = 0,25 г/м3 контур льда близок к контуру крыла, при LWC = 0,50 г/м3 появляются образования в форме двух «рогов», при LWC = 0,75 г/м3 образуется один, более массивный «рог».

При увеличении водности потока появляются более острые и массивные ледяные наросты (область Б), при LWC = 0,25 г/м3 они отсутствуют. Граница «лед – профиль» (область В) не меняет положение для всех расчетных вариантов.

61

Рис. 22. Контур льда на профиле крыла NACA0012 для различных значений водности набегающего потока

Исходя из полученных контуров льда, видно, что при увеличении водности потока повышается максимальная толщина льда. Так, при LWC = 0,25 г/м3 максимальная толщина ледяного нароста составила 2,60 мм, при LWC = 0,50 г/м3 – 5,49 мм, при

LWC = 0,75 г/м3 – 5,78 мм.

На рис. 23 представлены полученные в ходе численных экспериментов графики изменения температуры на внешней поверхности крыла с учетом ледяного нароста при различной водности потока.

При водности потока LWC = 0,25 г/м3 значение температуры на поверхности ледяного нароста постепенно повышается к передней кромке, поэтому форма нароста гладкая. Это обусловлено тем, что концентрации частиц в потоке недостаточно для формирования необходимой для течения по поверхности профиля жидкой массы. Мелкодисперсные частицы, попадая на крыло, практически не движутся по поверхности, поэтому контур обледенения близок к контуру крыла.

При водности потока LWC = 0,50 г/м3 на контуре льда в некоторых местах образуется жидкая пленка, а в углублениях скапливается переохлажденная жидкость. Вследствие неравномерности распределения фаз образуются «рогообразные» наросты и волнообразные выступы.

62

При водности потока LWC = 0,75 г/м3 на контуре льда

вбольшей мере скапливается жидкость. Поэтому при попадании на профиль капли либо замерзают, либо движутся по нему, не успев нагреться до температуры образования льда, скапливаясь

вжидкую переохлажденную массу.

Рис. 23. График изменения температуры на внешней поверхности крыла с учетом ледяного нароста от Y-координаты при различной водности потока

63

Анализируя графики изменения температуры (см. рис. 13), можно отметить возрастание зоны с нулевыми значениями температур при увеличении водности потока при одинаковых границах «лед – профиль» (область В).

Для оценки влияния ледяных наростов на газодинамические параметры профиля крыла при различной водности потока показаны поля распределения скорости потока, полного и статического давлений вблизи профиля (прил.,

рис. П.13–П.15).

Анализ полей скорости выявил качественно схожую картину обтекания профиля потоком. При увеличении водности потока наблюдается возрастание максимальной скорости потока вблизи профиля крыла. Значение повышения скорости вблизи профиля крыла относительно начальной скорости невозму-

щенного воздуха для водности LWC = 0,25 г/м3 составляет

66,29 м/с, для LWC = 0,50 г/м3 – 69,33 м/с, для LWC = 0,75 г/м3 – 72,63 м/с.

При повышении водности вблизи кромки крыла с подветренной стороны расширяется зона низкого давления, вследствие образовавшихся «рогообразных» наростов происходит отрыв потока. Величина разницы между максимумом и минимум полных давлений увеличивается при повышении водности и составляет для LWC = 0,25 г/м3 – 23,97 КПа, для LWC = 0,50 г/м3 – 31,88 КПа, для LWC = 0,75 г/м3 – 41,77 КПа.

Максимальное значение статического давления наблюдается при водности LWC = 0,25 г/м3, так как между двумя «рогами» находится углубление большего размера, чем при нарастании одного «рога» для LWC = 0,75 г/м3.

Можно сказать, что обледенение, возникающее при более высокой водности потока, приводит к большим отрывам, ледяные наросты имеют более грубую форму, такой тип обледенения более опасен.

64

2.7.3. Влияние шероховатости поверхности

Для оценки влияния шероховатости поверхности в ходе проведения численных экспериментов согласно плану п. 2.6 (см. табл. 3, расчетные варианты 1, 12, 13) были получены результаты расчетов при значениях шероховатости, равных 0,28, 0,35, 0,43 мкм. Представленные результаты приводятся в момент времени, равный 120-й секунде.

На рис. 24 представлены формы ледяных наростов в сечении профиля крыла для данных расчетных вариантов.

Рис. 24. Контур льда на профиле крыла NACA0012 для различных значений шероховатости поверхности профиля

Изменение формы ледяных наростов близко к результатам, полученным при изменении скорости потока (см. рис. 13). Исходя из полученных контуров льда, можно оценить максимальную толщину ледяных наростов, которая при при Kк = 0,28 мм составила

5,05 мм, при Kк = 0,35 мм – 5,49 мм, при Kк = 0,43 мм – 3,73 мм.

Изменение шероховатости профиля не ведет к качественным изменениям формы льда, как при изменении температуры или водности потока, но по значению максимальной толщины является самым неоднозначным.

2.7.4. Влияние экспозиции профиля в потоке

Для оценки влияния экспозиции профиля в потоке в ходе проведения численных экспериментов согласно плану по п. 2.6 (см. табл. 3, расчетные варианты 1, 14, 15) были получены

65

результаты расчетов в моменты времени, равные 60, 90, 120 секунд.

На рис. 25 представлены формы ледяных наростов в сечении профиля крыла для данных расчетных вариантов.

Рис. 25. Контур льда на профиле крыла NACA0012 в различные моменты времени

Изменение формы ледяных наростов равномерно, скорость нарастания льда постоянна. Образовавшиеся наросты расширяются балансно во все стороны. Возрастание времени обледенения ведет к пропорциональному увеличению контура льда.

66

ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ВИБРАЦИЯХ

3.1. РАЗРАБОТКАЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙКЛИМАТИЧЕСКОЙ МАЛОГАБАРИТНОЙАЭРОДИНАМИЧЕСКОЙТРУБЫ

Для верификации результатов вычислительных экспериментов по обледенению профиля крыла в ANSYS FENSAP, а также проведения физических экспериментов с учетом вибраций была разработана и создана энергоэффективная климатическая малогабаритная аэродинамическая труба (ЭМКАДТ), имеющая энергопотребление 2 КВт, что на два порядка меньше существующих аналогов в РФ. Опыт создания ЭМКАДТ можно использовать для разработки и создания малогабаритной климатической аэродинамической трубы со скоростью потока в рабочей части до 0,85 Маха, статической температурой до –30 °С, статическим сниженным давлением до 0,2 атм. Потребная мощность предполагаемой к созданию аэродинамической трубы 0,3 МВт.

Для создания ЭМКАДТ были разработаны следующие требования:

1.Рабочая часть установки должна обеспечить продувку малогабаритных моделей крыльев площадью не менее 150 см2.

2.Аэродинамическая труба должна обеспечивать температурный режим от –20 °С до 0 °С, относительную влажность до 95 % и скорость набегающего потока до 18 м/с.

3.Конструкция рабочей части должна обеспечивать возможность непосредственного наблюдения и фотосъемки процессов обледенения в рабочей части трубы в режиме реального времени.

4.Точность измерений должна быть не менее 5 %.

67

5. Система, обеспечивающая автоматизацию проведения физического эксперимента, должна содержать программные и встроенные аппаратные средства диагностирования, обеспечивающие контроль функционирования и поиск дефектов основных блоков, обладать достаточным объемом памяти.

6. Коммутация с силовой и электронной частями аэродинамической трубы должна иметь надежную защиту от механических повреждений, быть влагонепроницаема, устойчива к отрицательным температурам.

На основе анализа существующих аэродинамических труб, проведенного в главе 1, было решено разрабатывать малогабаритную вертикальную аэродинамическую трубу закрытого типа с закрытой прозрачной рабочей частью. На начальном этапе разработана предварительная конструктивная схема ЭМКАДТ (рис. 26).

Рис. 26. Предварительная конструктивная схема ЭМКАДТ

На рис. 27 представлена разработанная схема управления ЭМКАДТ, включающая в себя два параллельных блока управления: автоматический и ручной, реализована возможность переключения автоматики на ручное управление в процессе проведения эксперимента. На схеме представлены плавные системы регулировки и реле типа «вкл./выкл.», необходимые для управления различными элементами.

68

Рис. 27. Схема управления ЭМКАДТ

Для определения конструктивных и габаритных параметров нагнетателя и общего объема холодильной камеры проводились численные расчеты с целью снижения аэродинамического сопротивления, достижения ламинарности потока в рабочей части ЭМКАДТ [37].

Для выполнения численного моделирования течения

вЭМКАДТ сформулирована следующая физическая модель:

–газодинамические процессы рассматриваются в стационарной постановке;

–рассматривается течение нереагирующего совершенно-

го газа;

–газодинамический поток вязкий, однофазный;

–не учитывается сила тяжести газа;

–одновременно исследуется течение в рабочей зоне ЭМКАДТ, нагнетателе и во внутреннем охлажденном объеме холодильной камеры;

69

– стенки рабочей части ЭМКАДТ непроницаемые, адиабатические и не шероховатые (принимается, что все выступы элементов шероховатости лежат внутри вязкого слоя), с прилипанием частиц.

На основании разработанной конструктивной схемы ЭМКАДТ были предварительно подобраны габаритные размеры нагнетателя, рабочей части, расстояния до стенок холодильной камеры.

Построена следующая твердотельная 3D-модель ЭМКАДТ с минимальными расстояниями до стенок холодильной камеры

(рис. 28).

Рис. 28. Твердотельная 3D-модель ЭМКАДТ (ANSYS) с нанесением основных размеров (мм)

Математическая постановка базируется на законах сохранения массы, импульса, энергии и замыкается уравнениями состояния идеального сжимаемого газа и турбулентности, а также начальными и граничными условиями. Математическое описание

70