Обледенение аэродинамических поверхностей: моделирование форм крупных ледяных наростов

Abstract

RU: Постановка проблемы. Численное моделирование процессов обледенения летательных аппаратов во время полета в неблагоприятных метеорологических условиях является актуальной проблемой при обеспечении безопасности полетов. Данные о воспроизведенных формах крупных ледяных наростов, которые, в свою очередь, зависят от условий полета, могут быть использованы для оценки степени негативного влияния обледенения на летательный аппарат. Методика исследования. Для численного моделирования процессов обледенения аэродинамических поверхностей летательных аппаратов разработано программно-методическое обеспечение. При описании внешнего воздушно-капельного потока и выпадения влаги на обтекаемую поверхность использована модель взаимопроникающих сред, при описании процесса нарастания льда – метод поверхностных контрольных объемов, базирующийся на уравнениях неразрывности и сохранения энергии. Результаты расчетов. Расчетным путем воспроизведены основные формы крупных ледяных наростов при двухмерном обтекании профиля NACA 0012 двухфазным вязким сжимаемым потоком с учетом шероховатости поверхности и взаимодействия воздушного потока и переохлажденных капель. Выводы. Проанализированы физические особенности процесса обледенения, приводящие к образованию рогообразных форм ледяных наростов. Получены характерные формы ледяных наростов в сухом, влажном и смешанном режимах обледенения. Наблюдается хорошее согласование с известными экспериментальными данными. Проведены исследования влияния летных и метеорологических параметров на форму ледяных наростов. Проиллюстрирована возможность использования разработанного инструмента исследования для определения наиболее «опасного», с точки зрения степени влияния обледенения на летательный аппарат, диапазона параметров.

UK: Постановка проблеми. Числове моделювання процесів обмерзання літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах становить актуальну проблему у забезпеченні безпеки польотів. Дані про відтворені форми великих крижаних наростів, які, у свою чергу, залежать від умов польоту, можуть бути використані для оцінювання ступеня негативного впливу зледеніння на літальний апарат. Методика дослідження. Для числового моделювання процесів зледеніння аеродинамічних поверхонь літальних апаратів розроблено програмно-методичне забезпечення. Для опису зовнішнього повітряно-крапельного потоку і випадіння вологи на обтічну поверхню застосовано модель взаємопроникних середовищ, для опису процесу наростання льоду – метод поверхневих контрольних об’ємів, що базується на рівняннях нерозривності і збереження енергії. Результати розрахунків. Розрахунковим шляхом відтворено основні форми великих крижаних наростів при двомірному обтіканні профілю NACA 0012 двофазним в’язким стисливим потоком з урахуванням шорсткості поверхні і взаємодії повітряного потоку і переохолоджених крапель. Висновки. Проаналізовано фізичні особливості процесу зледеніння, що спричинюють утворення рогоподібних форм крижаних наростів. Отримано характерні форми крижаних наростів у сухому, вологому і змішаному режимах зледеніння. Спостерігається гарне узгодження результатів із відомими експериментальними даними. Проведено дослідження впливу льотних і метеорологічних параметрів на форму крижаних наростів. Проілюстровано можливість використання розробленого інструменту дослідження для визначення найбільш «небезпечного», з точки зору ступеня впливу зледеніння на літальний апарат, діапазону параметрів.

EN: Statement of the problem. Numerical simulation of aircraft icing processes during the flight in adverse meteorological conditions is a pressing issue in ensuring flight safety. The data on the simulated shapes of large ice build-ups, which, in turn, depend on the flight conditions, can be used to assess the degree of negative influence of icing on the aircraft. Research methodology. For the numerical simulation of the icing processes of the aircraft aerodynamic surfaces software and methodological support were developed. When describing the external air-droplet flow and moisture precipitation on the streamlined surface, a model of interpenetrating media was used; when describing the process of ice growing, the surface control volumes method based on the equations of continuity and energy conservation was used. Results. The main shapes of large ice growths on NACA 0012 profile, streamlined with a two-dimensional two-phase viscous compressible flow, taking into account the surface roughness and the interaction of the air flow and supercooled drops were reproduced. Conclusions. The physical features of the icing process, leading to the formation of horn-like shapes of ice growths, were analyzed. The characteristic forms of ice build-ups in dry, wet and mixed icing modes were obtained. There is good agreement the obtained results with known experimental data. Studies of the effect of flight and meteorological parameters on the shape of ice buildup were carried out. The possibility of using the developed research tool to determine the most “dangerous”, in terms of the degree of influence of icing on the aircraft, the range of parameters was illustrated.