Численное моделирование процессов кристаллизации жидкости на криволинейной поверхности в потоке воздушно-капельной среды

Abstract

RU: Постановка проблемы. Разработаны методика и программно-методическое обеспечение, позволяющие моделировать процессы кристаллизации воды на криволинейных поверхностях, в трехмерной постановке. Для описания воздушно-капельного потока предложен подход, основанный на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье − Стокса с использованием алгебраической модели турбулентности Болдуина − Ломэкса, в рамках которого движение переохлажденных капель воды описано с помощью модели взаимопроникающих сред. Численное моделирование процесса нарастания кристаллов льда выполнено с использованием метода поверхностных контрольных объемов, базирующегося на уравнениях неразрывности, сохранения количества движения и энергии. Результаты расчетов представлены на примере обледенения крыла ONERA M6. Выводы. При рассмотрении процесса кристаллизации выпадающей жидкости из воздушно- капельного потока на крыле со стреловидностью происходит искривление линий тока вблизи передней кромки, что оказывает влияние на характер перемещения незамерзшей жидкости по обтекаемой поверхности. По мере удаления по размаху крыла, с уменьшением длины хорды поперечного сечения, в том числе, увеличивается объем незамерзшей жидкости, перемещающейся в направлении вдоль крыла, оказывающей существенное влияние на форму моделируемых наростов льда. Предложенная методика может иметь более широкое применение в различных отраслях знаний, например, ветроэнергетике, машиностроении, в задачах материаловедения, в том числе при моделировании процессов напыления расплавов металлов на поверхности металлоизделий, при изучении процесса алитирования труб.

UK: Постановка проблеми. Розроблено методику та програмно-методичне забезпечення, що дозволяють моделювати процеси кристалізації води на криволінійних поверхнях, у тривимірній постановці. Для опису повітряно-крапельного потоку запропоновано підхід, заснований на розв’язанні осереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав'є − Стокса з використанням алгебраїчної моделі турбулентності Болдуїна − Ломекса, в рамках якого рух переохолоджених крапель води описано за допомогою моделі взаємопроникних середовищ. Числове моделювання процесу наростання кристалів криги виконане із застосуванням методу поверхневих контрольних об’ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху й енергії. Результати розрахунків наведені на прикладі обмерзання крила ONERA M6. Висновки. У процесі кристалізації рідини, що випадає з повітряно-крапельного потоку на стрілоподібне крило, відбувається викривлення ліній течії поблизу передньої кромки, що впливає на характер переміщення рідини, яка не замерзла, по обтічній поверхні. У міру віддалення за розмахом крила, зі зменшенням довжини хорди поперечного перерізу, в тому числі, збільшується обсяг рідини, яка переміщується у напрямку вздовж крила, щєо істотно вплива на форму модельованих крижаних наростів. Запропонована методика може мати більш широке застосування в різних галузях знань, наприклад, вітроенергетиці, машинобудуванні, в задачах матеріалознавства, в тому числі для моделювання процесів напилення розплавів металів на поверхні металовиробів та вивчення процесу алітування труб.

EN: Statement of the problem. A methodology and software-methodical support that allow modelling the processes of water crystallization on curvilinear surfaces in a three-dimensional setting have been developed. To describe the air-droplet flow, an approach, based on solving the Reynolds averaged Navier − Stokes equations using the Baldwin−Lomax algebraic turbulence model is proposed. In this model the motion of supercooled water droplets is described using a model of interpenetrating media. Numerical simulation of the process of ice crystals growth is performed using the method of surface control volumes, based on the mass, energy conservation and momentum equations. The calculations results are presented on the example of ONERA M6 wing icing. Conclusions. Considering the process of crystallization of a precipitation liquid from an air-droplet flow on a swept wing, a curvature of the streamlines near the leading edge occurs, which affects the character of the movement of the unfrozen liquid along the streamlined surface. With decreasing the length of the chord of the cross section of the wing, the volume of the unfrozen liquid, moving along the wing, which also also significantly influences the shape of the simulated ice build-up, is increasing. The proposed methodology can have wider application in various fields of knowledge, for example, wind power engineering, engineering, in materials science, including modelling the processes of sputtering metal melts on the surface of metal products, while studying the process of pipe aluminizing.