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

3

3.2.План проведения физических экспериментов. Физическое моделирование процессов обледенения

4.3Разработка инженерной расчетно-экспериментальной методики моделирования процессов обледенения элементов

4

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

г – плотность газа

Vг – вектор скорости газа

г – динамическая вязкость газа

t – турбулентная вихревая вязкость

χ – ламинарная кинематическая вязкость

P* – полное давление

T *– полная температура

G – массовый расход

Rг – газовая постоянная воздуха

Rп – газовая постоянная для водяного параij – тензор напряжений

ij – тензор вязких напряженийij – тензор вращения

y – расстояние до ближайшей стенки

y – безразмерное расстояние до ближайшей стенки Tг – статическая температура газа

T –контрольноезначениестатическойтемпературывоздуха–контрольноезначениединамическойвязкостивоздуха Eг – контрольное значение динамической вязкости воздуха Eг – полная внутренняя энергия газа

– показатель адиабаты

Нг – энтальпия газа

kг – теплопроводность

– среднее значение объемной доли воды Vк – среднее значение скорости капли

5

Reк – число Рейнольдса капельк – плотность капли

dк – диаметр капли

Vг, – невозмущенная скорость газа (на расстоянии в бес-

конечность)

г, – невозмущенная плотность газа (на расстоянии в бес-

конечность)

СD – коэффициент аэродинамического сопротивления DA – вектор силы тяги

A – площадь

K– инерционный параметр капель

L– характерная длина образца

g – вектор гравитации

Fr – число Фруда M – число Маха

КФЛ – число Куранта – Фридрихса – Леви Vп – скорость водной пленки

г – напряжение сдвига воздуха

Lиспарения – удельная теплота испарения воды Lплавления – удельная теплота плавления льда cв – удельная теплоемкость воды

cльда – удельная теплоемкость льда

LWC – водность потока (абсолютная влажность) kк – шероховатость

– коэффициент молекулярной теплопроводностиг wall – локальное напряжение сдвига на стенке

– локальное значение улавливания капель mиспарения – локальная масса испарения

hп – толщина жидкой пленки

6

Tп – равновесная температура на границе раздела воздух / вода / лед / профиль крыла

mльда – локальная масса льда u – скорость сдвига

V – составляющая вектора скорости сдвига в пригранич-

ной ячейке– шаг интегрирования по времени

max – максимальный шаг интегрирования по времениk – минимальное пролетное время ячейки

зад – заданный шаг по времени

e – количество водяного пара в воздухе

e – количество водяного пара в насыщенном состоянии– относительная влажность– угол атаки профиля крыла

tобледенения – время обледенения профиля dк – аэродинамическая труба

ВВК – высокопроизодительный вычислительный ком-

плекс

МКО – метод конечных объемов АДТ – аэродинамическая труба

КАДТ – климатическая аэродинамическая труба ЭМКАДТ – энергоэффективная малогабаритная климати-

ческая аэродинамическая труба АХТ – аэрохолодильная труба

ТЭН – термоэлектрический нагреватель

RMS – root mean square (среднеквадратичное значение) FEM – finite element method (конечно-элементный метод) RANS – Reynolds-averaged Navier – Stokes

IKAO – International Civil Aviation Organization

ECCAIRS – European Coordination Centre for Accident and Incident Reporting Systems

7

ВВЕДЕНИЕ

Образование льда на элементах конструкции летательных аппаратов в полетных условиях является одним из наиболее значимых факторов природного воздействия, оказывающих существенное влияние на безопасность полетов. Образующиеся на поверхности крыльев самолетов ледяные наросты приводят к существенному снижению аэродинамических характеристик

иуправляемости самолета, а образующийся на входных участках авиационных двигателей лед при определенных условиях может сорваться и попасть в двигатель, что в свою очередь может привести к существенному повреждению элементов компрессора и в итоге быть причиной его остановки. Статистика аварий, по данным Army AircraftIcing (2002), показывает, что в период с 1985 по 1999 год произошло 255 случаев обледенения самолетов, из них 12 % – с жертвами, убытки составили

28млн долл. По данным Aircraft Owners and Pilot Association (2007),

зафиксировано 202 случая обледенения самолетов за 1997–2007 годы, из них 21 % с жертвами. Актуальность проблемы не снижается и в настоящее время. Недавний пример – крушение 11 февраля 2018 года самолета АН-148 по причине обледенения. Особое внимание этим вопросам необходимо уделять в связи с созданием нового семейства авиационных двигателей ПД.

Что касается современного состояния вопроса по исследованию мировыми научными организациями процессов обледенения, то можно выделить два наиболее развитых зарубежных центра компетенции в части моделирования процессов обледенения

изащиты от обледенения авиационной техники – это североамериканская группа организаций и европейская группа.

Главными научными центрами североамериканской груп-

пы являются NASA Glenn Research Center (США) и NRC (Кана-

да). Данные организации имеют хорошую экспериментальную

8

базу – аэродинамические трубы с возможностью имитации обледенения и единый расчетный код для обледенения LEWICE.

Главными научными центрами европейской группы явля-

ются организации ONERA, CIRA и Cranfild University. Эти орга-

низации также обладают большим количеством разнообразных экспериментальных установок, однако все они имеют собственные расчетные коды для моделирования обледенения.

Физическое и численное моделирование процессов обледенения является предметом исследования многих отечественных и зарубежных ученых. В этой области известны работы Ю.М. Приходько, Г.П. Клименкова, Л.Н. Пузырева, А.М. Харитонова, А.А. Бабулина, К.Ю. Большунова, С.В. Алексеенко, А.М. Гайфул-

лина, А.В. Зубцова, И.А. Амелюшкина, W.B. Wright, R.W. Gent, D. Guffond, T. Hedde, R. Henry, P. Tran, M.T. Brahimi, I.P. Paraschivoiu, F. Tezok, G. Mingione, V. Brandi, J.E. Dillingh, H.W.M. Hoeijmakers, H. Beaugendre, F. Morency, W.G. Habashi, A. Pueyo, D.Chocron, F. Kafyeke, R. Hannat, М. Reggio, A. Ilinca, A.P. Broeren, M.B. Bragg, H.E. Addy, S. Lee, F. Moens, Y.B. Wang, Y.M. Xu,

Q.Huang, Y. Lei, Z. Wang, а также многих других исследователей.

Внастоящее время в РФ имеется целый ряд аэродинамических труб: АДТ Т-101 (30 МВт), АДТ Т-102 (500 кВт), АДТ Т-103 (4400 кВт), АДТ Т-104 (28,4 МВт), АДТ Т-105 (450 кВт), АДТ Т-106 (32 МВт), АДТ Т-128 (100 МВт), АДТ Т-1-2 (1000 кВт), АДТ Т-5 (315 кВт), расположенные в ФГУП ЦАГИ, г. Жуковский, и T-324 (0,5 МВт), T-313, T-325, T-326, T-327, T-333, ИТ-302, АT-303 –

в ИТПМ СО РАН им. С.А. Христиановича, г. Новосибирск, и др. Они способны воспроизводить практически весь перечень полетных условий (регламентированный существующими отечественными нормами) и используются для сертификации авиационной техники. Некоторые из них доработаны для проведения аэродинамических испытаний в условиях обледенения.

Испытания на крупногабаритных аэродинамических трубах связаны с чрезвычайно высоким уровнем потребления энергии при работе. Как следствие, это приводит к высокой стоимо-

9

сти проведения испытаний, связанной в том числе с необходимостью использования приводов и холодильных установок большой мощности, больших площадей производственных помещений, достаточного количества высококвалифицированного обслуживающего персонала.

Современные методики проектирования и создания систем защиты от обледенения включают в себя как этап математического моделирования процессов обледенения и работы систем защиты для выбора наиболее оптимальной схемы, так и этап проведения испытаний системы в условиях обледенения (естественных или искусственных) для определения реальной эффективности. При этом существующий уровень методик (в том числе и зарубежных) математического моделирования физических процессов, протекающих при обледенении и работе противообледенительных систем, предполагает необходимость проведения большого объема экспериментальных работ и разработку методик моделирования процессов обледенения.

При создании в Пермском крае перспективного семейства двигателей ПД-14 необходимо обеспечить их надежное функционирование на всех режимах эксплуатации и исключить обледенение элементов двигателя. Качество двигателей напрямую зависит от их способности работать в неблагоприятных и экстремальных условиях эксплуатации, противостоять обледенению при воздействии неизбежных вибраций на рабочих режимах.

Необходимо создание методических, теоретических и экспериментальных основ изучения обледенения при вибрациях с использованием ресурсосберегающих технологий. По результатам проведенных исследований могут быть разработаны базовые методики, позволяющие создавать малогабаритные ресурсосберегающие климатические аэродинамические трубы с целью исследований процессов обледенения при вибрациях в процессе создания современных авиационных двигателей.

В данном издании представлена инженерная расчетноэкспериментальная методика моделирования процессов обле-

10