Ученые НГТУ НЭТИ провели численное моделирование процессов обледенения поверхностей летательного аппарата
В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ разработали методику численного моделирования процессов обледенения аэродинамических поверхностей летательного аппарата. Результаты работы могут быть применены при проектировании противообледенительных систем и оценке аэродинамических характеристик воздушного судна.
Как отметил заведующий кафедрой технической теплофизики НГТУ НЭТИ кандидат технических наук, доцент Максим Горбачев, обледенение летательных аппаратов в полете — серьезная проблема безопасности. В атмосферном воздухе всегда присутствуют водяные пары и при низких температурах в определенных летных условиях может возникать процесс образования ледяной кромки на поверхности самолета. При этом образующийся ледяной слой изменяет структуру обтекания аэродинамических поверхностей, уменьшает подъемную силу крыла, негативным образом сказывается на эффективности системы управления, вызывает потерю тяги, рост турбулентного следа, а также приводит к увеличению массы воздушного судна.
«Разработка противообледенительных систем — задача достаточно сложная. Летные испытания не являются надежным инструментом, поскольку трудно заранее определить местоположение вызывающих обледенение облаков. Для понимания различных механизмов образования льда и борьбы с обледенением эффективнее использовать методы моделирования. В области моделирования обледенения основная цель состоит в том, чтобы понять физику образования льда, попытаться предсказать форму ледяных наростов на основе условий полета и условий окружающей среды. Для этого необходимо рассчитать траектории движения капель и определить коэффициент осаждения на рассматриваемых аэродинамических поверхностях», — рассказал Максим Горбачев.
Моделирование динамики нарастания слоя льда на поверхности профиля проводилось итерационно и состояло из следующих этапов: рассчитывалось поле скоростей, давлений, плотности воздуха (и других параметров) около рассматриваемого аэродинамического профиля (для этого решалась система дифференциальных уравнений); по известному полю скоростей рассчитывались траектории движения и осаждения капель воды на поверхности; рассчитывалась форма образующегося льда.
На основе полученных данных был сделан вывод о том, что наличие на поверхности аэродинамического профиля ледяной структуры уменьшает подъемную силу более чем на 30% и увеличивает лобовое сопротивление более чем на 20% (в зависимости от исходных параметров).
В результате выполненных исследований были представлены результаты моделирования обтекания поверхности аэродинамического профиля и получены результаты динамики обледенения. Разработанная методика была проверена в контексте двумерных и трехмерных задач. Ученые планируют провести параметрические исследования влияния исходных параметров на динамику образования льда, а также разработать рекомендации по предотвращению или уменьшению льдообразования.
Методика численного моделирования процесса обледенения может использоваться при проектировании противообледенительных систем, оценке аэродинамических характеристик различных летательных аппаратов, в том числе БПЛА, а также при проектировании ветрогенераторов, башенных кранов, мостов и других инженерных конструкций.
Ранее в НГТУ НЭТИ разработали расчетную модель, показывающую, как влияют удары града на композитные части самолета.