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

4.3. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ РАСЧЕТНО- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ВИБРАЦИЯХ

В связи со сложностью процесса мировая практика изучения обледенения элементов конструкции авиационной техники предполагает совместное численное и физическое моделирование процессов обледенения. Анализ влияния вибраций осуществляется по результатам вычислительного и натурного экспериментов. На рис. 47 представлены основные этапы расчетно-эксперимен- тальной методики моделирования процессов обледенения элементов конструкции авиационной техники при вибрациях.

Рис. 47. Расчетно-экспериментальная методика моделирования процессов обледенения элементов конструкции авиационной техники при вибрациях

91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор литературы показал, что исследования влияния вибраций конструкции на обледенение проводились экспериментально без учета набегающего потока. Ввиду сложности процесса при изучении процессов обледенения без вибраций в мировой практике используются совместно физический и численный эксперименты.

На этапе разработки противообледенительных систем в основном применяются подходы, при которых происходит отбор тепловой энергии двигателя для нагрева поверхностей, подверженных обледенению, что приводит к потерям его полезной мощности. Вибрационные противообледенительные системы исследованы недостаточно. Также существуют гидрофобные покрытия, которые имеют низкую эффективность при скоростях потока выше 100 м/c.

Минимальная мощность существующих в России аэродинамических труб для моделирования обледенения составляет 1 МВт, что делает затруднительным проведение достаточного количества экспериментов для различных конструкций при разных газогидродинамических параметрах.

Численное моделирование обтекания профиля крыла с ледяными наростами зачастую проводится с установкой имитаторов льда, что обусловливает необходимость осуществления предварительного физического эксперимента для определения формы имитаторов.

Большинство математических моделей обледенения недостаточно точно описывают микронеровности, а также наросты сложной формы (типа неровности «хвоста лобстера») в зонах с околонулевыми углами скольжения капель. При этом почти все методики и инженерные пакеты моделирования обледенения являются двумерными.

В монографии описаны концептуальная и математическая модели обледенения профиля крыла NACA 0012 в трехмерной

92

постановке. С использованием ПО FENSAP и ICEM CFD разработаны сеточные модели крыла в безграничном пространстве, проведен анализ сеточной сходимости, исследованы методические вопросы моделирования формы ледяных наростов.

Получены расчетные зависимости толщины, формы образования льда, газодинамических параметров вблизи профиля, температуры на внешней поверхности крыла от скорости, температуры, давления, водности газодинамического потока, шероховатости поверхности, экспозиции профиля в потоке. Анализ температур на внешней поверхности крыла с учетом ледяного нароста позволил выявить структуры водно-ледяных образований и характер обледенения для каждой из характерных зон контура льда. Наиболее значительный вклад в форму и толщину ледяных наростов вносят изменения температуры, водности потока и угла атаки. Изменение давления практически не влияет на обледенение. Влияние шероховатости неоднозначно. Повышение скорости потока влияет на толщину льда, появляются более острые ледяные наросты, при этом форма контура сохраняется.

Обнаружено, что при ненулевых углах атаки профиля крыла реализуются более опасные режимы обледенения, что соответствует статистике IKAO о большей доле авиационных катастроф при заходе на посадку.

Приведена схема разработанной и созданной в ПНИПУ энергоэффективной климатической малогабаритной аэродинамической трубы (ЭМКАДТ) для изучения процессов обледенения с энергопотреблением 2 кВт, что на два порядка меньше существующих аналогов в России. В монографии приведены численные газодинамические расчеты, которые были проведены на этапе создания ЭМКАДТ с целью снижения аэродинамического сопротивления, достижения ламинарности потока в рабочей части. Обоснована методика осуществления физического эксперимента.

Проведены физические эксперименты по обледенению профиля крыла NACA 0012 без учета действия вибраций при различной температуре и водности потока. Для реализации экспери-

93

ментов с учетом вибраций разработан вибрационный модуль

свозможностью управления частотами и амплитудами колебаний в ручном и автоматическом режимах – с помощью ПО LabView и комплекса измерения и регистрации National Instrument.

Вибрации с частотой 10 кГц и амплитудой 0,1 мм при неизменных газодинамических параметрах привели к существенному изменению формы ледяных наростов от опасной «рогообразной» к тонкой наледи, не влияющей на аэродинамику крыла. Вибрации при нулевой скорости потока одновременно

сподачей в поток мелкодисперсных частиц воды также привели к положительному с точки зрения аэродинамики изменению формы ледяных наростов.

Проведено сравнение результатов собственных вычислительных экспериментов с физическими экспериментами NASA, а также с испытаниями на созданной ЭМКАДТ. В среднем относительная погрешность не превышает 18 %. Сравнивались формы ледяных наростов, полученных в ходе физического эксперимента NASA: относительная погрешность не превышает 15 %.

Разработана расчетно-экспериментальная методика моделирования процессов обледенения элементов конструкции авиационной техники при вибрациях.

Исследование действия вибраций профиля крыла на обледенение позволит учесть и изменить диапазон существующих колебаний передней кромки профиля крыла на этапе проектирования.

94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Modelling of icing of flying vehicles in climatic wind tunnels / G.P. Klemenkov, Y.M. Prikhod'ko, L.N., Puzyrev A.M. Kharitonov // Thermophysics and aeromechanics. 2008. Vol. 15, № 4.

P.527–536.

2.Межведомственная методика МАП-МГА. М., 1991.

3.Способ наземных испытаний объектов авиационной техники, подвергающихся обледенению, и устройство для его осуществления: патент на изобретение RUS 2345345 14.08.2007 / С.Б. Петров, А.В. Харламов, В.А. Сыров, Е.К. Межзиль, С.В. Чиванов, А.В. Горячев.

4.Бабулин А.А., Большунов К.Ю. Применение численных методов при определении АХ самолета с учетом обледенения // Труды МАИ. 2012. № 51.

5.Алексеенко С.В., Приходько А.А. Численное моделирование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов // Ученые записки ЦАГИ. 2013. № 44 (6). С. 25–57.

6.Wright W.B. Users manual for the Improved NASA lewis ice accretion code LEWICE 1.6 // National Aeronautical and Space Administration (NASA), Contractor Report. 1995. № 185129. May. P. 95.

7.Gent R.W. TRAJICE2, a combined water droplet and ice accretion prediction pro-gram for aerofoil // Royal Aerospace Establishment (RAE). – Farnborough, Hampshire, Technical Report. 1990. № TR90054. Р. 83.

8.Guffond D., Hedde T., Henry R. Overview of icing research at ONERA, Advisory Group for Aerospace Research and Development / Fluid Dynamics Panel (AGARD/FDP) Joint International Conference on Aircraft Flight Safety – Actual Problems of Aircraft Development. Zhukovsky, Russia, 1993. P. 7.

9.Ice accretion on aircraft wings with thermodynamic effects / P. Tran, M.T. Brahimi, I.P. Paraschivoiu, F. Tezok // American Institute

95

of Aeronautics and Astronautics, 32nd Aerospace Sciences Meeting &

Exhibit. – Reno, Nevada, AIAA Paper. 1994. № 0605. P. 9.

10.Mingione G., Brandi V. Ice accretion prediction on multielements airfoils // J. of Aircraft. 1998. Vol. 35, № 2. Р. 240–246.

11.Dillingh J.E., Hoeijmakers H.W.M. Accumulation of ice accretion on air-foils during flight // Federal Aviation Administration In-flight Icing and Aircraft Ground De-icing, Conference. Chicago, Illinois, 2003. P. 13.

12.Beaugendre H., Morency F., Habashi W.G. ICE 3D, FENSAP-ICE’S 3D In-Flight Ice Accretion Module // American Institute of Aeronautics and Astronautics, 40th Aero-space Sciences Meeting & Exhibit.Reno,Nevada,AIAAPaper.2002.№0385.P.20.

13.Pueyo A., Chocron D., Kafyeke F. Improvements to the ice accretion code CANICE / Proceedings of the 8th Canadian Aeronautics and Space Institute (CASI) // Aerodynamic Symposium. Toronto, Canada, 2001. P. 9.

14.Приходько А.А., Алексеенко С.В. Численное моделирование процессов обледенения аэродинамических поверхностей при наличии крупных переохлажденных капель воды // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, вып. 19.

15.Hannat R., Morency F. Numerical Validation of CHT3D/CFX in Anti-/de-Icing Piccolo System // 4th AIAA Atmospheric and Space Environments Conference 25–28 June 2012. New Orleans, Louisiana, 2012.

16.Reggio М., Ilinca A. Prediction of ice accretion and antiicing heating power on wind turbine blades using standard commercial software [Электронный ресурс]. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/SO360544216311604 (дата обращения: 10.11.2019).

17.Guffond D., Hedde T. Prediction of ice accretion – comparison between the 2D and 3D codes // Recherche Aerospatiale. 1994. № 2. P. 103–115.

18.Hedde T., Guffond D. ONERA 3-dimensional icing model // AIAA Journal. 1995. № 6. P. 1038–1045.

96

19.Effect of High-Fidelity Ice-Accretion Simulations on FullScale Airfoil Performance / A.P. Broeren, M.B. Bragg, H.E. Addy, S. Lee, F. Moens, D. Guffond // Journal of Aircraft. 2010. Vol. 47, № 1. P. 240–254.

20.Безопасность операций на ВПП // Международная гражданская авиация IKAO. 2011. Т. 66, № 2.

21.Гайфуллин А.М., Зубцов А.В. О моделировании обледенения крыла в АДТ // Модели и методы аэродинамики: тезисы Второй международной школы-семинара. М.: МЦНМО, 2002. С. 78–79.

22.Амелюшкин И.А. Исследование двухфазных потоков в приложении к проблемам обледенения и аэрофизического эксперимента: дис. … канд. физ.-мат. наук. Жуковский, 2014. 144 с.

23.Wang Y.B, Xu Y.M., Huang Q. Progress on ultrasonic guided waves de-icing techniques in improving aviation energy efficiency // RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS. 2017. Vol. 79. P. 638–645.

24.Wang Y., Xu Y., Lei Y. An effect assessment and prediction method of ultrasonic de-icing for composite wind turbine blades // RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS. 2018. Vol. 118. P. 1015–1023.

25.Wang Z. Recent progress on ultrasonic de-icing technique used for wind power generation, high-voltage transmission line and aircraft // Energy and Buildings. 2017. Vol. 140. P. 42–49.

26.Актуальные вопросы создания современных систем контроля обледенения самолета / В.П. Зинченко, Н.П. Зинченко, М.В. Шиков, И.П. Муха // Адаптивні системи автоматичного управління. 2011. Т. 18, № 38. С. 129–139.

27.Акустический резонатор как устройство для предотвращения обледенения конструктивных элементов летательных аппаратов: патент на изобретение RUS 2233233 09.07.2002 / Кулалаев В.В., Науменко П.О., Крахмалева Т.В..

28.Spalart P.R., Allmaras S.R. A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flows // AIAA Paper 92. 1992. № 0439.

97

29.Spalart P.R., Allmaras S.R. A One-Equation Turbulence Model for Aerodynamic Flow // La Recherche Aerospatiale. 1994. Vol. 5. P. 5–21.

30.Numerical/Experimental Study of a Wingtip Vortex in the Near Field / J. Dacles-Mariani, G.G. Zilliac, J.S. Chow, P. Bradshaw // AIAA Journal. 1995. Vol. 33 (9). P. 1561–1568.

31.FLUENT Flow Modeling Software [Электронный ресурс] // Fluent Inc. Joins ANSYS. Inc. Santa Clara, 1995. URL: http:// www.ansys.com/products/fluid-dynamics/fluent/ (дата обращения: 06.12.2017).

32.Смирнов Е.М., Зайцев Д.К. Метод конечных объемов

вприложении к задачам газогидродинамики и теплообмена в областях сложной геометрии // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2004. № 2. С. 70–81.

33.Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука: Физматлит, 1984. 519 с.

34.Белоцерковский О. М. Численный эксперимент в турбулентности: от порядка к хаосу / Рос. акад. наук. М.: Наука, 1997. 206 с.

35.Courant R., Friedrich K.S., Lewy H. Über die partiellen Differenzengleichungen der mathematischen Physik // Mathematische Annalen. 1928. Vol. 100, № 1. P. 32–74.

36.Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории / утв. Постановлением 28-й сессии Совета по авиации и использованию воздушного пространства от 11.12.2008. М., 2008.

37.Калюлин С.Л., Модорский В.Я., Бульбович Р.В. Численное моделирование газодинамического потока в замкнутой малогабаритной аэродинамической трубе // Научно-технический вестник Поволжья. 2016. № 5. С. 192–195.

38.Modorskii V.Y., Shevelev, N.A. Research of aerohydrodynamic and aeroelastic processes on PNRPU HPC system / V. Fomin (ed.) // ICMAR. AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1770, art. no. 020001 (2016). DOI: 10.1063/1.4963924

98

39.Калюлин С.Л., Модорский В.Я., Шмаков А.Ф. Оптимизация конструкции крупногабаритного вентилятора из стеклопластика в прикладном пакете IOSO PM // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 5. С. 209–212.

40.Калюлин С.Л., Шмаков А.Ф., Модорский В.Я. Оптимизация крупногабаритной конструкции из композиционных материалов в прикладном пакете IOSO PM // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (НРС 2014): материалы XIV Междунар. конф. (г. Пермь, 10–12 нояб. 2014 г.). / М-во образования и науки Рос. Федерации, Суперкомпьют. консорциум ун-тов России, М-во образования и науки Перм. края, Перм. нац. исслед. политехн. ун-т. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014. С. 504–511.

41.Optimization of Drop Characteristics in a Carrier Cooled Gas Stream Using ANSYS and Globalizer Software Systems on the PNRPU High-Performance Cluster / S.L. Kalyulin, E.V. Shavrina, V.Y. Modorskii, K.A. Barkalov, V.P. Gergel // Parallel Computational Technologies: 11th International Conference, PCT 2017, Kazan, Russia, April 3–7, 2017: Revised Selected Papers / Supercomputing Consortium of Russian Universities, Federal Agency for Sci. Organizations. Cham: Springer Intern. Publ. AG, 2017. P. 331–345.

42.Параллельный расчет газодинамического процесса в крупногабаритном нагнетателе / А.Ф. Шмаков, Л.Н. Бутымова, Е.В. Мехоношина, Д.Ф. Гайнутдинова, С.Л. Калюлин, В.Я. Модорский // Научный сервис в сети Интернет: многообразие суперкомпьютерных миров. 2014. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Загл. с экрана.

43.Kalyulin S.L., Modorskii V.Y., Paduchev A.P. Numerical

Vol. 1770, art. no. 030110 (2016). DOI: 10.1063/1.4964052.

44. Исследование газо-термоупругих процессов в компрессоре в однонаправленной FSI-постановке: монография / В.Я. Мо-

99

дорский, Е.В. Мехоношина, Л.Н. Бутымова, А.Ф. Шмаков, А.В. Бабушкина, В.Ю. Петров, С.Л. Калюлин; М-во образования и науки Рос. Федерации, Перм. нац. исслед. политехн. ун-т. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2016. 122 с.

45.Интеграция программных комплексов GLOBALIZER

иANSYS для оптимизации процессов охлаждения капли в потоке газа / С.Л. Калюлин, В.Я. Модорский, К.А. Баркалов, В.П. Гергель, Ю.А. Лаптева, Е.А. Козинов // Научно-техничес- кий вестник Поволжья. 2017. № 5. С. 145–148.

46.ГОСТ 21631-76. Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. М., 1977. 39 с.

100