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

Рис.36.ОбледенениепрофилякрылаприVг =7,5м/с,Tг =–10°C,φ=75% для разных моментов времени: а – 3 минуты; б – 4 минуты; в – 5 минут

нарост, полученный в ходе численного эксперимента для скорости Vг = 129 м/с и Tг = –12,6 °C. При относительной влажности 75 % образуется тонкая наледь, полностью повторяющая форму крыла. На фотографии ее практически не видно. Численные расчеты для Vг = 129 м/с также совпадают по характеру наростов при уменьшении водности потока.

3.3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ПРИ ВИБРАЦИЯХ

Для обеспечения колебаний штанги крепления и профиля крыла весом 120 г в диапазоне 5000–15 000 Гц создан виброэлемент – катушка с сердечником, размещенная в воде. Виброэлемент полностью размещен под холодильной камерой, которая дополнительно была установлена на жесткую раму. К виброэлементу болтовым соединением закреплена штанга, проходящая через днище холодильной камеры, на которой в рабочей зоне ЭМКАДТ закреплен профиль крыла (рис. 37).

81

Рис. 37. Общий вид виброэлемента

Для задания вибраций на профиле крыла, а также возможности изменения частоты и амплитуды колебаний предложены два технических варианта:

1.Ручная регулировка величины напряжения, подаваемого на обмотку виброэлемента, измерение частоты осциллографом. Вариант достаточен для статического задания частоты и амплитуды колебаний. Осциллограф имеет возможность записи данных для дальнейшей обработки.

2.Изменение амплитуды и частоты с помощью имеющегося лицензионного программного обеспечения LabView, установленного на комплекс измерения и регистрации быстропротекающих процессов National Instrument. При данном варианте имеется возможность изменения частоты и амплитуды колебаний во времени согласно программно заданной функции и записи данных

сдатчиков в базу. База данных может находиться как локально, так и удаленно, в том числе на ВВК ПНИПУ.

На рис. 38, 39 представлены вышеизложенные технические реализации.

Физическое моделирование процессов обледенения при вибрацих проводилось при газогидродинамических условиях физиче-

ского эксперимента № 1 (см. табл. 38): Vг = 7,5 м/с, Tг = –10 °C, φ = 95 %. Частота колебаний составляла 10 000 Гц, амплитуда колебаний 0,1 мм. Результаты физического эксперимента представлены на рис. 40.

82

Рис. 38. Ручная регулировка частоты и амплитуды колебаний, подаваемых на виброэлемент

Рис. 39. Комплекс измерения и регистрации быстропротекающих процессов National Instrument и рабочее окно LabView

83

Рис. 40. Обледенение профиля крыла при Vг = 7,5 м/с, Tг = –10 °C, φ = 95 % при вибрациях (ν = 10000 Гц, P = 0,1 мм) для разных моментов времени: а – 3 минуты; б – 4 минуты; в – 5 минут

Для удобства анализа изображений повторно приводится обледенение профиля крыла без вибраций (см. рис. 34).

При вибрациях не образовались ледяные наросты, профиль крыла покрылся тонкой наледью, что является безопасным видом обледенения, практически не влияющим на обтекание. На рис. 34 (б, в) видно, что на стенке прозрачной рабочей части ЭМКАДТ образовался слой льда, чего не наблюдается на профиле вследствие действия вибраций с частотой 10 000 Гц и амплитудой 0,1 мм.

Вместе с тем было исследовано влияние вибраций без работы нагнетателя, когда скорость набегающего потока равна нулю. Такого рода эксперименты проводились исследователями

Y. Wang, Y. Xu и Y. Lei в 2018 году [24] в лабораторных усло-

виях. В качестве образца в работе [24] использовалась пластина из композита. Однако подача вибраций была осуществлена после намерзания льда на пластину. Основная часть ледяного слоя была сброшена подачей вибрации с частотой 34 800 Гц за 3 минуты и 6 секунд. Амплитуда не указывается.

На рис. 41 представлены результаты физического эксперимента, осуществленного авторами в рамках исследования. Подача вибраций происходила одновременно с началом подачи мелкодисперсных частиц воды.

84

Рис. 41. Обледенение профиля крыла при Vг = 0 м/с, Tг = –10 °C, φ = 95 % при вибрациях (ν = 10 000 Гц, P = 0,1 мм) для разных моментов времени: а – 3 минуты; б – 4 минуты; в – 5 минут

Для сравнения на рис. 42 представлен результат физического эксперимента без вибраций и без газодинамического потока.

На рис. 41 при вибрациях без газодинамического потока

так же, как и с Vг = 7,5 м/с, отчетливо видно намерзание льда

на стенках прозрачной рабочей части ЭМКАДТ, но на самом профиле образуется только тонкая наледь.

Полученные результаты говорят о положительном с точки зрения аэродинамики влиянии вибраций на процесс образова-

ния льда. Изменение формы ледяных наростов из «рога» в тонкую наледь значительно снижает изменения аэродинамики вблизи контура крыла. Причем подачу вибраций необходимо осуществлять не после образования ледяных наростов с целью их сброса, а до начала процесса обледенения, при входе в зону образования льда.

85

Рис. 45. Контуры льда на профиле крыла NACA0012: черная граница – физический эксперимент в NASA: Vг = 129 м/с, L = 0,3 м [6]; фотография – физический эксперимент в ЭМКАДТ: Vг = 7,5 м/с, L = 0,08 м

В табл. 11 представлена толщина обледенения в некоторых характерных точках.

Таблица 11

Сравнение толщины обледенения в некоторых характерных точках (физическое, моделированное в ЭМКАДТ,

и физическое в NASA)

Сравнение результатов численного эксперимента в ANSYS FENSAP с физическим экспериментом в ЭМКАДТ показывает, что они совпадают на большей части поверхности обледенения с точностью, не превышающей 20 %. Но имеются участки, на которых расхождение достигает 32–39 %. В среднем, исходя из 20 измерений толщин льда по нормали к профилю, относительная погрешность не превышает 26 %.

89