Ученые из МФТИ и МГУТУ смоделировали взаимодействие крыла воздушного судна и обтекающего его потока воздуха. Написанная учеными компьютерная программа позволит определять форму и материал крыла, препятствующие обледенению. Результаты исследований опубликованы в журнале «Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика—Математика» и будут полезны авиационным инженерам.
Железные птицы — образное выражение, закрепившееся в русском языке по отношению к воздушным судам. Они тоже летают, а их конструкция включает в себя крылья, оперенье и хвостовую часть. Только перемещаются суда по воздуху не как живые пташки за счет своих мышечных усилий, а благодаря создаваемой двигателем силе тяги и подъемной силе крыла.
Подъемной называют силу, выталкивающую крыло, следовательно, и весь летательный аппарат вверх. Данная сила обусловлена разницей давлений, возникающей при движении в воздушном потоке, а именно над крылом давление ниже, чем под ним. Подъемной силой можно управлять, изменяя геометрические характеристики крыла: форму, размах, площадь. Например, выдвижение спойлеров — специальных панелей, расположенных в задней части крыльев, — увеличивает аэродинамическое сопротивление и снижает тем самым подъемную силу, что приводит к торможению судна.
Следует отметить, что при определении сил сопротивления, помимо характеристик самого летательного аппарата, надо учитывать еще и свойства среды, в которой он движется. Воздух может содержать капли воды, а также частицы пыли или льда. Отложение различных веществ на поверхности судна, в частности на крыле, значительно снижает безопасность полетов. Чтобы исключить развитие аварийных ситуаций, необходимо проектировать крылья, форма и материал которых препятствуют образованию налета.
Ученые из МФТИ и МГУТУ разработали математические и компьютерные модели взаимодействия поверхности тела и обтекаемого его двухфазного потока (Рисунок 1). Двухфазный поток содержит вещества в двух агрегатных состояниях, в данном случае — это газ и капли переохлажденной воды, то есть воды, не превратившейся в лед при температуре ниже 0 °С.
Рисунок 1. Особенности обтекания тела двухфазным потоком: а) различие траекторий движения капель воды (красный цвет) и потока газа (синий цвет), б) иллюстрация к расчету формы крыла, устойчивого к отложению налета. Источник: журнал «Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика—математика».
«Мы написали компьютерную программу, позволяющую определять изменение скорости молекул разреженных газов, — сказал Максим Кудров, директор Института аэромеханики и летательной техники МФТИ. — В программе учтены многократные соударения молекул друг с другом и с крылом, а также форма крыла».
«Наша научная группа определила условия снижения интенсивности тепломассообмена и силового воздействия двухфазного потока на крыло, приняв во внимание свойства материалов, идущих на изготовление покрытия крыла», — пояснил Иван Амелюшкин, программист Института аэромеханики и летательной техники МФТИ.
В ходе вычислений установлено: если крыло короче, а его поверхность более сглаженная, то коэффициент сопротивления меньше. Удлинение крыла увеличивает время на выравнивание скоростей капель воды и несущего их потока газа (Рисунок 2). В результате снижается скорость удара капель о поверхность крыла, соответственно, уменьшается глубина проникновения воды или льда в поры покрытия и вероятность его точечного разрушения. При дроблении капель на отдельные молекулярные кластеры будут проявляться эффекты, вызванные тепловым движением молекул.
Рисунок 2. Распределение плотности потока массы в зависимости от параметров q и ψ. ψ определяется как отношение длины исследуемого тела к его полуширине. q показывает, заостренное тело или затупленное. Источник: журнал «Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика—математика».
Следует отметить, что компьютерная программа позволяет прогнозировать действующие на крыло силы, их моменты и массовые потоки и на основании этого выбирать оптимальную форму крыла, устойчивую к образованию налета, в частности, к обледенению. Кроме того, используя модели отскока частиц от поверхности, в которых учтены физические свойства материалов и начальные условия, разработанная программа дает возможность подобрать материал для изготовления крыла в зависимости от его формы. Выбранный материал будет наилучшим образом снижать сопротивление и тепломассообмен при обтекании тела двухфазным потоком. Это актуально в задачах противодействия обледенению, снижения сопротивления летательных аппаратов в условиях обильных осадков, при управлении напылением, теплообменом и во многих других практически значимых вопросах.
