Анализ достоверности численного решения сопряженной задачи аэродинамики, теплообмена и прочности для оценки условий обледенения

Авиационная и ракетно-космическая техника


Авторы

Михайлов Д. А.1*, Пыхалов А. А.1, 2**, Зотов И. Н.1***

1. Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, Иркутск, 664074, Россия
2. Иркутский государственный университет путей сообщения, ИрГУПС, ул. Чернышевского, 15, Иркутск, 664074, Россия

*e-mail: d.mikhaylov.835@yandex.ru
**e-mail: pikhalov_aa@irgups.ru
***e-mail: zegor-2008@yandex.ru

Аннотация

Статья посвящена развитию технологии междисциплинарного анализа применительно к авиакосмической отрасли, где особо ответственные узлы подвергаются воздействию высокоэнергетических потоков.
Междисциплинарный анализ представлен решением сопряженных задач: газовой динамики, теплообмена, прочности и обледенения. То есть в результате решения перечисленных задач получено как напряженно-деформированное состояние тела, так и возможное его обледенение под воздействием воздушных масс.
Исследование проводится на основе известных решений для тела цилиндрической формы на основе численного решения методом конечных элементов (МКЭ) – этим определяется их верификация относительно аналитических решений представленного комплекса сопряженных задач.  
Началом анализа является газодинамический расчет исследуемого тела, где на первом этапе рассматривается задача об обтекании цилиндра, с исследованием применения имеющейся сетки с определенной плотностью конечных элементов относительно аналитического решения. Относительно этого расчета получены граничные условия для решения задачи теплопроводности. В частности, при сравнении значения температуры сплошного цилиндра, полученные аналитическим и численным методом, при нагреве в нестационарной постановке показали высокую сходимость. Здесь основным результатом является график зависимости температуры тела на оси и его цилиндрической части от времени.
На следующем этапе, в результате исследования теплового состояния тела и внешних сил под воздействием воздушного потока получены граничные условия для проведения прочностного анализа.
Далее проведена верификация численного моделирования по исследованию напряженно-деформированного состояния тела путем сравнения результатов с аналитическим решением, полученным, в частности, в точке с максимальным давлением воздушного потока. Результаты показали высокую сходимость для тела, изготовленного из линейно-упругого материала.
Заключительным этапом является численное моделирование обледенения рассматриваемого цилиндрического тела с учетом деформаций и других параметров, полученных на предшествующих этапах. В результате выявлено, что в условиях полета современных двигателей и летательных аппаратов наблюдается интенсивное нарастание льда.

Ключевые слова:

сопряженный анализ обледенения, верификация сопряженной задачи, схема взаимодействия в расчете, обмен граничными условиями, эффективность осаждения капель, интенсивность нарастания льда

Библиографический список

  1. Новогородцев Е.В., Савельев А.А., Дугин Д.И. и др. Расчетные исследования по выбору формы проточного канала для мотогондолы аэродинамической модели магистрального самолета // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 3. С. 41–51.
  2. Шевченко И.В., Рогалев А.Н., Рогалев Н.Д. и др. Экспериментальное исследование теплообмена в щелевых каналах охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей с модифицированными штырьковыми интенсификаторами теплоотдачи // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 3. С. 92–100.
  3. Маскайкин В.А. Определение конструктивной компоновки БПЛА, обеспечивающей высокие показатели термоизоляции без применения термоизоляционных средств защиты // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 85–93. DOI: 10.34759/vst-2022-4-85-93
  4. Ведерников Д.В., Шаныгин А.Н. Анализ прочности перспективных конструкций крыла регионального самолета на основе параметрических моделей // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 2. С. 61–76. DOI: 10.34759/vst-2022-2-61-76
  5. Павленко О.В., Пигусов Е.А. Особенности применения тангенциального выдува струи на поверхность крыла летательного аппарата в условиях обледенения // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 2. С. 7–15. DOI: 10.34759/vst-2020-2-7-15
  6. Nguyen Q.T., Nguyen H.M., Son B.X. Numerical investigation on the supersonic flow around a saboted bullet // Vojnotehnički glasnik. 2024. Vol. 72. No. 2, pp. 676–694. DOI: 10.5937/vojtehg72-48837
  7. Jin Y., Levtsev A., Shi Y. Enhanced heat transfer of heat exchange equipment by pulsating air flow // Bulletin of Science and Practice. 2020. Vol. 4. No. 10, pp. 230–238. DOI: 10.33619/2414-2948/53/28
  8. Imamaliyev A.E. Two-dimensional problem on the motion of a structure in an elastic medium at a wave passes through // Endless Light in Science. 2023, pp. 646–652.
  9. Laturkar S.V., Mahanwar P.A. Superhydrophobic coatings using nanomaterials for anti-frost applications – review // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2016. Vol. 7. No. 4, pp. 650–656. DOI: 10.17586/2220-8054-2016-7-4-650-656
  10. Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Иконникова А.Ю. и др. Методика определения коэффициента конвективной теплоотдачи к СПГ на основе метода конечных элементов // Вестник Международной академии холода. 2023. № 3. С. 74–79. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-74-79
  11. Koptev A.V. Exact solution of 3D Navier-Stokes equations // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2020. Vol. 13. No. 3, pp. 306–313. DOI: 10.17516/1997-1397-2020-13-3-306-313
  12. Немчинский А.Л. Тепловые расчеты термической обработки. М.: Судпромгиз, 1953. 106 с.
  13. Молчанов А.М., Щербаков М.А., Янышев Д.С. и др. Построение сеток в задачах авиационной и космической техники: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 2013. 260 с.
  14. Воловик А.В., Ефименко С.В., Клавдиев И.А. и др. Оценка стохастического подобия объектов со случайными параметрами сложных технических систем // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. № 6. С. 342–349.
  15. Карышев А.К., Супельняк М.И. Температурное поле цилиндра при нестационарных периодических условиях теплообмена с окружающей средой // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 4(85). С. 54–70.
  16. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. 181 c.
  17. Федорова Н.Н., Вальгер С.А., Данилов М.Н. и др. Основы работы в Ansys 17. М.: ДМК Пресс, 2017. 210 с.
  18. Бирюк В.В., Благин Е.В., Лысенко Ю.Д. и др. Аэродинамика и самолетостроение: Учеб. пособие. Самара: Изд-во Самар. ун-та, 2018. 180 с.
  19. Михалев М.Ф., Третьяков Н.П., Мильченко А.И. и др. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Учеб. пособие. Л.: Машиностроение, 1984. 303 с.
  20. Михайлов Д.А., Пыхалов А.А., Зеньков Е.В. и др. Методика испытания образцов из эластомеров для получения механических характеристик их гиперупругости и конечно-элементного моделирования деформируемых сборных конструкций // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2021. № 4(72). С. 38–47. DOI: 10.26731/1813-9108.2021.4(72).38-47

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025