Розробка тривимірної моделі процесу наростання криги на аеродинамічних поверхнях

The object of research is the processes of hydroaerodynamics and heat and mass transfer that occur when icing the aerodynamic surfaces of aircraft during flight in adverse weather conditions. One of the problem areas in the development of software and methodological support that allows to simulate the icing processes, there are difficulties in the transition to solving the problem in three-dimensional formulation. As well as the presence of contradictions in existing methods in describing the physical picture and, accordingly, the thermodynamics of the process of ice growth.During the study, experimental and analytical methods were used to study the physical processes of ice growth on streamlined surfaces, based on a phased analysis of the interaction of supercooled droplets with the surface and their subsequent freezing at the wing edge. The proposed model of the process of ice growth is based on the use of the method of surface control volumes, based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy. Based on the new experimental data obtained on the physics of icing, it is proposed to separate the processes of the formation of a bulk ice-water structure and subsequent complete freezing of this structure separately in the methodology for modeling ice growth. At the first stage of the fluid crystallization process, as part of the step on the icing time, the supercooled fluid contained in the droplets that fall on the streamlined surface passes into a state of thermodynamic equilibrium. That is, the latent heat of solidification released during the formation of an ice fraction in the ice-water structure will be equal to the internal heat required to heat the supercooled fluid from the temperature of the droplets to the temperature of the phase transition. At the second stage, the water contained in the ice-water structure will freeze due to heat loss by convection, evaporation, sublimation, thermal conductivity (minus the latent heat of solidification, kinetic and aerodynamic heating). It should be noted that the water that will freeze will also fetter the spatial ice structure. In this case, the method of successive approximations is applied to determine the direction of fluid movement along the streamlined surface.Compared with the well-known traditional methods, this approach makes it possible to take into account to a greater extent the real physical processes of icing of aerodynamic surfaces that are extremely complex for mathematical description.The results can be used to optimize the operation of anti-icing systems and determine ways to reduce energy costs during the operation of such systems.Объектом исследования являются процессы гидроаэродинамики и тепломассопереноса, происходящие при обледенении аэродинамических поверхностей летательных аппаратов во время полета в неблагоприятных метеорологических условиях.  Одними из проблемных мест при разработке программно-методического обеспечения, позволяющего моделировать процессы обледенения, являются сложности при переходе к решению задачи в трехмерной постановке. А также наличие в существующих методиках противоречий при описании физической картины и, соответственно, термодинамики процесса нарастания льда.В ходе исследования использовались экспериментальные и аналитические методы исследования физических процессов нарастания льда на обтекаемых поверхностях, основанные на поэтапном анализе взаимодействия переохлажденных капель с поверхностью и их последующим замерзанием на кромке крыла. Предложенная модель процесса нарастания льда основана на использовании метода поверхностных контрольных объемов, базирующегося на уравнениях неразрывности, сохранения количества движения и энергии. На основе новых полученных экспериментальных данных о физике обледенения, в методике моделирования образования ледяных наростов предложено выделить отдельно процессы образования объемной структуры лед-вода и последующего полного замерзания этой структуры. На первом этапе процесса кристаллизации жидкости, в рамках шага по времени оледенения, переохлажденная жидкость, содержащаяся в каплях, которые выпадают на обтекаемую поверхность, переходит в состояние термодинамического равновесия. То есть скрытая теплота затвердевания, выделяющейся при образовании ледяной доли в структуре лед-вода, будет равна внутренний теплоте, необходимой для нагрева переохлажденной жидкости от температуры капелек до температуры фазового перехода. На втором этапе будет замерзать вода, содержащаяся в структуре лед-вода за счет тепловых потерь конвекцией, испарением, сублимацией, теплопроводностью (за минусом скрытой теплоты затвердевания, кинетического и аэродинамического нагрева). Необходимо отметить, что вода, которая замерзает, также будет сковывать и пространственную ледяную структуру. При этом, для определения направления перемещения жидкости вдоль обтекаемой поверхности был использован метод последовательных приближений. По сравнению с известными традиционными методиками такой подход позволяет в большей мере учитывать чрезвычайно сложные для математического описания реальные физические процессы обледенения аэродинамических поверхностей.Результаты работы могут быть использованы при оптимизации работы систем защиты от обледенения и определении путей снижения энергетических затрат при работе таких систем.Об'єктом дослідження є процеси гідроаеродинаміки і тепломасопереносу, що відбуваються при зледенінні аеродинамічних поверхонь літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах. Одними з проблемних місць при розробці програмно-методичного забезпечення, що дозволяє моделювати процеси зледеніння, є складності при переході до вирішення задачі в тривимірній постановці. А також наявність в існуючих методиках протиріч при описі фізичної картини і, відповідно, термодинаміки процесу наростання криги.В ході дослідження використовувалися експериментальні та аналітичні методи дослідження фізичних процесів наростання криги на обтічних поверхнях, засновані на поетапному аналізі взаємодії переохолоджених крапель з поверхнею і їх подальшим замерзанням на кромці крила. Запропонована модель процесу наростання криги заснована на використанні методу поверхневих контрольних об’ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху і енергії. На основі нових отриманих експериментальних даних про фізику обмерзання, в методиці моделювання наростання криги запропоновано виділити окремо процеси утворення об’ємної структури крига-вода і подальшого повного замерзання цієї структури. На першому етапі процесу кристалізації рідини, в рамках кроку за часом зледеніння, переохолоджена рідина, що міститься в краплях, які потрапляють на обтічну поверхню, переходить в стан термодинамічної рівноваги. Тобто прихована теплота затвердіння, що виділяється при утворенні крижаної долі в структурі крига-вода, буде дорівнювати внутрішній теплоті, необхідній для нагрівання переохолодженої рідини від температури крапельок до температури фазового переходу. На другому етапі буде замерзати вода, що міститься в структурі крига-вода за рахунок теплових втрат конвекцією, випаровуванням, сублімацією, теплопровідністю (за мінусом прихованої теплоти затвердіння, кінетичного і аеродинамічного нагріву). Необхідно зазначити, що вода, яка буде замерзати, також сковуватиме і просторову крижану структуру. При цьому для визначення напрямку переміщення рідини уздовж обтічної поверхні було застосовано метод послідовних наближень.У порівнянні з відомими традиційними методиками такий підхід дозволяє більшою мірою враховувати надзвичайно складні для математичного опису реальні фізичні процеси обмерзання аеродинамічних поверхонь.Результати роботи можуть бути використані при оптимізації роботи систем захисту від обмерзання і визначенні шляхів зниження енергетичних витрат при роботі таких систем

Розробка тривимірної моделі процесу наростання криги на аеродинамічних поверхнях

The object of research is the processes of hydroaerodynamics and heat and mass transfer that occur when icing the aerodynamic surfaces of aircraft during flight in adverse weather conditions. One of the problem areas in the development of software and methodological support that allows to simulate the icing processes, there are difficulties in the transition to solving the problem in three-dimensional formulation. As well as the presence of contradictions in existing methods in describing the physical picture and, accordingly, the thermodynamics of the process of ice growth.During the study, experimental and analytical methods were used to study the physical processes of ice growth on streamlined surfaces, based on a phased analysis of the interaction of supercooled droplets with the surface and their subsequent freezing at the wing edge. The proposed model of the process of ice growth is based on the use of the method of surface control volumes, based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy. Based on the new experimental data obtained on the physics of icing, it is proposed to separate the processes of the formation of a bulk ice-water structure and subsequent complete freezing of this structure separately in the methodology for modeling ice growth. At the first stage of the fluid crystallization process, as part of the step on the icing time, the supercooled fluid contained in the droplets that fall on the streamlined surface passes into a state of thermodynamic equilibrium. That is, the latent heat of solidification released during the formation of an ice fraction in the ice-water structure will be equal to the internal heat required to heat the supercooled fluid from the temperature of the droplets to the temperature of the phase transition. At the second stage, the water contained in the ice-water structure will freeze due to heat loss by convection, evaporation, sublimation, thermal conductivity (minus the latent heat of solidification, kinetic and aerodynamic heating). It should be noted that the water that will freeze will also fetter the spatial ice structure. In this case, the method of successive approximations is applied to determine the direction of fluid movement along the streamlined surface.Compared with the well-known traditional methods, this approach makes it possible to take into account to a greater extent the real physical processes of icing of aerodynamic surfaces that are extremely complex for mathematical description.The results can be used to optimize the operation of anti-icing systems and determine ways to reduce energy costs during the operation of such systems.Объектом исследования являются процессы гидроаэродинамики и тепломассопереноса, происходящие при обледенении аэродинамических поверхностей летательных аппаратов во время полета в неблагоприятных метеорологических условиях.  Одними из проблемных мест при разработке программно-методического обеспечения, позволяющего моделировать процессы обледенения, являются сложности при переходе к решению задачи в трехмерной постановке. А также наличие в существующих методиках противоречий при описании физической картины и, соответственно, термодинамики процесса нарастания льда.В ходе исследования использовались экспериментальные и аналитические методы исследования физических процессов нарастания льда на обтекаемых поверхностях, основанные на поэтапном анализе взаимодействия переохлажденных капель с поверхностью и их последующим замерзанием на кромке крыла. Предложенная модель процесса нарастания льда основана на использовании метода поверхностных контрольных объемов, базирующегося на уравнениях неразрывности, сохранения количества движения и энергии. На основе новых полученных экспериментальных данных о физике обледенения, в методике моделирования образования ледяных наростов предложено выделить отдельно процессы образования объемной структуры лед-вода и последующего полного замерзания этой структуры. На первом этапе процесса кристаллизации жидкости, в рамках шага по времени оледенения, переохлажденная жидкость, содержащаяся в каплях, которые выпадают на обтекаемую поверхность, переходит в состояние термодинамического равновесия. То есть скрытая теплота затвердевания, выделяющейся при образовании ледяной доли в структуре лед-вода, будет равна внутренний теплоте, необходимой для нагрева переохлажденной жидкости от температуры капелек до температуры фазового перехода. На втором этапе будет замерзать вода, содержащаяся в структуре лед-вода за счет тепловых потерь конвекцией, испарением, сублимацией, теплопроводностью (за минусом скрытой теплоты затвердевания, кинетического и аэродинамического нагрева). Необходимо отметить, что вода, которая замерзает, также будет сковывать и пространственную ледяную структуру. При этом, для определения направления перемещения жидкости вдоль обтекаемой поверхности был использован метод последовательных приближений. По сравнению с известными традиционными методиками такой подход позволяет в большей мере учитывать чрезвычайно сложные для математического описания реальные физические процессы обледенения аэродинамических поверхностей.Результаты работы могут быть использованы при оптимизации работы систем защиты от обледенения и определении путей снижения энергетических затрат при работе таких систем.Об'єктом дослідження є процеси гідроаеродинаміки і тепломасопереносу, що відбуваються при зледенінні аеродинамічних поверхонь літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах. Одними з проблемних місць при розробці програмно-методичного забезпечення, що дозволяє моделювати процеси зледеніння, є складності при переході до вирішення задачі в тривимірній постановці. А також наявність в існуючих методиках протиріч при описі фізичної картини і, відповідно, термодинаміки процесу наростання криги.В ході дослідження використовувалися експериментальні та аналітичні методи дослідження фізичних процесів наростання криги на обтічних поверхнях, засновані на поетапному аналізі взаємодії переохолоджених крапель з поверхнею і їх подальшим замерзанням на кромці крила. Запропонована модель процесу наростання криги заснована на використанні методу поверхневих контрольних об’ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху і енергії. На основі нових отриманих експериментальних даних про фізику обмерзання, в методиці моделювання наростання криги запропоновано виділити окремо процеси утворення об’ємної структури крига-вода і подальшого повного замерзання цієї структури. На першому етапі процесу кристалізації рідини, в рамках кроку за часом зледеніння, переохолоджена рідина, що міститься в краплях, які потрапляють на обтічну поверхню, переходить в стан термодинамічної рівноваги. Тобто прихована теплота затвердіння, що виділяється при утворенні крижаної долі в структурі крига-вода, буде дорівнювати внутрішній теплоті, необхідній для нагрівання переохолодженої рідини від температури крапельок до температури фазового переходу. На другому етапі буде замерзати вода, що міститься в структурі крига-вода за рахунок теплових втрат конвекцією, випаровуванням, сублімацією, теплопровідністю (за мінусом прихованої теплоти затвердіння, кінетичного і аеродинамічного нагріву). Необхідно зазначити, що вода, яка буде замерзати, також сковуватиме і просторову крижану структуру. При цьому для визначення напрямку переміщення рідини уздовж обтічної поверхні було застосовано метод послідовних наближень.У порівнянні з відомими традиційними методиками такий підхід дозволяє більшою мірою враховувати надзвичайно складні для математичного опису реальні фізичні процеси обмерзання аеродинамічних поверхонь.Результати роботи можуть бути використані при оптимізації роботи систем захисту від обмерзання і визначенні шляхів зниження енергетичних витрат при роботі таких систем

Визначення особливостей формування систем енергозабезпечення з використанням відновлюваних джерел енергії в перехідний період року

An urgent scientific and practical problem is the formation of energy efficient systems for ensuring climatic conditions in premises based on the use of renewable energy sources. The work has improved the technical and methodological approach to the calculations of energy supply and storage systems when using energy-active fences. The special effectiveness of these fences has been shown in the transitional periods of the year, that is, in spring and autumn. A mathematical model has been developed to reliably predict the process of ensuring temperature comfortable conditions (heat balance) when using nonparametric statistics methods. It will improve the quality of forecasting the effect of external air temperature during the transitional periods of the year. The temperature inside the room is taken into account in the presence of a multilayer energy-active fence. To determine the approach to the use of heat in energy supply systems during the transition period, thermal parameters from the inner and outer sides of the building structure are considered. This makes it possible to take into account changes in the heat transfer of these structures when designing a power supply system and determining the optimal modes of its functioning in various natural conditions. The function of energy-active fences associated with the generation of additional heat into the system, obtained through the conversion of solar radiation energy, is considered. To increase this generation, special multilayer designs of energy-active fencing have been proposed. The proposed thermal modernization with the use of energy-active fences allows, on average, over the cold period of the year, to reduce energy consumption by 3.5 times for industrial and residential buildingsАктуальной научно-практической проблемой является формирование энергоэффективных систем обеспечения климатических условий в помещениях на основе использования возобновляемых источников энергии. В работе усовершенствован технико-методологический подход к расчетам систем энергообеспечения и аккумулирования при применении энергоактивных ограждений. Показана особая эффективность этих ограждений в переходные периоды года, то есть весной и осенью. Для надежного прогнозирования процесса обеспечения температурных комфортных условий (теплового баланса) при применении методов непараметрической статистики разработана математическая модель. Она позволит повысить качество прогнозирования влияния внешней температуры воздуха в переходные периоды года. Учитывается температура внутри помещения при наличии многослойного энергоактивного ограждения. Для определения подхода к использованию в системах энергообеспечения теплоты в переходный период рассматриваются тепловые параметры с внутренней и внешней стороны конструкции здания. Это дает возможность учитывать изменения теплопередачи этих конструкций при проектировании системы энергообеспечения и определения оптимальных режимов ее функционирования в различных природных условиях. Рассмотрена функция энергоактивных ограждений связанная с генерированием в систему дополнительного теплоты, получаемой благодаря преобразованию энергии солнечного излучения. Для повышения этого генерирования были предложены специальные многослойные конструкции энергоактивного ограждения. Предложенная термомодернизация с использованием энергоактивных ограждений позволяет, в среднем за холодный период года, уменьшить энергозатраты в 3,5 раза для зданий промышленного и жилого назначения.Актуальною науково-практичною проблемою є формування енергоефективних систем забезпечення кліматичних умов в приміщеннях на основі використання відновлюваних джерел енергії. У роботі удосконалено техніко-методологічний підхід до розрахунків систем енергозабезпечення та акумулювання при застосуванні енергоактивних огороджень. Показана особлива ефективність цих огороджень в перехідні періоди року, тобто весни та осені. Для надійного прогнозування процесу забезпечення температурних комфортних умов (теплового балансу) при застосуванні методів непараметричної статистики розроблена математична модель. Вона дозволить підвищити якість прогнозування впливу зовнішньої температури повітря у перехідні періоди року. До уваги береться температура всередині приміщення при наявності багатошарового енергоактивного огородження. Для визначення підходу щодо використання в системах енергозабезпечення теплоти в перехідний період розглядаються теплові параметри з внутрішньої та зовнішньої сторони конструкції споруди. Це дає можливість враховувати зміни теплопередавання цих конструкції при проєктуванні системи енергозабезпечення та визначення оптимальних режимів її функціонування в різних природних умовах. Розглянуто іншу задачу енергоактивного огородження, пов’язану з генеруванням в систему додаткової теплоти, яка отримується завдяки перетворенню енергії сонячного випромінювання. Для підвищення цього генерування були запропоновані спеціальні багатошарові конструкції енергоактивного огородження. Запропонована термомодернізація з використанням енергоактивних огорож дозволяє, в середньому за холодний період року, зменшити енерговитрати в 3,5 рази для будівель  промислового та житлового призначення

Somatic sex-specific transcriptome differences in Drosophila revealed by whole transcriptome sequencing

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Understanding animal development and physiology at a molecular-biological level has been advanced by the ability to determine at high resolution the repertoire of mRNA molecules by whole transcriptome resequencing. This includes the ability to detect and quantify rare abundance transcripts and isoform-specific mRNA variants produced from a gene.</p> <p>The sex hierarchy consists of a pre-mRNA splicing cascade that directs the production of sex-specific transcription factors that specify nearly all sexual dimorphism. We have used deep RNA sequencing to gain insight into how the Drosophila sex hierarchy generates somatic sex differences, by examining gene and transcript isoform expression differences between the sexes in adult head tissues.</p> <p>Results</p> <p>Here we find 1,381 genes that differ in overall expression levels and 1,370 isoform-specific transcripts that differ between males and females. Additionally, we find 512 genes not regulated downstream of <it>transformer </it>that are significantly more highly expressed in males than females. These 512 genes are enriched on the × chromosome and reside adjacent to dosage compensation complex entry sites, which taken together suggests that their residence on the × chromosome might be sufficient to confer male-biased expression. There are no transcription unit structural features, from a set of features, that are robustly significantly different in the genes with significant sex differences in the ratio of isoform-specific transcripts, as compared to random isoform-specific transcripts, suggesting that there is no single molecular mechanism that generates isoform-specific transcript differences between the sexes, even though the sex hierarchy is known to include three pre-mRNA splicing factors.</p> <p>Conclusions</p> <p>We identify thousands of genes that show sex-specific differences in overall gene expression levels, and identify hundreds of additional genes that have differences in the abundance of isoform-specific transcripts. No transcription unit structural feature was robustly enriched in the sex-differentially expressed transcript isoforms. Additionally, we found that many genes with male-biased expression were enriched on the × chromosome and reside adjacent to dosage compensation entry sites, suggesting that differences in sex chromosome composition contributes to dimorphism in gene expression. Taken together, this study provides new insight into the molecular underpinnings of sexual differentiation.</p

Застосування методів числельного моделювання для зниження енергоспоживання систем захисту від зледеніння літальних аппаратів

The object of research is the processes of hydrodynamic and heat and mass transfer occurring during the icing of aircraft during flight in adverse meteorological conditions, as well as the system of protection against icing. One of the problematic places in the development of anti-icing systems is minimization of their energy consumption while ensuring flight safety.In the course of the study, the developed software and methodological software was used to simulate the processes of icing of aircraft. An approach based on the Navier-Stokes equations and the model of interpenetrating media was used to describe the external airborne flow, as well as the loss of moisture on the streamlined surface. The numerical simulation of the ice buildup process was performed using the method of surface control volumes based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy.Research results are presented on the example of the viscous compressible air-droplet flow around the NACA 0012 wing profile. More accurate distributions of the main flow parameters at the boundary layer boundary, convective heat exchange along the streamlined surface, as well as the basic quantities included in the equations of mass and heat balances are obtained. This is due to the fact that the proposed approach takes into account the viscosity and compressibility of the flow, and also has a number of features when describing the external flow. In particular, a modified Spalart-Allmaras turbulence model is used, taking into account the wall roughness. Thanks to this, it is possible to determine the coefficient of convective heat exchange by the temperature field found. Compared with the well-known traditional methods that use integral ratios, this approach allows to take into account the history of the flow, can be applied in the case of sufficiently high speeds and complex ice forms, in problems in the three-dimensional formulation. Also, this approach makes it possible to determine the aerodynamic characteristics of profiles with ice buildups, taking into account the surface roughness.The results of the work can be used to optimize the operation of anti-icing systems and determine ways to reduce energy costs when operating such systems.Объектом исследования являются процессы гидроаэродинамики и тепломассопереноса, происходящие при обледенении летательных аппаратов во время полета в неблагоприятных метеорологических условиях, а также системы защиты от обледенения. Одним из проблемных мест в разработках систем защиты от обледенения является минимизация их энергопотребления при обеспечении безопасности полетов.В ходе исследования использовалось разработанное программно-методическое обеспечение, позволяющее моделировать процессы обледенения летательных аппаратов. Для описания внешнего воздушно-капельного потока, а также выпадения влаги на обтекаемую поверхность применен подход на основе уравнений Навье-Стокса и модели взаимопроникающих сред. Численное моделирование процесса нарастания льда выполнено с использованием метода поверхностных контрольных объемов, базирующегося на уравнениях неразрывности, сохранения количества движения и энергии.Результаты проведенных исследований представлены на примере обтекания профиля крыла NACA 0012 вязким сжимаемым воздушно-капельным потоком. Получены более точные распределения основных параметров потока на границе пограничного слоя, конвективного теплообмена вдоль обтекаемой поверхности, а также основных величин, входящих в уравнения массовых и тепловых балансов. Это связано с тем, что предложенный поход учитывает вязкость и сжимаемость потока, а также имеет ряд особенностей при описании внешнего потока. В частности использована модифицированная модель турбулентности Spalart-Allmaras, учитывающая шероховатость стенки. Благодаря этому обеспечивается возможность определения коэффициента конвективного теплообмена по найденному температурному полю. По сравнению с известными традиционными методиками, использующими интегральные соотношения, такой подход позволяет учитывать предысторию потока, может быть применен в случае достаточно больших скоростей и сложных форм ледяных, в задачах в трехмерной постановке. Также такой подход дает возможность определять аэродинамические характеристики профилей с наростами льда с учетом шероховатости поверхности.Результаты работы могут быть использованы при оптимизации работы систем защиты от обледенения и определении путей снижения энергетических затрат при работе таких систем.Об'єктом дослідження є процеси гідроаеродинаміки та тепломасопереносу, що відбуваються при зледенінні літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах, а також системи захисту від зледеніння. Одним з проблемних місць в розробках систем захисту від зледеніння є мінімізація їх енергоспоживання при забезпеченні безпеки польотів.В ході дослідження було використано розроблене програмно-методичне забезпечення, яке дозволяє моделювати процеси зледеніння літальних апаратів. Для опису зовнішнього повітряно-крапельного потоку, а також випадіння вологи на обтічну поверхню застосовано підхід на основі рівнянь Нав’є-Cтокса та моделі взаємопроникних середовищ. Чисельне моделювання процесу наростання криги виконано з використанням методу поверхневих контрольних об'ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху та енергії.Результати проведених досліджень представлені на прикладі обтікання профілю крила NACA 0012 в’язким стисливим повітряно-крапельним потоком. Отримані більш точні розподіли основних параметрів потоку на межі пограничного шару, конвективного теплообміну вздовж обтічної поверхні, а також основних величин, що входять до рівнянь масових та теплових балансів. Це пов'язано з тим, що запропонований похід враховує в'язкість та стисливість потоку, а також має ряд особливостей при описі зовнішнього потоку. Зокрема використовується модифікована модель турбулентності Spalart-Allmaras, що враховує шорсткість стінки. Завдяки цьому забезпечується можливість визначення коефіцієнта конвективного теплообміну за отриманим розподілом температурного поля. У порівнянні з відомими традиційними методами, що використовують інтегральні співвідношення, такий підхід дозволяє враховувати передісторію потоку, може бути застосований у випадку досить великих швидкостей і складних крижаних форм, у задачах у тривимірній постановці. Також такий підхід дає можливість визначити аеродинамічні характеристики профілів з наростами криги з урахуванням шорсткості поверхні.Результати роботи можуть бути використані при оптимізації роботи систем захисту від зледеніння та визначення шляхів зменшення енергетичних витрат при роботі таких систем

Застосування методів числельного моделювання для зниження енергоспоживання систем захисту від зледеніння літальних аппаратів

The object of research is the processes of hydrodynamic and heat and mass transfer occurring during the icing of aircraft during flight in adverse meteorological conditions, as well as the system of protection against icing. One of the problematic places in the development of anti-icing systems is minimization of their energy consumption while ensuring flight safety.In the course of the study, the developed software and methodological software was used to simulate the processes of icing of aircraft. An approach based on the Navier-Stokes equations and the model of interpenetrating media was used to describe the external airborne flow, as well as the loss of moisture on the streamlined surface. The numerical simulation of the ice buildup process was performed using the method of surface control volumes based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy.Research results are presented on the example of the viscous compressible air-droplet flow around the NACA 0012 wing profile. More accurate distributions of the main flow parameters at the boundary layer boundary, convective heat exchange along the streamlined surface, as well as the basic quantities included in the equations of mass and heat balances are obtained. This is due to the fact that the proposed approach takes into account the viscosity and compressibility of the flow, and also has a number of features when describing the external flow. In particular, a modified Spalart-Allmaras turbulence model is used, taking into account the wall roughness. Thanks to this, it is possible to determine the coefficient of convective heat exchange by the temperature field found. Compared with the well-known traditional methods that use integral ratios, this approach allows to take into account the history of the flow, can be applied in the case of sufficiently high speeds and complex ice forms, in problems in the three-dimensional formulation. Also, this approach makes it possible to determine the aerodynamic characteristics of profiles with ice buildups, taking into account the surface roughness.The results of the work can be used to optimize the operation of anti-icing systems and determine ways to reduce energy costs when operating such systems.Объектом исследования являются процессы гидроаэродинамики и тепломассопереноса, происходящие при обледенении летательных аппаратов во время полета в неблагоприятных метеорологических условиях, а также системы защиты от обледенения. Одним из проблемных мест в разработках систем защиты от обледенения является минимизация их энергопотребления при обеспечении безопасности полетов.В ходе исследования использовалось разработанное программно-методическое обеспечение, позволяющее моделировать процессы обледенения летательных аппаратов. Для описания внешнего воздушно-капельного потока, а также выпадения влаги на обтекаемую поверхность применен подход на основе уравнений Навье-Стокса и модели взаимопроникающих сред. Численное моделирование процесса нарастания льда выполнено с использованием метода поверхностных контрольных объемов, базирующегося на уравнениях неразрывности, сохранения количества движения и энергии.Результаты проведенных исследований представлены на примере обтекания профиля крыла NACA 0012 вязким сжимаемым воздушно-капельным потоком. Получены более точные распределения основных параметров потока на границе пограничного слоя, конвективного теплообмена вдоль обтекаемой поверхности, а также основных величин, входящих в уравнения массовых и тепловых балансов. Это связано с тем, что предложенный поход учитывает вязкость и сжимаемость потока, а также имеет ряд особенностей при описании внешнего потока. В частности использована модифицированная модель турбулентности Spalart-Allmaras, учитывающая шероховатость стенки. Благодаря этому обеспечивается возможность определения коэффициента конвективного теплообмена по найденному температурному полю. По сравнению с известными традиционными методиками, использующими интегральные соотношения, такой подход позволяет учитывать предысторию потока, может быть применен в случае достаточно больших скоростей и сложных форм ледяных, в задачах в трехмерной постановке. Также такой подход дает возможность определять аэродинамические характеристики профилей с наростами льда с учетом шероховатости поверхности.Результаты работы могут быть использованы при оптимизации работы систем защиты от обледенения и определении путей снижения энергетических затрат при работе таких систем.Об'єктом дослідження є процеси гідроаеродинаміки та тепломасопереносу, що відбуваються при зледенінні літальних апаратів під час польоту в несприятливих метеорологічних умовах, а також системи захисту від зледеніння. Одним з проблемних місць в розробках систем захисту від зледеніння є мінімізація їх енергоспоживання при забезпеченні безпеки польотів.В ході дослідження було використано розроблене програмно-методичне забезпечення, яке дозволяє моделювати процеси зледеніння літальних апаратів. Для опису зовнішнього повітряно-крапельного потоку, а також випадіння вологи на обтічну поверхню застосовано підхід на основі рівнянь Нав’є-Cтокса та моделі взаємопроникних середовищ. Чисельне моделювання процесу наростання криги виконано з використанням методу поверхневих контрольних об'ємів, що базується на рівняннях нерозривності, збереження кількості руху та енергії.Результати проведених досліджень представлені на прикладі обтікання профілю крила NACA 0012 в’язким стисливим повітряно-крапельним потоком. Отримані більш точні розподіли основних параметрів потоку на межі пограничного шару, конвективного теплообміну вздовж обтічної поверхні, а також основних величин, що входять до рівнянь масових та теплових балансів. Це пов'язано з тим, що запропонований похід враховує в'язкість та стисливість потоку, а також має ряд особливостей при описі зовнішнього потоку. Зокрема використовується модифікована модель турбулентності Spalart-Allmaras, що враховує шорсткість стінки. Завдяки цьому забезпечується можливість визначення коефіцієнта конвективного теплообміну за отриманим розподілом температурного поля. У порівнянні з відомими традиційними методами, що використовують інтегральні співвідношення, такий підхід дозволяє враховувати передісторію потоку, може бути застосований у випадку досить великих швидкостей і складних крижаних форм, у задачах у тривимірній постановці. Також такий підхід дає можливість визначити аеродинамічні характеристики профілів з наростами криги з урахуванням шорсткості поверхні.Результати роботи можуть бути використані при оптимізації роботи систем захисту від зледеніння та визначення шляхів зменшення енергетичних витрат при роботі таких систем

Application of Numerical Simulation Methods for Reduction of Aircrafts Ice Protection Systems Energy Consumption

The object of research is the processes of hydrodynamic and heat and mass transfer occurring during the icing of aircraft during flight in adverse meteorological conditions, as well as the system of protection against icing. One of the problematic places in the development of anti-icing systems is minimization of their energy consumption while ensuring flight safety.In the course of the study, the developed software and methodological software was used to simulate the processes of icing of aircraft. An approach based on the Navier-Stokes equations and the model of interpenetrating media was used to describe the external airborne flow, as well as the loss of moisture on the streamlined surface. The numerical simulation of the ice buildup process was performed using the method of surface control volumes based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy.Research results are presented on the example of the viscous compressible air-droplet flow around the NACA 0012 wing profile. More accurate distributions of the main flow parameters at the boundary layer boundary, convective heat exchange along the streamlined surface, as well as the basic quantities included in the equations of mass and heat balances are obtained. This is due to the fact that the proposed approach takes into account the viscosity and compressibility of the flow, and also has a number of features when describing the external flow. In particular, a modified Spalart-Allmaras turbulence model is used, taking into account the wall roughness. Thanks to this, it is possible to determine the coefficient of convective heat exchange by the temperature field found. Compared with the well-known traditional methods that use integral ratios, this approach allows to take into account the history of the flow, can be applied in the case of sufficiently high speeds and complex ice forms, in problems in the three-dimensional formulation. Also, this approach makes it possible to determine the aerodynamic characteristics of profiles with ice buildups, taking into account the surface roughness.The results of the work can be used to optimize the operation of anti-icing systems and determine ways to reduce energy costs when operating such systems

The Development of a Three-dimensional Model of the Ice Growth Process on Aerodynamic Surfaces

The object of research is the processes of hydroaerodynamics and heat and mass transfer that occur when icing the aerodynamic surfaces of aircraft during flight in adverse weather conditions. One of the problem areas in the development of software and methodological support that allows to simulate the icing processes, there are difficulties in the transition to solving the problem in three-dimensional formulation. As well as the presence of contradictions in existing methods in describing the physical picture and, accordingly, the thermodynamics of the process of ice growth.During the study, experimental and analytical methods were used to study the physical processes of ice growth on streamlined surfaces, based on a phased analysis of the interaction of supercooled droplets with the surface and their subsequent freezing at the wing edge. The proposed model of the process of ice growth is based on the use of the method of surface control volumes, based on the equations of continuity, conservation of momentum and energy. Based on the new experimental data obtained on the physics of icing, it is proposed to separate the processes of the formation of a bulk ice-water structure and subsequent complete freezing of this structure separately in the methodology for modeling ice growth. At the first stage of the fluid crystallization process, as part of the step on the icing time, the supercooled fluid contained in the droplets that fall on the streamlined surface passes into a state of thermodynamic equilibrium. That is, the latent heat of solidification released during the formation of an ice fraction in the ice-water structure will be equal to the internal heat required to heat the supercooled fluid from the temperature of the droplets to the temperature of the phase transition. At the second stage, the water contained in the ice-water structure will freeze due to heat loss by convection, evaporation, sublimation, thermal conductivity (minus the latent heat of solidification, kinetic and aerodynamic heating). It should be noted that the water that will freeze will also fetter the spatial ice structure. In this case, the method of successive approximations is applied to determine the direction of fluid movement along the streamlined surface.Compared with the well-known traditional methods, this approach makes it possible to take into account to a greater extent the real physical processes of icing of aerodynamic surfaces that are extremely complex for mathematical description.The results can be used to optimize the operation of anti-icing systems and determine ways to reduce energy costs during the operation of such systems