Как поведение капель воды влияет на обледенение самолетов, выяснят исследователи Томского политехнического университета с коллегами из Новосибирска. Совместный проект ученых Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Томского политеха и Института теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН недавно получил грантовую поддержку Российского научного фонда. Исследование направлено на комплексное изучение процесса с учетом широкого диапазона параметров капли и свойств поверхности.

Проблема обледенения транспорта в процессе эксплуатации — одна из актуальных проблем аэрокосмической отрасли. Оно происходит при наличии капель переохлажденной воды, которые во время полета ударяются об элементы фюзеляжа, лопасти, элементы двигателей и другие поверхности самолетов. Образующийся при этом лед изменяет структуру поверхности самолета, что снижает аэродинамику крыла и увеличивает расход топлива. Детальное понимание этого процесса позволит, например, создавать эффективные композитные материалы для авиации, которые будут менее подвержены процессу обледенения.

Ученые Томского политехнического университета и их коллеги из новосибирского Института теплофизики будут реализовывать проект, направленный на экспериментальное и численное изучение соударения капель жидкости с твердой стенкой с контролируемыми характеристиками на микро- и наномасштабе. Новизна исследования заключается в описании особенностей поведения капель воды на поверхностях различной смачиваемости, влияющих на инициирование их обледенения.

«В исследовании будут учтены различные размеры капель жидкости — от микрометрового до миллиметрового диапазона, а также высокие скорости соударения капель со стенкой — выше 10 метров в секунду. Температура жидкости также будет варьироваться в широких диапазонах, в основном в сторону понижения относительно нормальных условий. Это позволит прогнозировать процесс взаимодействия капли и поверхности при эксплуатации самолетов на разных высотах. Кроме того, будут учитываться различные характеристики поверхности, которые тоже сильно влияют на процесс взаимодействия: смачиваемость (однородная и неоднородная), проникновение жидкости в структурированные и неструктурированные поверхности, микро- и наномасштабная шероховатость и другие. Еще один запланированный варьируемый параметр – изменение угла наклона целевой поверхности и, соответственно, изучение поведения капель при такой постановке», — поясняет основной исполнитель проекта, доцент НОЦ И.Н. Бутакова Томского политеха Максим Пискунов.

В совместном проекте ученые Томского политеха будут проводить эксперименты и принимать активное участие в численном моделировании исследуемых процессов. Планируется разработка экспериментального стенда, который позволит соударяться каплям со стенкой при высоких скоростях, моделируя реальные условия. Ученые из Института теплофизики СО РАН будут заниматься математическим моделированием процессов на основе экспериментальных данных, принимая участие в их получении. Численные расчеты будут проводиться с высоким разрешением на вычислительном кластере «Каскад» в Новосибирске.

«Проблема обледенения стоит не только перед аэрокосмической отраслью. Результаты, полученные в рамках проекта, в перспективе позволят повысить эффективность оборудования в ряде отраслей промышленности. Решение аналогичных задач, например, актуально в энергетической промышленности — для предотвращения образования льда на лопастях ветряных турбин, линиях электропередач», —подчеркивает Максим Пискунов.

Коллектив приглашает молодых ученых присоединиться к исследованию. Это могут быть аспиранты, планирующие учиться по специальностям «Механика жидкости, газа и плазмы» и «Теплофизика и теоретическая теплотеплотехника», магистранты Инженерной школы энергетики ТПУ, а также других научно-образовательных учреждений Томска и Новосибирска. Также в команду примут молодого ученого, имеющего или получающего компетенции, связанные с материаловедением, композитными материалами и характеристикой твердых поверхностей.

Источник: ИТ СО РАН