Смоделированы свойства покрытий для защиты самолетов от обледенения

❋ 4.4

Ученые из МФТИ и ЦАГИ разработали математические модели обтекания жидкостью тела с водоотталкивающим покрытием. Данные, полученные в ходе моделирования, будут полезны при решении проблем обледенения летательных аппаратов и, соответственно, минимизации риска возникновения аварий.

ФизТех

# ледяные наросты

# летательные аппараты

# обледение

# самолеты

Обледеневшее крыло самолета / © Shawn from Airdrie, en.wikipedia.org

Результаты исследований опубликованы в журнале «Научный Вестник МГТУ ГА».

Под обледенением понимают процесс образования льда на поверхности летательных аппаратов, приводящий к негативным последствиям. Ледяные наросты увеличивают массу воздушного судна, нарушают работу датчиков пилотажно-навигационных приборов, изменяют геометрическую форму крыла, ухудшая тем самым его аэродинамические характеристики. В результате полеты становятся более затратными из-за ускоренной амортизации и повышенного расхода топлива и, самое главное, небезопасными.

Обледенение происходит при столкновении конструктивных элементов судна с присутствующими в атмосфере каплями переохлажденной воды, то есть воды, не превращающейся в лед при температуре ниже 0 градусов. Следует отметить, что кристаллизация жидкостей зависит не только от температуры, но и от давления, наличия примесей и ряда других факторов, поэтому в облаках вода может существовать в жидком состоянии даже при -39 градусов. Вероятность обледенения судна определяется метеорологическими условиями и значительно повышается на атмосферных фронтах — переходных зонах между воздушными массами, имеющими разную температуру, давление и влажность.

Препятствуют обледенению летательных аппаратов и снижают сопротивление трения водоотталкивающие покрытия, называемые еще гидрофобными. В то же время их применение сопряжено с рядом проблем. В частности, вода может проникать в поры покрытий и значительно ослаблять их гидрофобный эффект, вдобавок способствовать отложению на этих участках органических соединений и развитию микроорганизмов. Тем не менее нежелательные явления наблюдаются не всегда, а при определенных условиях. Важную роль в их возникновении играет размер и скорость движения капель, а также форма, материал и шероховатость поверхности деталей судна. Для расширения возможностей управления взаимодействием жидкости с твердым телом ученые из МФТИ и ЦАГИ разработали математические модели, позволяющие прогнозировать свойства гидрофобных покрытий в зависимости от состава и геометрии рельефа.

«С помощью методов математического и компьютерного моделирования мы описали режимы обтекания жидкостью гидрофобного тела, содержащего в порах воздух, — говорит Максим Кудров, директор Института аэромеханики и летательной техники МФТИ. — Используя модели, мы рассчитали значения коэффициентов изменения скорости молекул при соударении».

«Нами выведены оригинальные выражения для вычисления коэффициентов отскока молекул жидкости от поверхности твердого тела в зависимости от его физических свойств и температуры», — добавляет Иван Амелюшкин, программист Института аэромеханики и летательной техники МФТИ.

В ходе работы ученые апробировали разработанные математические модели. Изучая литературные источники, они собрали и обработали большой массив данных о взаимодействие воды с подложками из различных материалов. Особое внимание было уделено закономерностям изменения краевого угла смачивания θ, под которым понимают угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной к поверхности капли жидкости. Чем больше угол смачивания θ, тем выше водоотталкивающий эффект поверхности, поэтому ученым было важно обнаружить способы повышения угла θ.

Они установили, что угол смачивания θ плоской поверхности в значительной степени зависит от температуры Дебая T_D (K). Эту зависимость можно приближенно описать логарифмической кривой в окрестности экспериментальных точек (рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость краевого угла смачивания от температуры Дебая для Pb, Ag, Al, Zn, W, Fe, Ni, Ge, Cu, Si, Be, Au, Nb, Sn, Ti, Mo, Hg, C (графит) / © «Научный Вестник МГТУ ГА»

«Мы показали, что краевой угол смачивания плоского покрытия тем больше, чем больше температура Дебая этого покрытия», — говорит Иван Амелюшкин.

Надо подчеркнуть, что в твердом теле, нагретом до температуры Дебая T_D, возбуждаются все собственные колебания частиц, в данном случае — атомов. Следовательно, температура Дебая T_D наряду с молярной массой вещества покрытия M (кг/моль), определяет амплитуды α (Å) и частоты колебаний ω (с^-1) атомов. Эти величины, в свою очередь, обуславливают обмен импульсом и образование связей при взаимодействии атомов подложки с молекулами воды. Иными словами, амплитуды α и частоты колебаний ω атомов задают водоотталкивающие свойства покрытия.

Кроме того, угол смачивания θ подложки водой находится в зависимости близкой к линейной (рисунок 2) от радиуса образующих ее атомов r_A (Å) и амплитуды их колебаний α. При этом особенности колебаний атомов зависят от кристаллической решетки вещества.

Рисунок 2. Зависимость краевого угла смачивания от амплитуды колебаний атомов металлов и полуметаллов (Mo, W, Ni, Be, Fe, Si, Ge, Ti, Nb, Cu, Au, Ag, Al, Zn, Sn, Hg) при -10 градусах. Источник: журнал «Научный Вестник МГТУ ГА».

Разработанные учеными математические модели будут использованы при решении проблем обледенения летательных аппаратов и снижения трения. Это позволит сделать правильный и обоснованный выбор материала гидрофобного покрытия, минимизирует риск возникновения аварийных ситуаций и расходы на полеты.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.