Смоделированы свойства покрытий для защиты самолетов от обледенения
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.
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 TD (K). Эту зависимость можно приближенно описать логарифмической кривой в окрестности экспериментальных точек (рисунок 1).
«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 TD, возбуждаются все собственные колебания частиц, в данном случае — атомов. Следовательно, температура Дебая TD 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 rA (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.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно