Особенности взаимодействия жидкости с поверхностью в приложении к проблеме обледенения летательных аппаратов

Управление взаимодействием жидкости с поверхностью представляет большой интерес в широком спектре областей практических приложений: возможность полной защиты летательных аппаратов от обледенения, снижение коэффициента трения на десятки процентов, увеличение расхода жидкости в трубах и каналах; при этом модели ряда приведенных выше процессов далеки от своего завершения. В настоящей работе описаны режимы обтекания жидкостью гидрофобного тела, содержащего в порах воздух, в приложении к задачам противодействия обледенению летательных аппаратов и снижения трения жидкости при обтекании ею твердых тел. Получены аналитические выражения расхода жидкости в каналах, смазка на стенках которых обеспечивает скольжение, а также оценки параметров вымывания слоя воздушной смазки из пор гидрофобного покрытия. На примерах течения между плоскостями и в цилиндрической трубе показано влияние толщины слоя смазки на расход жидкости, в частности, показана возможность его увеличения на несколько десятков процентов за счет скольжения. Разработана физико-математическая модель расчета элементарного акта взаимодействия молекулы потока с твердым телом в целях сокращения времени молекулярного моделирования при учете важных физических особенностей. Получены оригинальные выражения коэффициентов отскока молекул от поверхности твердого тела в зависимости от его физических свойств и температуры. Развиты модели взаимодействия на примере молекулы воды и твердого тела из алюминия, получены значения коэффициентов изменения скорости молекул при соударении. На основе анализа известных экспериментальных данных показана зависимость угла смачивания капель воды на плоской поверхности от температуры Дебая материала. Полученные результаты и развитые математические модели могут быть использованы при создании покрытий, препятствующих обледенению летательных аппаратов или полностью устраняющих его, в частности образования барьерного льда при течении затвердевающих жидкой пленки и капель на поверхности обтекаемых элементов летательного аппарата.

1. Ципенко В.Г., Шевяков В.И. Обеспечение безопасности полета транспортных воздушных судов с учетом новых сертификационных требований к условиям обледенения // Научный Вестник МГТУ ГА. 2019. Т. 22, № 3. С. 45–56. DOI: 10.26467/2079-0619-2019-22-3-45-56

2. Андреев Г.Т., Васин И.С. Исследования влияния обледенения на аэродинамические характеристики гражданских самолетов в обеспечение безопасности летной эксплуатации // Научный Вестник МГТУ ГА. 2006. № 97. С. 62–65.

3. Messinger B.L. Equilibrium temperature of an unheated icing surface as a function of air speed // Aeronautical Sciences. 1953. Vol. 20, no. 1. Pp. 29–42. DOI: 10.2514/8.2520

4. Тенишев Р.Х. Противообледенительные системы летательных аппаратов. Основы проектирования и методы испытаний / Р.Х. Тенишев, Б.А. Строганов, В.С. Савин, В.Г. Кординов, А.Н. Тесленко, В.Н. Леонтьев. М.: Машиностроение, 1967. 320 c.

5. Миляев К.Е., Семенов С.В., Балакирев А.А. Обзор способов борьбы с обледенением в авиационных двигателях // Вестник МНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2019. № 59. C. 5–19. DOI: 10.15593/2223-9982/ 2019.59.01

6. Yamazaki M., Jemcov A., Sakaue H.A. Review on the сurrent status of icing physics and mitigation in aviation [Электронный ресурс] //Aerospace. 2021. Vol. 8, iss. 7. ID: 188. DOI: 10.3390/aerospace8070188 (дата обращения: 04.02.2024).

7. Бойнович Л.Б. Противообледенительные свойства супергидрофобных покрытий из алюминия и нержавеющей стали / Л.Б. Бойнович, А.Г. Домантовский, А.М. Емельяненко, А.Б. Миллер, Ю.Ф. Потапов, А.Н. Ходан // Известия Академии наук. Серия Химическая. 2013. № 2. С. 383–390.

8. Бойнович Л.Б. Супергидрофобные покрытия – новый класс полифункциональных материалов // Вестник РАН. 2013. Т. 83, № 1. С. 10–19. DOI: 10.7868/S08695873130 10039

9. Орлов О.П., Сверчков А.В. Оценка возможности применения водоотталкивающих покрытий для снижения гидродинамического сопротивления транспортных судов // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Т. 1 (383). С. 43–59. DOI: 10.24937/2542-2324-2018-1-383-43-59

10. Bazant M.Z., Vinogradova O.I. Tensorial hydrodynamic slip // Journal of Fluid Mechanics. 2008. Vol. 613, no. 10. Pp. 125–134. DOI: 10.1017/S002211200800356X

11. Whitesides G.M. The origins and the future of microfluidics // Nature. 2006. Vol. 442. Pp. 368–373. DOI: 10.1038/nature05058

12. Park H., Choi C.H., Kim C.J. Superhydrophobic drag reduction in turbulent flows: a critical review [Электронный ресурс] // Experiments in Fluids. 2021. Vol. 62. ID: 229. DOI: 10.1007/s00348-021-03322-4 (дата обращения: 04.02.2024).

13. Нгуен Н.Ш. Выбор места расположения датчика обледенения и датчика полного давления в условиях обледенения // Труды МФТИ. 2022. Т. 14, № 1 (53). С. 3–14. DOI: 10.53815/20726759_2022_14_1_3

14. Cross T.J.S. Glaciated ice icingand shedding in gas turbine compressors [Электронный ресурс] // Conference: Future Propulsion & Power CDT Innovation Day Showcase. 2022. DOI: 10.13140/RG.2.2.17004.64644 (дата обращения: 04.02.2024).

15. Амелюшкин И.А. Критерии подобия и особенности обледенения тел в потоках воздуха, содержащего переохлажденные капли // Ученые записки ЦАГИ. 2023. Т. 54, № 3. C. 22–41.

16. Амелюшкин И.А., Миллер А.Б., Стасенко А.Л. Оценка периода шероховатости противообледенительных покрытий тела в потоке воздуха с переохлажденными каплями // Вестник МГОУ. Серия физика и математика. 2021. № 1. C. 54–63. DOI: 10.18384/2310-7251-2021-1-54-63

17. Морозов М.А. Расчет трубопроводных систем с учетом степени 128 гидрофобности внутренних поверхностей / М.А. Морозов, А.В. Волков, А.В. Рыженков, А.Г. Парыгин, М.В. Лукин, А.В. Наумов // Нефтяное хозяйство. 2016. № 4. С. 130–133.

18. Stone H.A., Stroock A.D., Ajdari A. Engineering flows in small devices // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. Pp. 381–411.

19. Hartman M., Fricke M., Weimar L. et al. Breakup dynamics of capillary bridges on hydrofobic stripes [Электронный ресурс] // International Journal of Multiphase flow. 2023. Vol. 140. ID: 103582. DOI: 10.1016/j.ijmultipha seflow.2021.103582 (дата обращения: 04.02.2024).

20. Huang X., Tepylo N., Pommier-Budinger V. et al. A survey of icephobic coatings and their potential use in a hybrid coating/active ice protection system for aerospace applications // Progress in Aerospace Sciences. 2019. Vol. 105. Pp. 74–97. DOI: 10.1016/j.paerosci. 2019.01.002

21. Niavaranikheiri A. Molecular dynamics and continuum simulations of fluid flows with slip boundary conditions: Doctoral Thesis. Michigan: Michigan State University, 2011. 155 p.

22. Marin A.G., Cerro D.A., Römer G.R.B.E. et al. Capillary droplets on Leidenfrost micro-ratchets [Электронный ресурс] // Physics of Fluids. 2012. Vol. 24, iss. 12. ID: 122001. DOI: 10.1063/1.4768813 (дата обращения: 04.02.2024).

23. Петров Ю.В. Введение в физику твердого тела: учеб. пособие для вузов. М.: МФТИ, 1999. 195 с.

24. Amelyushkin I.A., Stasenko A.L. Interaction of supercooled droplets and nonspherical ice crystals with a solid body in a mixed cloud // CEAS Aeronautics Journal. 2018. Vol. 9, no. 4. Pp. 711–720.

25. Somlyai-Sipos L., Baumli P. Wettability of metals by waters [Электронный ресурс] // Metals. 2022. Vol. 12, no. 8. ID: 1274. DOI: 10.3390/met12081274 (дата обращения: 04.02.2024).

26. Yihua C., Zhenlong W., Zhengyu X. Effects of rainfall on aircraft aerodynamics // Progress in Aerospace Sciences. 2014. Vol. 71. Pp. 85–127. DOI: 10.1016/j.paerosci.2014.07.003