автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методика моделирования условий эксплуатации вертолета с противопожарным водосливным устройством на внешней подвеске

На права

Борисов Игорь Викторович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЕТА С ПРОТИВОПОЖАРНЫМ ВОДОСЛИВНЫЛ^ТРОЙСТВОМ

НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 2013

005532740

Москва-2013

005532740

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)».

Научный руководитель: доктор технических наук, заведующий кафедрой

"Физика" (801) ФГБОУВПО МАИ Ципенко Антон Владимирович.

Официальные оппоненты: Зуев Юрий Владимирович

доктор технических наук, профессор кафедры «Теория воздушно-реактивных двигателей» ФГБОУ ВПО МАИ;

Никонов Валерий Васильевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Двигатели летательных аппаратов" ФГБОУ ВПО МГТУ ГА.

Ведущая организация: Открытое акционерное общество научно-

производственная компания "ПАНХ".

Защита состоится «24» сентября 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 на базе Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации по адресу: ул. Михалковская, д. 67, корп. 1., г. Москва.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ГосНИИ ГА.

2! АйгустА _____________

Автореферат разослан «30» шоля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Необходимость оперативного противодействия природным и техногенным пожарам требует создания и совершенствования противопожарных вертолетов. Обычно это серийные машины, оборудованные специальными водосливными устройствами (ВСУ). В настоящее время наиболее широко применяются слив тушащей жидкости из емкостей, установленных на борту, или из мягких (полужестких) емкостей на внешней подвеске (ВП) вертолета. Основной проблемой таких способов тушения является, помимо безопасности полета, оптимальное использование принятого вертолетом запаса воды. Примером, показавшим проблемы тушения, может быть пожар на заводе «ЗиЛ», когда вода из ВСУ способствовала разрушению капитальных конструкций, в результате обвала крыши погиб человек. Неэффективность использования воды влечет увеличение времени тушения, количества вылетов, то есть неэффективную эксплуатацию воздушного судна (ВС). В связи с этим не прекращается процесс разработки новых и совершенствования старых водосливных устройств, а также тактики их использования. Примерами ВСУ с различным конструкторским подходом являются опрыскиватель ВОП-3 разработки НПК «ПАНХ», ВСУ-5 разработки НИИ АУС (г. Феодосия), полужесткие баки Bambi Bucket (Канада).

В настоящее время успех разработки и применения таких систем зависит исключительно от накопленного экспериментального материала. Это значительно повышает цену инженерной ошибки при проектировании, так как летный эксперимент дорог и не охватывает наиболее экстремальные ситуации, которые могут произойти при эксплуатации противопожарного ВС. В связи с этим интересен численный эксперимент, который дешевле и безопаснее натурного.

Цель работы - разработать методику моделирования условий сброса жидкости из устройства на ВП вертолета с учетом основных факторов (восходящий поток от очага пожара, поток от несущего винта (НВ), колебания ВСУ на ВП, минимальный размер капель), влияющих на эффективность тушения пожара.

Задачи исследования. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- определены характерные особенности исследуемого объекта (воздух вокруг вертолета с грузом на ВП в процессе тушения пожара, ВСУ, тушащая жидкость), а именно: нестционарный поток от НВ, восходящий поток от очага пожара, колебания ВСУ на ВП, практически мгновенный распад струи жидкости на капли;

- сформулирована математическая модель (ММ) газокапельного потока для рассматриваемого объекта исследования, учитывающая наличие границы газ-вода, испарение капель, турбулентность атмосферы, нестационарность потока НВ;

- предложены методы численного моделирования отдельных составляющих задачи (поток НВ, слив жидкости из ВСУ на ВП, колебания ВСУ на ВП, восходящий

поток от очага пожара);

- проведено численное моделирование рассматриваемого объекта с учетом всех

перечисленных выше составляющих задачи;

- сопоставлены результаты численных и натурных экспериментов, показана способность модели отражать основные особенности работы вертолета с ВСУ;

- показаны направления совершенствования ВСУ, возможности предлагаемой методики для отработки способов применения вертолета с ВСУ при тушении пожара.

Для решения этих задач необходимы понимание физических процессов, проходящих в потоке, и надежная ММ течения.

Состояние проблемы. На эффективность (под эффективностью понимается отношение тушащей жидкости, попавшей в очаг пожара, к общему количеству сброшенной жидкости) использования вертолета с емкостью на ВП влияют путевые скорость и ускорение, турбулентность атмосферного воздуха и восходящий поток от очага пожара, индуктивный поток НВ, положение и конструкция форсунок или выходного отверстия контейнера, начальные скорости капель (способ подачи жидкости к форсункам или выходному отверстию контейнера). Все эти факторы необходимо учитывать при разработке соответствующей системы пожаротушения и при использовании этой системы на пожаре.

Основная информация о применении вертолетов при тушении пожара содержится в инструкциях соответствующих министерств (МЧС, Минлесхоз и др.) и технических отчетах по результатам испытаний. Теоретические работы связаны с моделированием отдельных явлений (поток от НВ вертолета, восходящий поток от очага пожара, колебания груза на ВП и т.д.). Однако комплексный учет этих и других факторов проводится при весьма существенном упрощении задачи. Это связано с большим размером расчетной области, разномасштабностью объектов (вертолет, лопасть НВ, капля жидкости) и, как следствие, необходимостью использовать значительные вычислительные мощности и уникальные программные коды при обычном подходе к задаче.

Получение потока от НВ - известная задача, решение которой можно найти во множестве работ. Наиболее простой подход - дисковая теория НВ (см. известные учебники М.Л.Миля, А.К.Мартынова). Другое направление связано с применением метода дискретных вихрей (С.М.Белоцерковский, Б.С.Крицкий, В.А.Аникин, М.И.Ништ, ЦАГИ). Однако этот метод базируется на теории несжимаемой жидкости, что затрудняет его использование в нашей задаче, где сильно меняется плотность воздуха из-за нагрева от очага пожара. В научно-технической литературе встречаются близкие работы, в частности, недавние работы В.П.Асовского, В.И.Модина, но там не рассматривался весь набор приведенных выше факторов. Ещё один подход - прямое

решение уравнений газовой динамики с учетом пространственного положения лопастей (здесь можно выделить работы исследовательского центра НАСА в Лэнгли). Теоретически при таком подходе можно получить достаточно точное решение, однако требуемые расчетные сетки настолько большие, что на современном этапе решить такую задачу можно только на супер-ЭВМ за месяцы или даже годы. Сокращение времени расчета требует создания новых программных комплексов.

Моделирование слива жидкости из ВСУ на ВП также возможно различными способами. Можно использовать теории распада жидкой струи (подробно описаны в "Обзоры ЦАГИ", № 684), однако допущения этих теорий слишком идеализируют реальный процесс, поэтому длина сплошного участка и минимальный размер капель получаются завышенными. Известны расчетно-экспериментальные подходы, когда для определения точки распада струи и дисперсности аэрозольного потока используются аппроксимации экспериментальных данных. Однако эти аппроксимации существенно зависят от конструкции и условий применения устройств подачи жидкости в газовый поток. Для противопожарных ВСУ автором не обнаружено таких аппроксимаций в доступной научно-технической литературе. Ещё один подход - прямое совместное решение уравнений гидрогазодинамики для двух сред (воды и воздуха), с определением формы границы раздела сред (см., например, работы Динариева О.Ю.). При таком подходе можно получить достаточно точное решение, но требуемые расчетные сетки настолько огромны, а временной шаг расчета настолько мал, что решить такую задачу можно только на супер-ЭВМ. Фактически сетка должна разрешать поверхность самых мелких капель, а время - колебания границы.

Колебания устройства на ВП также являются существенным фактором, требующим учета. Работ, посвященных определению параметров этих колебаний для различных типов вертолетов и различных конструкций на ВП, как системы материальных тел, достаточно много (от классических теоретических, например, П.Л.Капицы, до прикладных работ Е.А.Куклева, С.С.Павлова, В.В.Ефимова и др.). Однако в этих работах не рассматривается основная сторона использования ВСУ - слив жидкости на очаг пожара.

Таким образом, работы по численному моделированию процесса доставки жидкости в зону пожара с учетом всех перечисленных выше факторов в специальной литературе не встречаются.

Методы исследования. В работе используется метод численного моделирования. Анализ, проведенный в работах Нигматуллина Р.И., Шрайбера A.A., Стернина Л.Е. и др. специалистов по многофазным течениям позволяет выделить несколько способов моделирования.

В работе ограничимся случаем, когда непрерывную фазу (газ) можно считать сплошной средой, что касается дискретной фазы (жидкости), то здесь чаще всего используются следующие три подхода:

- изучается поведение отдельных капель (фрагментов);

- смесь газа с каплями рассматривается как некий «фиктивный газ»;

- множество капель заменяется сплошной средой со специальными свойствами.

Автором был выбран первый подход, как наиболее соответствующий

рассматриваемому процессу слива воды из ВСУ. Дополнительный разброс в результате столкновений (так называемая «псевдотурбулентность») учитывается введением эмпирического коэффициента для определения величины и направления боковой

компоненты скорости.

Для решения системы уравнений ММ был взят метод конечного объема, реализованный в коммерческом пакете прикладных программ Р1о\лЛДзюп, который разработан и поддерживается фирмой «Тесис» (Москва). Это вызвано способностью метода рассчитывать все поле течения без выделения особенностей и подходящими возможностями при задании граничных условий и движения тел.

достоверность результатов исследования обусловлена строгим применением теории математического моделирования, известных и многократно проверенных форм записи физических законов механики жидкости и газа и подтверждается тестовыми расчетами, согласованностью поля скоростей НВ, максимальной скорости термина и прогноза плотности орошения земной поверхности с экспериментами.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- впервые в трехмерной нестационарной постановке проведено моделирование процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара с комплексным учетом основных факторов (восходящий поток от очага пожара, поток от НВ, колебания ВСУ на ВП, минимальный размер капель), влияющих на концентрацию тушащей жидкости в очаге пожара. Это позволило оценить минимальный размер капель (1.5 мм при сбросе с высоты 10-20 м), достигающих очага пожара;

- распространен на модель сжимаемой жидкости экономичный подход к моделированию потока от НВ с использованием экспериментальных данных для конкретного ВС, основанный на замене лопасти НВ системой источников-стоков. Это позволило на порядок сократить размер расчетной сетки в зоне НВ и, соответственно, на два порядка сократить время расчета на однопроцесорной ПЭВМ и на порядок сократить время расчета на многопроцессорных ЭВМ.

Практическая значимость исследования состоит в том, что:

- его результаты позволяют использовать предлагаемые методы совершенствования ВСУ, технологии и тактики их применения без проведения летного эксперимента; в частности, получено поле температур в зоне пожара, которое влияет на работу двигателей и по которому есть ограничения на эксплуатацию вертолета;

- выделены основные факторы (предыстория полета до момента сброса жидкости, высота и скорость полета; секундный расход жидкости, конструкция ВСУ), влияющие на эффективность применения вертолета при тушении пожара;

- тестовые расчеты автора по ММ, учитывающей поверхностное натяжение, были использованы при модернизации пакета прикладных программ РЬууЧЧбюп.

Представление результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на VII международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (№N1-2008), XVI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2009), XX школе-семинаре «Аэродинамика летательных аппаратов» (ЦАГИ, 2009), XXI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, 2009), XIII Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (Новочеркасск, 2013).

Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах, в том числе в 4 статьях в изданиях, определенных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.

Автором лично получены следующие научные результаты:

- обоснован экономичный подход к моделированию потока от НВ с использованием экспериментальных данных для конкретного ВС, основанный на замене лопасти НВ системой источников-стоков с учетом сжимаемости газа;

- выявлено, что на эффективность тушения пожара с применением вертолета влияют предыстория полета до момента сброса жидкости, высота и скорость полета, секундный расход жидкости, конструкция ВСУ. Такие факторы, как турбулентность атмосферы, колебания ВСУ под действием аэродинамических сил слабо влияют на эффективность тушения. Поток НВ существенно влияет на эффективность тушения на скоростях до 40 км/ч. Восходящий поток от очага пожара выносит капли размером менее 1.5 мм из зоны пожара;

- на поток капель в окресности ВСУ с распылителем сильнее влияет начальная скорость жидкости, чем плотность потока капель.

На защиту выносятся:

- физическая модель процесса слива жидкости на очаг пожара;

- способ определения потока от НВ вертолета подбором граничных условий на лопастях так, чтобы итоговое поле скоростей совпало с экспериментальным;

- результаты моделирования процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара с учетом восходящего потока от очага пожара, потока от НВ, колебаний ВСУ на ВП, влияющих на эффективность тушения пожара.

Структура работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 116 наименований, списка условных обозначений и 3 приложений. Работа содержит 49 рисунков, 5 таблиц. Номера рисунков, таблиц и формул состоят из номера главы и текущего номера внутри главы, например, (1.13)-формула 13 из главы 1. Объем работы составляет 94 страницы.

В главе 1 рассматриваются постановка задачи и физическая модель процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара. Здесь наиболее сложная задача - расчет поля скоростей от НВ. Можно, например, непосредственно рассчитать обтекание воздухом лопастей НВ и фюзеляжа ВС. Но, на современном этапе, расчет такого трехмерного нестационарного потока не по силам даже супер-ЭВМ. Автор использует другой способ, а именно, расчетно-экспериментальную методику определения потока от НВ, основанную на использовании экспериментальных данных о потоке НВ при разлных скоростях полета и известном распределении вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ. Речь идет всего о нескольких типах вертолетов, поэтому такой способ наиболее быстрый, недорогой и максимально учитывающий форму ЛА и положения лопастей НВ. Экспериментальные данные можно

получить по методике ЛИИ им. М.М.Громова.

Задачу моделирования колебаний ВСУ на ВП надо решать с учетом потока НВ, так как тушение происходит, чаще всего, на малых скоростях полета, когда ВСУ находится в зоне влияния струи НВ. Здесь предполагаем абсолютную жесткость системы «трос+груз» и прямолинейный равномерный полет ЛА.

Атмосферную турбулентность необходимо учитывать при расчете траекторий капель вне области влияния потока НВ (при тушении на больших скоростях или с большой высоты). Методика моделирования изложена в справочнике «Атмосфера». В численных экспериментах задавались соответствующие пульсации на границах расчетной области в предположении изотермической атмосферы.

При моделировании работы ВОП-3 с распылителями основная задача - расчет траекторий капель с целью получить их распределение на поверхности. Объемная доля капель практически везде, за исключением зоны вблизи форсунок, не превышает 10"3, поэтому рассчитываем траекторию каждой капли без взаимовлияния их друг на друга. Основные силы, действующие на каплю - силы аэродинамического сопротивления и

тяжести.

При сливе жидкости из ВСУ-5 необходимо определить протяженность сплошного участка жидкой струи. После этого крупные фрагменты жидкости разбиваются на капли, размер которых определяется критическим числом Вебера.

В качестве очага пожара в работе принята емкость для хранения нефтепродуктов в форме круглого цилиндра. Так как горение сопровождается значительным притоком воздуха в зону пламени (стехиометрическое соотношение для бензина около 14), а скорость выгорания известна из экспериментов, то очаг пожара так же, как и поток от НВ, моделируется в виде источника горячего газа с известным расходом в рамках механики сплошной среды. Соответствующий приток воздуха моделируется в виде кольцевого стока на верхней кромке емкости.

В главе 2 приведены уравнения ММ и краткое описание метода расчета водовоздушного потока. Приводятся модель газа с каплями (траєкторная модель) и модель газа и жидкости со свободной поверхностью.

Система уравнений для газа с каплями включает трехмерные уравнения Навье-Стокса (1) для сжимаемого потока и к-є модель (4) турбулентности. Для численного решения системы используется пакет программ ПоууУібіоп, в котором реализован метод потоков, когда расчетная область разбивается на ячейки, для каждой ячейки определяются потоки массы, импульса, энергии через границы за шаг по времени. По этим потокам определяются параметры течения (скорость \У, температура Т, давление Р, плотность р, турбулентная энергия к, скорость диссипации турбулентной энергии є и др.) в расчетной ячейке в новый момент времени.

Уравнения Навье-Стокса сохранения импульса для газа:

о[1(р8ЛУе(1у)„]/51 = -1(Рвпч18)5-1(ре^п)ЛУес18)5 + (1)

((Р^ Рсопр +РА),-ау)Л..,.....к,

где Р„ — вектор касательного напряжения, действующий на площадку границы элементарного объема, g - индекс параметров газа, і - номера групп капель, I - время, !(...)„ - интеграл по объему V, ограниченному поверхностью Б, 1(...)5 -интеграл по поверхности 8, Гсопр - сила аэродинамического сопротивления капель, Р^ - сила тяжести, действующая на капли, РА - сила Архимеда, деленные на массу капли и вызванная тем, что капля находится в переменном поле давления, п - внешняя нормаль к поверхности Б, р8 - вязкость газа ( кг/(мс) ), р, - турбулентная вязкость, g - ускорение силы тяжести, индексы х, у, г обозначают компоненты векторов по соответствующим осям декартовой системы координат; жирным шрифтом выделены векторные величины.

Уравнение сохранения массы'.

а[1(р,-ада = -1(р,-(^-п)<ь)ь (2)

Чч

щ

+ 0.1

д1

где - источник массы за счет испаряющихся капель; У\ - массовая доля

пара;

РА

Уравнение сохранения энергии газа:

д \ (рЁ-Ь8^у)у/б1 = -1 (ре(\Угп)Ьг(1з)5 +1 фУСр+ц/Рг,К(2гас1 ЬЕ)п)с18)5+

+ £{1«^,^),},=,.....к, (3)

где = Ср Т - энтальпия газа, Ср - теплоемкость газа, ^ означает

суммирование по всем каплям в рассматриваемом элементе объема, р - индекс параметров частиц, Рг, - турбулентное число Прандтля, Бс, - турбулентное число

Шмидта, Ор|-тепловой поток между газом и каплей, который определяется по закону

Фурье с учетом испарения.

Уравнения стандартной к-е модели турбулентности газа:

д \ (р8к<1у)„/д1 = -1 (р8(\У8-п)Ы5)5 + + \ ([цв+|Уак]-((8гас1 к)п)ч15Ь -1 ((£- е,т) (1у)у+

+1 ([(Цg+^lt)■S{(5Wgi/5xj)•(5Wgi/5xj+5Wgi/5xi)}ij.x,Y,z]c^v),, (4)

д\= -1 (р8(\\'Е-п)-£-с1з)5 + 1 ([ц8+Ц./аЕ](^гас1 е)п)(1з)5-

^.¡/ах^ц-х,*^).,

где £,ш - начальное значение турбулентной диссипации. Значения параметров модели турбулентности: ак= 1> °е = Ь С1= С2= 1-92.

Турбулентная вязкость: Ц, = Сц р8 к2/е. (5)

Воздух является идеальным газом:

Р8 = р8118 Т8 , где Я8= 287,254 м2/(с2К). (6)

Модель расчета траекторий частиц. Для жидкости начальный размер капель определяется по критическому числу Вебера \Уекрит из выражения:

Ор = \Уекр11Т-а/(р8-|\У8-\Ур|2), (7)

где о - коэффициент поверхностного натяжения вещества капли (для воды о = 0.075 Н/м), \Уекрит полагался равным 12 (если использовать данные о величине максимальной скорости у ВОП-3 на ВП, то размер капель получается около 1.44 мм). Движение частиц описывается уравнениями:

<1\УрЛ№+Р(в11р-^ ; сШ/с11=\Ур; (8)

Сила аэродинамического сопротивления определяется формулой:

Р«шр = р8'(л'Ор2/4)'0У8ЛУр)|\У8ЛУр|- С\уе'Со/(2 Рр'Ур), (9)

где Сше - поправка на деформацию капли, а коэффициент аэродинамического сопротивления Сп можно вычислить, например, по формуле:

Со=24/11е+4/({1е)1/2+0.4. (Ю)

Здесь Яе= р8-Ор-|\У8-\Ур|/ц8, Ор - диаметр частицы, Я - радиус-вектор для

частицы, Ур - объем частицы.

При моделировании прослеживается движение некоторого числа тестовых частиц до поверхности земли и анализируется их распределение. В работе полагается, что тестовая частица представляет не одну, а множество чаСтиц. Пакет прикладных программ Р1оиМ8юп позволяет учитывать испарение частиц. Эта опция использовалась при моделировании, слива воды на очаг пожара.

В главе 3 приводятся результаты моделирования отдельных элементов физической модели процесса эксплуатации вертолета при тушении пожара: потока НВ, поля скоростей вокруг вертолета и ВСУ на ВП, восходящего потока от очага пожара, слива жидкости струей, колебаний ВСУ на ВП.

Моделирование индуктивного потока НВ и поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на ВП. Классические интегральные методики расчета потока от НВ позволяют определять среднюю скорость в зависимости от радиуса и расстояния от диска НВ. Однако рассеивание частиц, дисперсность капель определяются не средними, а мгновенными скоростями в зоне ВП. От этих мгновенных скоростей зависит и нагрузка на ВСУ. Другой способ - моделирование обтекания лопасти с учетом вращения, но такой способ требует огромной расчетной сетки и длительного времени расчета Таким образом, существует проблема получения нестационарного поля скоростей под НВ, соответствующего экспериментальным данным.

Для решения поставленной проблемы автором был выбран расчетно-экспериментальный подход, при котором поток от НВ получается подбором краевых условий. Этот подход в упрощенной постановке использовался, например, в работах, представленных сотрудниками ОАО "Камов" и ЦАГИ на ежегодной школе-семинаре «Аэродинамика летательных аппаратов» (ЦАГИ, 2009). Такой подход позволяет существенно снизить требования к используемым ЭВМ и сократить время расчетов, недорог и максимально учитывает реальную форму ДА и положения лопастей НВ. Задавая на нижних плоскостях лопастей НВ выдув воздушных струй, а на верхних -поглощение соответствующей массы воздуха, можно подобрать распределение скорости газа по радиусу лопасти так, чтобы итоговая струя от НВ совпадала с наблюдаемой экспериментально при различной скорости полета. При вращении такой лопасти формируется нестационарное поле скорости вокруг вертолета и ВСУ на ВП.

Было выполнено моделирование работы вертолета Ка-32 с ВОП-3 (масса 3 тонны, расстояние от фюзеляжа до верхней кромки емкости 11 м) на ВП. Сравнение положения тестовых частиц (они визуализируют концевые вихри) с экспериментально полученными в ЛИИ им. М.М.Громова положениями концевых вихрей показало (рис.1), что выбранное в расчетах распределение скорости по радиусу НВ дает поток, соответствующий экспериментальному. Распределение модуля скорости и вертикальной скорости (графики на рис.2) в струе НВ в плоскости симметрии ДА соответствует реальой картине течения в таких потоках.

Расчеты показали, что такое распределение удается подобрать, руководствуясь общей теорией НВ. Отметим, что для всех рассмотренных вариантов скорости полета (от 5 км/ч до 138 км/ч) используется одно и то же распределение скорости по радиусу НВ, то есть это распределение можно использовать для всего диапазона скоростей горизонтального полета Ка-32.

Рис. 1. Сравнение экспериментальных и расчетных (средних) углов наклона траектории концевых вихрей в зависимости от скоости полета V.

Азимут схода вихрем тр - 0°, 180°

(град.) эксперимент - 5 (аГу^

<4

Й /

Аппроксимация по В.И.Шайдакоау (одиночный винт)

V, м/с

Рис. 2. Скорость полета 37.6 км/ч. Стрелки показывают направление скорости воздуха. Черная линия - график изменения вертикальной скорости («мгновенный» снимок) в плоскости между фюзеляжем и нижним НВ. Белая сетка - координатная сетка графика скорости, вертикальный размер ячейки соответствует 5 км/час, горизонтальный 2 м. Красные точки - тестовые частицы диаметром 1 мкм и плотностью 50 кг/м , выпущенные из торцов лопастей.

Численные эксперименты показали работоспособность использованной автором расчетно-экспериментальной методики определения потока от НВ. Тот факт, что в расчетах зависимость скорости газа, вытекающего из нижней плоскости лопасти НВ, от расстояния до оси НВ одна и та же для всего диапазона скоростей горизонтального полета Ка-32, позволяет сократить численые эксперименты по определению скорости под НВ для других типов вертолетов до 2 режимов (висение и полет с максимально разрешенной скоростью при предполагаемом грузе на ВП).

Моделирование показало, что ВОП-3 выходит из индуктивной струи НВ на скорости полета, большей 40 км/ч, а заметный (более 10°) скос потока, вызванный индуктивной струей, сохраняется в зоне ВОП-3 до скорости полета около 100 км/ч. Следовательно, на малых скоростях основное влияние на разброс частиц или капель оказывает струя НВ, а не турбулентность спокойной атмосферы.

Моделирование восходящего потока от очага пожара необходимо проводить для корректного учета изменения массы и траектории капель за счет испарения и переменного поля скорости. Расчет проводился с учетом приведенных в главе 1 допущений, а некоторые результаты приведены на рис.3. Граничные условия учитывают соответствующее уменьшение давления с высотой. Автором показано, что восходящий поток, как и следовало ожидать, представляет дозвуковую осесимметричную струю, причем, в соответствии с известными наблюдениями, скорость этого потока максимальна не вблизи очага пожара, а при некотором повышении высоты и не превосходит 25 м/с.

V. м/с

эмпирическая зависимость V= 1.9*Q"

40 60 80 100 IZO 140

площадь пожара, м2

б)

Рис.3. Параметры термика от пожара (горит емкость для хранения нефтепродуктов диаметром 12 м). а) - цветом показано поле температуры (синий цвет соответствует температуре О °С, красный 100 °С); б) - квадраты - результаты моделирования, ВСУ выше очага пожара на 20 м.

Моделирование слива жидкости струей. В этом случае цель расчетов - оценить необходимость учета в модели сплошного участка струи жидкости. Здесь проблема -определение дисперсного состава потока капель. Однако условия применения ВСУ на ВП позволяют несколько упростить задачу. Так как основной механизм распада струи жидкости - аэродинамическое воздействие, можно определить массовую долю и дисперсный состав капель по аппроксимациям для аэродинамического дробления капель (не струи) в сносящем потоке, как описано в обзорной работе Стернина Л.Е. и Шрайбера A.A. "Многофазные течения газа с частицами". Этот подход успешно применялся ранее и поэтому использовался автором. Для оценки справедливости такого подхода проведено моделирование распада сплошной струи жидкости с учетом сил поверхностного натяжения. Использовалась модель со свободной поверхностью и с учетом поверхностного натяжения. Из рис. 4 видно, что участок сплошной струи практически отсутствует, поэтому, для сокращения времени моделирования, можно не учитывать этот участок, полагая, что капли известного диаметра, вылетают сразу из сливного отверстия.

Рис.4. Поверхность струи жидкости (показана синим цветом) при сливе из ВСУ на скорости 38 км/ч (вид сбоку).

Моделирование слива жидкости с различным углом раскрытия потока капель (рис. 5) показало, что управление этим параметром ВСУ позволяет регулировать ширину полосы орошения в весьма широких пределах.

данные из инструкции по ВСУ 5

60 80

V, м/с

О град

(ширина для капель крупнее 4 мм)

Рис. 5. Слив из ВСУ с различным углом раскрытия струи на скорости 38 км/ч.

Сравнение расчетной ширины полосы орошения (красные квадраты) с данными «Инструкции по применению ВСУ-5» (ОАО НПК «ПАНХ»).

Моделирование колебаний контейнера на внешней подвеске. Распределение частиц по земной (водной) поверхности не в последнюю очередь зависит от пространственного положения и скорости контейнера, поэтому, для оценки площади орошения, необходимо моделировать колебания ВСУ на ВП. Фактически необходимо определить распределение давления по поверхности ВСУ и точку приложения результирующей силы. В первом приближении в работе было принято, что ВС движется прямолинейно и равномерно, то есть колебания ВСУ вызваны только аэродинамическими силами (ускорение точки подвеса не учитывается). Форма ВСУ полагалась неизменной. Подвесной трос также полагался жестким стержнем, ВП имела одну точку вращения - у корпуса вертолета.

Предварительно можно предположить, что колебания ВСУ на ВП при равномерном прямолинейном движении точки подвеса очень близки к колебаниям соответствующего математического маятника. Однако на груз, помимо силы тяжести, действует сила аэродинамического сопротивления, поэтому были проведены расчеты, моделирующие колебания ВОП-3 различной массы (от 3000 до 1240 кг).

Результаты расчетов показали, что груз колеблется в плоскости, практически совпадающей с плоскостью симметрии ВС (отклонение составляет не более 2° и вызвано отсутствием симметрии струи НВ относительно плоскости симметрии ВС). Амплитуда и период колебаний практически не меняются при изменении массы ВСУ, то есть груз можно считать математическим маятником с достаточно высокой точностью. Однако период его колебаний составляет 6.55 с, а формула математического маятника дает 6.65 с. Различие вызвано силой Р«,^.

Важно отметить, что амплитуда колебаний не превышает 0.5 м, поэтому, с учетом плоскости колебаний, можно предположить, что в рассматриваемом случае (слив воды с вертолета Ка-32 при равномерном прямолинейном движении) колебания ВСУ на ВП не окажут сколько-нибудь значительного влияния на распределение капель или частиц по земной поверхности. На практике это означает, что наблюдаемые значительные колебания массивного груза малой парусности вызваны ускоренным перемещением точки подвеса (предысторией полета до момента слива жидкости или разброса частиц). Иными словами, основной причиной заметных колебаний груза является то, что не выдерживается прямолинейная и равномерная скорость полета, в результате чего точка подвеса периодически ускоряется-замедляется.

В главе 4 приведены результаты моделирования слива жидкости из ВОП-3 и ВСУ-5 на ВП вертолета Ка-32.

Моделирование слива воды из ВОП-3 на ВП Ка-32 через распылители.

Автором было проведено моделирование работы ВОП-3 на вертолете Ка-32 при скорости 38 км/ч с применением распыливающих устройств. При этой скорости ВОП-3 находится в зоне максималных скоростей струи от НВ, что лучше всего позволяет проверить работоспособность предлагаемой методики учета основных факторов (восходящий поток от очага пожара, поток от несущего винта (НВ), колебания ВСУ на ВП, минимальный размер капель), влияющих на эффективность тушения пожара.

На рис. 6 представлены результаты расчета в некоторый момент времени («мгновенный снимок»). Использовалась прямоугольная адаптивная расчетная сетка. Сравнение с результатами, полученными на более мелкой сетке, показало, что используемой сетки достаточно для определения точек приземления частиц с точностью 20 см.

ушгющщт'ъщ Фю/щящщг 17

Рис.6. Слив воды из ВОП-3 на Ка-32 при скорости полета 37,5 км/ч («мгновенный снимок»), а) Вид сбоку. Красные точки визуализируют поток воды, б) Вид сверху. Распределение концентрации воды, выпавшей на землю в некоторый момент времени (заливка цветом и несколько сечений) при скорости полета Ка-32 37,5 км/ч. Р=0.2 соответствует 0.2 кг/м2. Синий цвет соответствует концентрации воды на земле более 200 гр/м2. Диаметр ВОП-3 (черное кольцо около черного круга) равен 3 м.

Видно, что часть распыливающего устройства (в задней полусфере ВОП-3) попадает в так называемую «аэродинамическую тень», где сильны боковые пульсации скорости воздуха, поэтому максимально деформируются траектории капель, вытекающих из задней полусферы ВОП-3. Капли, вытекающие из распылителей передней полусферы, отклоняются менее сильно и в одном направлении. Это вызвано тем, что капли из задней полусферы попадают в вихревой след и струю от НВ, которая разворачивается при взаимодействии с земной поверхностью. Этот разворот струи существенно влияет на траектории капель на небольшой (до 3 м) высоте, резко увеличивая боковое отклонение точек падения капель от плоскости симметрии ВС. Именно этим взаимодействием определяется ширина орошаемой полосы. Иными словами, с увеличением скорости полета ширина орошаемой полосы уменьшается. Синий цвет на рис. 5(6) соответствует концентрации воды на земле более 200 гр/м . Видно, что ширина смоченной полосы, куда попадает основная доля воды, составляет 12±1 м, что полностью согласуется с результатами экспериментов ОАО НПК «ПАНХ».

Также было проведено моделирование тушения пожара с помощью ВОП-3 и с подачей воды через распылители, которое показало, что капли размером менее 1.5 мм выносятся из зоны пожара и не участвуют в тушении.

Моделирование слива воды из ВОП-3 и ВСУ-5 на ВП вертолета Ка-32 из большого отверстия на очаг пожара. Моделирование проводилось с использование проверенных выше подходов к получению потока от НВ, восходящего потока от пожара, рассматривался мгновенный распад струи жидкости на капли.

Поток от НВ существенно меняет поле скоростей и температуры в зоне пожара (рис.7). Из результатов расчета видно, что капли должны быть крупнее 1.5 мм.

Также, для сужения полосы орошения, можно использовать следующие способы:

- необходимо увеличить скорость полета более 38 км/ч, чтобы ВОП-3 или ВСУ-5 не были в зоне максимальных скоростей от НВ;

- увеличить секундный массовый расход жидкости (скорость и плотность потока капель), однако здесь важно, чтобы капли достигли очага пожара до взаимодействия со струей от НВ

- совершенствовать выходной патрубок ВСУ, установив в нем устройства, регулирующие угол раскрытия струи, или менять длину патрубка.

Анализ расчетов показал, что предлагаемая методика позволяет учитывать в комплексе факторы, влияющие на эффективность эксплуатации вертолета при тушении пожара, такие как путевые скорость и ускорение, восходящий поток от очага пожара, поток НВ, начальный размер капель, и оценивать размеры зоны выпадения частиц и их концентрацию с приемлемой точностью (до 10%). Также методика дает гарантированную максимальную оценку, то есть можно предсказать область, куда выпадут все частицы с размером, равным заданному. Полностью оправдал себя предложенный подход к моделированию поля скоростей в зоне ЛА на основании экспериментальных данных для конкретного типа ЛА.

Рис.7. Сброс воды на очаг пожара, запас воды 3000 л, расход воды 800 л/с. 1 - зона с температурой свыше 100 °С (ограничена красными изолиниями); 2 - нисходящий поток от НВ. Черная тонкая линия - график изменения вертикальной скорости вдоль координатной оси (толстая прямая линия черного цвета). Моделирование проведено в системе координат, связанной с вертолетом («мгновенный снимок»).

Полученные автором результаты показали, что основными факторами (были рассмотрены путевые скорость и ускорение, турбулентность атмосферы, восходящий поток от очага пожара, поток НВ, начальные скорость и размеры капель), влияющими на распределение жидкости и эффективность тушения, являются:

- предыстория полета до момента слива жидкости, так как наблюдаемые на практике значительные колебания массивного груза малой парусности вызваны исключительно ускоренным перемещением точки подвеса;

- поток от НВ, если отверстия слива жидкости и падающие капли попадают в область максимальных скоростей струи НВ;

- минимальный размер капель, при котором капли долетают до очага пожара с известным восходящим потоком.

В Приложениях дано описание дробления капель в потоке газа по книге Стернина Л.Е. и Шрайбера А.А, приведены пояснения и справочная информация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью настоящей работы являлось создание методики моделирования условий сброса жидкости из устройства на ВП вертолета с учетом наиболее существенных факторов, влияющих на эффективность тушения пожара.

Для достижения поставленной цели автором были решены следующие задачи:

- определены характерные особенности исследуемого объекта (вертолета с грузом на ВП в процессе тушения пожара);

- сформулирована математическая модель (ММ) газокапельного потока для рассматриваемого объекта исследования;

- предложены методы моделирования отдельных составляющих задачи (поток НВ, слив жидкости из ВСУ и колебания ВСУ на ВП, восходящий поток от очага пожара);

- проведено комплексное численное моделирование рассматриваемого объекта;

- на основании сопоставления вычисленного и реального полей скорости потока от НВ, анализа периода колебаний груза на ВП и скоростей восходящего потока над очагом пожара показана способность модели отражать характерные особенности эксплуатации вертолета с ВСУ при тушении пожара;

- дан пример применения разработанной методики для Ка-32 с ВСУ-5 на ВП.

Основные результаты работы:

1. Впервые проведено в трехмерной нестационарной постановке моделирование процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара с комплексным учетом основных факторов (восходящий поток от очага пожара, поток от НВ, колебания ВСУ на ВП, концентрация и размер капель), влияющих на концентрацию тушащей жидкости в очаге пожара. Это позволило оценить минимальный размер капель (1.5 мм при сбросе с высоты 10-20 м), достигающих очага пожара.

2. Показано, что турбулентность атмосферы и колебания ВСУ под действием аэродинамических сил не являются существенными факторами, влияющими на эффективность использования ВСУ.

3. Впервые распространен на модель сжимаемой жидкости экономичный подход к моделированию потока от НВ с использованием экспериментальных данных для конкретного ВС, основанный на замене лопасти НВ системой источников-стоков. Это позволило на порядок сократить размер расчетной сетки в зоне НВ и, соответственно, на два порядка сократить время расчета на однопроцесорной ПЭВМ и на порядок сократить время расчета на многопроцессорных ЭВМ.

4. Показана возможность использовать гипотезу о мгновенном распаде струи жидкости на капли при залповом сбросе на скоростях свыше 37 км/ч.

5. Создана методика численного моделирования, позволяющая сравнивать работу ВСУ различных конструкций (например, ВОП-3 и ВСУ-5) без проведения летного эксперимента.

6. Показано, что предложенная методика позволяет получать поле температур в зоне пожара, которое влияет на работу двигателей и по которому есть ограничения на эксплуатацию вертолета.

7. Усовершенствована модель жидкости со свободной поверхностью в программном комплексе РкзиЛЧвюп.

8. Даны следующие рекомендации по повышению эффективности тушения с использованием ВСУ :

- использовать ВСУ, создающие поток капель диаметром не менее 1.5 мм;

- при тушении пожара «с ходу» скорость полета должна обеспечивать достижение каплями очага пожара до подхода струи от НВ (для Ка-32 и ВСУ-5 это более 38 км/час на минимально допустимой по требованиям безопасности полетов высоте).

Автор выражает признательность Паршенцеву Сергею Алексеевичу за сотрудничество в ходе выполнения работы.

Основные научные результаты диссертации опубликованы: I. В изданиях, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки

РФ:

1. Борисов И.В., Паршенцев С.А., Ципенко A.B. Учет потока от несущего винта при моделировании полета вертолета с грузом на внешней подвеске. // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - №1(90). - С. 171-177.

2. Борисов И.В. Влияние потока от несущего винта на колебания массивного груза на внешней подвеске. // Научный вестник МГТУ ГА, 2010. - № 154. - С. 167-169.

3. Борисов И.В., Ципенко A.B. Вычислительный эксперимент для анализа работы вертолета с водосливным устройством. // Электронный журнал «Труды МАИ», 2012. Выпуск № 53, www.mai.ru/science/trudy/.

4. Борисов И.В., Ципенко A.B. Моделирование работы вертолета Ка-32 с водосливным устройством при тушении пожара. // Научный вестник МГТУ ГА, 2012. -№ 177(3). - С. 59-64.

II. Научные публикации в других изданиях

5. Борисов И.В., Паршенцев С.А., Ципенко A.B. Моделирование слива жидкости из контейнера ВОП-3 на внешней подвеске вертолета с учетом потока от несущего винта. / Материалы VII международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2008), 24 - 31мая 2008 г., Алушта, -М., изд-во МАИ, 2008. - С.98-99.

6. Борисов И.В., Ципенко A.B. Влияние потока от несущего винта вертолета на колебания массивного груза на внешней подвеске. / Материалы XVI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2009), Алушта, 25-31 мая 2009 г., М., МАИ-ПРИНТ, 2009. -С. 145146.

7. Борисов И.В., Карпышев A.B., Яковлев A.A., Ципенко A.B. Численное моделирование слива воды на открытый очаг пожара из контейнера на внешней подвеске вертолета. / Материалы XXI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности», Москва, ВНИИ ПО, 2009.

8. Борисов И.В., Паршенцев С.А., Ципенко A.B. Применение прикладного пакета FlowVision для моделирования распыления жидкости из контейнера на внешней

подвеске вертолета. / Материалы XX школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов», ЦАГИ, 2009. -С. 30-31.

9. Борисов И.В., Борисов О.И., Ципенко A.B. Моделирование работы вертолета Ка-32 с водосливным устройством при тушении пожара. // Материалы VIII международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2010), 25 - 31мая 2010 г., Алушта, -М„ изд-во МАИ, 2010. - С. 445-447.

10. Борисов И.В., Ципенко A.B. Моделирование слива воды из ВОП-3 на внешней подвеске вертолета Ка-32 через распылители. / Моделирование. Теория, методы и средства: материалы XIII Международной научно-практической конференции, г. Новочеркасск, 27 февраля 2013, ЮРГТУ (НПИ), 2013. - С.99-102.

11. Борисов И.В., Ципенко A.B. Особенности моделирования потока от несущего винта и поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на внешней подвеске./ Моделирование. Теория, методы и средства: материалы XIII Международной научно-практической конференции, г. Новочеркасск, 27 февраля 2013, ЮРГТУ (НПИ), 2013. -С.102-106.

Борисов Игорь Викторович Методика моделирования условий эксплуатации вертолета с противопожарным водосливным устройством на внешней подвеске. Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата техн. наук.

Подписано в печать: 29.07.2013 Тираж: 100 экз. Заказ №967 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

На правах рукописи

04201361070

БОРИСОВ Игорь Викторович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЕТА С ПРОТИВОПОЖАРНЫМ ВОДОСЛИВНЫМ УСТРОЙСТВОМ НА ВНЕШНЕЙ

ПОДВЕСКЕ

Специальность 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта».

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук А.В.Ципенко.

МОСКВА-2013

Содержание

Введение. 4

Глава 1. Постановка задачи. Физическая модель процесса распыления

частиц с устройства на внешней подвеске вертолета 11

1.1. Поток от несущего винта 12

1.2. Восходящий поток от очага пожара и турбулентность атмосферы 13

1.3. Слив жидкости 14

1.4. Колебания контейнера на внешней подвеске вертолета 15

1.5. Выводы по главе 1 16

Глава 2. Математическая модель. Метод расчета 16

2.1. Основные уравнения модели газа с каплями (траєкторная модель) 16

2.2. Сила аэродинамического сопротивления 21

2.3. Сила Архимеда (плавучести) или учет неравномерного давления

в потоке на движение капель 23

2.4. Об учете ускоренного движения капли 23

2.5. Основные уравнения модели газа и жидкости со свободной поверхностью 24

2.6. Модель турбулентной атмосферы 26

2.7. Метод расчета - метод потоков (реализован в пакете ИолуУізіоп) 28

2.8. Выводы по главе 2 29

Глава 3. Моделирование индуктивного потока от несущего винта, поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на внешней подвеске, восходящего

потока от очага пожара, слива жидкости струей 29

3.1. Моделирование индуктивного потока от несущего винта, поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на внешней подвеске 29

3.2. Моделирование колебаний контейнера на внешней подвеске 47

3.3. Моделирование восходящего потока от очага пожара 51

3.4. Моделирование слива жидкости струей 56

3.5. Выводы по главе 3 58

Глава 4. Моделирование слива жидкости из водосливного устройства (ВСУ) на

внешней подвеске вертолета.................................................................................................59

4.1. Моделирование слива воды из ВОП-3 на внешней подвеске вертолета Ка-32 через распылители 59

4.2. Моделирование слива воды из ВОП-3 на внешней подвеске вертолета Ка-32

из большого отверстия на очаг пожара 64

Заключение 72

Условные обозначения 75

Список использованных источников 77

Приложения 88

Введение

Необходимость оперативного противодействия природным и техногенным пожарам требует создания и совершенствования противопожарных вертолетов. Обычно это серийные машины, оборудованные специальными водосливными устройствами (ВСУ). В настоящее время наиболее широко применяются слив тушащей жидкости из емкостей, установленных на борту, или из мягких (полужестких) емкостей на внешней подвеске (ВП) вертолета (рис. 1). Основной проблемой таких способов тушения является, помимо безопасности полета, оптимальное использование принятого вертолетом запаса воды. Примером, показавшим проблемы тушения, может быть пожар на заводе «ЗиЛ», когда вода из ВСУ способствовала разрушению капитальных конструкций, в результате обвала крыши погиб человек. Неэффективность использования воды влечет увеличение времени тушения, количества вылетов, то есть неэффективную эксплуатацию воздушного судна (ВС). В связи с этим не прекращается процесс разработки новых и совершенствования старых водосливных устройств (ВСУ), а также тактики их использования. Типичными примерами ВСУ с различным конструкторским подходом являются вертолетный опрыскиватель ВОП-3 разработки НПК «ПАНХ», ВСУ-5 разработки НИИ АУС (г. Феодосия), полужесткие баки Bambi Bucket (Канада).

Рис. 1. Тушение лесного пожара с использованием ВСУ-5 (Фотографии:

Короткое В.А, Судаков А.Г.)

На эффективность1 использования вертолета с емкостью на ВП влияют путевые скорость и ускорение, турбулентность атмосферного воздуха и восходящий поток от очага пожара, индуктивный поток несущего винта (НВ), пространственное положение точек старта капель (то есть положение и конструкция форсунок или выходного отверстия контейнера), начальные скорости капель (способ подачи жидкости к форсункам или выходному отверстию контейнера). Все эти факторы необходимо учитывать при разработке соответствующей системы пожаротушения и при использовании этой системы на пожаре.

В настоящее время успех разработки и применения таких систем зависит исключительно от накопленного экспериментального материала. Это значительно повышает цену инженерной ошибки при проектировании, так как летный эксперимент дорог и не охватывает наиболее экстремальные ситуации, которые могут произойти при эксплуатации противопожарного воздушного судна (ВС) /17/. В связи с этим представляет интерес численный эксперимент, который дешевле и безопаснее натурного.

Основная информация о применении вертолетов при тушении пожара содержится в инструкциях соответствующих министерств (МЧС, Минлесхоз и др.) и технических отчетах по результатам испытаний, например /1,63,71,77/. Теоретические работы связаны с моделированием отдельных явлений (поток от НВ вертолета, движение термика и восходящий поток, колебания груза на ВП и т.д.). Однако комплексный учет этих и других факторов проводится при весьма существенном упрощении задачи. Это связано с большим размером расчетной области, разномасштабностью объектов (вертолет, лопасть НВ, капля жидкости) и, как следствие, необходимостью использовать значительные вычислительные мощности и уникальные программные коды при обычном подходе к задаче.

Таким образом, работы по численному моделированию процесса доставки жидкости в зону пожара с учетом всех перечисленных выше факторов в специальной литературе не встречаются.

1 Под эффективностью здесь понимается отношение тушащей жидкости, попавшей в очаг пожара, к общему количеству сброшенной жидкости (в соответствий со /87Г).

Цель работы. Разработать методику моделирования условий сброса жидкости из устройства на ВП вертолета с учетом основных факторов (восходящий поток от очага пожара, поток от несущего винта (НВ), колебания ВСУ на ВП, минимальный размер капель), влияющих на эффективность тушения пожара.

Задачи исследования. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

определены характерные особенности исследуемого объекта (воздух вокруг вертолета с грузом на ВП в процессе тушения пожара, ВСУ, тушащая жидкость), а именно: нестционарный поток от НВ, восходящий поток от очага пожара, колебания ВСУ на ВП, практически мгновенный распад струи жидкости на капли;

сформулирована математическую модель (ММ) газокапельного потока для рассматриваемого объекта исследования, учитывающая наличие границы газ-вода, испарение капель, турбулентность атмосферы, нестационарность потока НВ;

предложены методы численного моделирования отдельных составляющих задачи (поток НВ, слив жидкости из ВСУ на ВП, колебания ВСУ на ВП, восходящий поток от очага пожара);

проведено численное моделирование рассматриваемого объекта с учетом всех перечисленных выше составляющих задачи;

сопоставлены результаты численных и натурных экспериментов, показана способность модели отражать основные особенности работы вертолета с ВСУ;

показаны направления совершенствования ВСУ, возможности предлагаемой методики для отработки способов применения вертолета с ВСУ при тушении пожара. Для решения этих задач необходимы понимание физических процессов, проходящих в потоке, и надежная ММ течения.

Методы исследования. В работе используется метод численного моделирования. Анализ, проведенный в работах /32,33,76,84/ позволяет выделить несколько способов моделирования.

В работе ограничимся случаем, когда непрерывную фазу (газ) можно считать сплошной средой, что касается дискретной фазы (жидкости), то здесь чаще всего используются следующие три подхода:

изучается поведение отдельных капель (фрагментов) (см., например, /70/);

смесь газа с каплями рассматривается как некий «фиктивный газ» (см., например, /83/);

множество капель заменяется сплошной средой со специальными свойствами (см., например, /8,17,31,41,47,62,64,65,75,84,89,97/).

Последний подход хорошо зарекомендовал себя при решении задач, связанных с движением многофазных потоков в каналах, однако он не позволяет правильно отследить траектории групп капель при их пересечении. Также при этом подходе возникает проблема с выделением зон, свободных от капель (требуется строить предельные траектории /28/).

Второй подход применяется для оценки общих (интегральных) характеристик потока. Однако, в случае сильно неравновесного взаимодействия газа и жидкости или при значительных искривлениях линий тока (траекторий) при таком подходе весьма проблематично учесть все особенности течения (например, свободные от капель зоны), то есть велика погрешность в определении локальных характеристик течения и могут теряться интересные физические эффекты. Здесь также существует проблема определения вязкости, теплоемкости и других характеристик смеси.

В настоящем исследовании был выбран первый подход, как наиболее удобный при численном моделировании. У этого подхода можно отметить следующий недостаток: для экономии вычислительных ресурсов траектории больших групп капель полагаются одинаковыми, что не позволяет учесть столкновение капель внутри группы и, следовательно, дополнительный разброс (так называемая «псевдотурбулентность»).

Для решения системы уравнений ММ был взят метод конечного объема, реализованный в коммерческом пакете прикладных программ FlowVision, который разработан и поддерживается фирмой «Тесис» (Москва) /79/. Это вызвано способностью метода расчитывать все поле течения без выделения особенностей и подходящими возможностями при задании граничных условий и наличии движущихся тел.

Рассмотрим подходы к моделированию отдельных составляющих задачи. Получение потока от НВ - известная задача, решение которой можно найти во множестве работ. Наиболее простой подход - дисковая теория НВ /23,59,86/, когда НВ заменяется диском (НВ с бесконечным числом лопастей), создающим струю,

средняя скорость и импульс которой эквивалентны реальному потоку. Другое направление связано с применением метода дискретных вихрей /2,14,27,51,60,93,94/. Однако этот метод базируется на теории несжимаемой жидкости, применение которой к такой комплексной задаче затруднительно. В научно-технической литературе встречаются близкие работы /3,6,61/, но такая комплексная задача нигде не рассматривалась. Ещё один подход - прямое решение уравнений газовой динамики с учетом пространственного положения лопастей (здесь можно выделить работы исследовательского центра HACA в Лэнгли). Теоретически при таком подходе можно получить достаточно точное решение, однако требуемые расчетные сетки настолько большие, что на современном этапе решить такую задачу можно только на суперЭВМ за месяцы или даже годы. Сокращение времени расчета требует создания новых программных комплексов.

По этим причинам автором был выбран расчетно-экспериментальный подход, при котором соответствующий реальному поток от НВ получается подбором краевых условий. Этот подход в упрощенной постановке использовался, например, в работах /23,72/.

Моделирование слива жидкости из устройства на ВП также возможно различными способами. Можно использовать теорию распада жидкой струи /22,73/, однако допущения этой теории слишком идеализируют реальный процесс, поэтому длина сплошного участка и минимальный размер капель получаются завышенными. Известны расчетно-экспериментальные подходы, когда для определения точки распада струи и дисперсности аэрозольного потока используются аппроксимации экспериментальных данных /95/. Однако эти аппроксимации существенно зависят от конструкции и условий применения устройств подачи жидкости в газовый поток. Для противопожарных ВСУ автором не обнаружено таких аппроксимаций в доступной научно-технической литературе. Ещё один подход - прямое совместное решение уравнений гидрогазодинамики для двух сред (воды и воздуха), с определение формы границы раздела сред (см., например, /35/). Теоретически при таком подходе можно получить достаточно точное решение, однако, как и при моделировании потока от НВ, требуемые расчетные сетки настолько огромны, а временной шаг расчета настолько мал, что решить такую задачу можно только на супер-ЭВМ. Фактически

сетка должна разрешать поверхность самых мелких капель, а время - колебания границы.

Однако условия применения В СУ позволяют несколько упростить задачу. В частности, так как основной механизм распада струи жидкости - аэродинамическое воздействие, можно определить массовую долю и дисперсный состав капель по аппроксимациям для аэродинамического дробления капель в сносящем потоке /68,84/. Этот подход успешно применялся в работе /43/ и поэтому использовался автором. Для оценки справедливости такого подхода проведено моделирование распада сплошной струи жидкости с учетом сил поверхностного натяжения.

Колебания устройства на ВП также являются существенным фактором, требующим учета. Работ, посвященных определению параметров этих колебаний для различных типов вертолетов и различных конструкций на ВП, как системы материальных тел, достаточно много (см., например,

/4,5,36,37,38,39,40,45,49,55,67,78/). Однако возможности пакета прикладных программ Р1о\уУ1зюп позволяют получать колебания относительно подвижной точки вращения для абсолютно жесткого тела путем определения результирующей силы давления по поверхности тела. С другой стороны, колебания тела можно задавать в виде функций от времени. Автор использовал первый подход для решения модельных задач, приведенных в работе. При решении задач в интересах конкретного заказчика рекомендуется второй подход.

Достоверность результатов исследования обусловлена строгим применением теории математического моделирования, известных и многократно проверенных форм записи физических законов механики жидкости и газа, и подтверждается тестовыми расчетами, согласованностью поля скоростей НВ, максимальной скорости термика и прогноза плотности орошения земной поверхности с экспериментами.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что: -впервые в трехмерной нестационарной постановке проведено моделирование процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара с комплексным учетом основных факторов (восходящий поток от очага пожара, поток от НВ, колебания ВСУ на ВП, минимальный размер капель), влияющих на концентрацию тушащей жидкости в очаге пожара. Это позволило оценить

минимальный размер капель (1.5 мм при сбросе с высоты 10-20 м), достигающих очага пожара;

распространен на модель сжимаемой жидкости экономичный подход к моделированию потока от НВ с использованием экспериментальных данных для конкретного ВС, основанный на замене лопасти НВ системой источников-стоков. Это позволило на порядок сократить размер расчетной сетки в зоне НВ и, соответственно, на два порядка сократить время расчета на однопроцесорной ПЭВМ и на порядок сократить время расчета на многопроцессорных ЭВМ.

Практическая значимость исследования состоит в том, что его результаты позволяют:

- его результаты позволяют использовать предлагаемые методы совершенствования ВСУ, технологии и тактики их применения без проведения летного эксперимента; в частности, получено поле температур в зоне пожара, которое влияет на работу двигателей и по которому есть ограничения на эксплуатацию вертолета;

- выделены основные факторы (предыстория полета до момента сброса жидкости, высота и скорость полета; секундный расход жидкости, конструкция ВСУ), влияющие на эффективность применения вертолета при тушении пожара;

- тестовые расчеты автора по ММ, учитывающей поверхностное натяжение, были использованы при модернизации пакета прикладных программ Р1о\уУ18ЮП.

Результаты оценки силы аэродинамического воздействия на ВСУ использованы в ОАО НПК «ПАНХ» при анализе летных экспериментов. Соответствующие акты прилагаются.

Представление результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на VII международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (КРШ-2008), XVI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2009), XX школе-семинаре «Аэродинамика летательных аппаратов» (ЦАГИ, 2009) /110/, XXI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, 2009).

Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах, в том числе в 4 статьях в изданиях, определенных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.

Автором лично получены следующие научные результаты:

- обоснован экономичный подход к моделированию потока от НВ с использованием экспериментальных данных для конкретного ВС, основанный на замене