авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка методов повышения эффективности эксплуатации вертолета с противопожарным водосливным устройством на внешней подвеске

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БОРИСОВ Игорь Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЕТА С ПРОТИВОПОЖАРНЫМ ВОДОСЛИВНЫМ УСТРОЙСТВОМ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ

Специальность 05.22.14 «Эксплуатация воздушного транспорта».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА – 2010

Работа выполнена в Московском авиационном институте.

Научный руководитель: доктор технических наук

Ципенко Антон Владимирович.

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Зуев Юрий Владимирович (МАИ)

к.ф.-м.н., доц. Иванов Игорь Эдуардович (МГУ).

Ведущая организация: ОАО НПК «ПАНХ»

Защита состоится «___» ________2010 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 223.011.01 в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, ГСП-3, Москва, А-493, Кронштадтский бульвар, д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «___» _______2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Кузнецов С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Необходимость оперативного противодействия природным и техногенным пожарам требует создания и совершенствования противопожарных вертолетов. Обычно это серийные машины, оборудованные специальными сливными устройствами или имеющими приспособления для сбрасывания контейнеров, заполненных огнетушащими веществами. 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 применения таких способов тушения является, помимо безопасности полета, доставка тушащей жидкости в очаг пожара в нужной концентрации.

На эффективность 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).

В связи с этим представляет интерес численный эксперимент, который дешевле и безопаснее натурного.

Состояние проблемы. 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, 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.

Цель работы. Выделить с помощью вычислительного эксперимента наиболее существенные факторы, влияющие на эффективность тушения пожара при использовании вертолета, предложить методику моделирования такого процесса, как сброс жидкости из устройства на ВП вертолета.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:

  • определить характерные особенности исследуемого объекта (вертолета с грузом на ВП в процессе тушения пожара);
  • сформулировать математическую модель (ММ) газокапельного потока для рассматриваемого объекта исследования;
  • предложить методы численного моделирования отдельных составляющих задачи (поток от НВ, слив жидкости из устройства на ВП, колебания устройства на ВП, восходящий поток от очага пожара);
  • провести комплексное численное моделирование рассматриваемого объекта;
  • на основании сопоставления результатов численных и натурных экспериментов показать способность модели отражать характерные особенности функционирования объекта исследования;
  • показать возможности предлагаемых теоретических подходов при решении практических задач повышения эффективности эксплуатации вертолета с водосливным устройством (ВСУ) при тушении пожара (методы совершенствования ВСУ, тактики и технологии применения вертолета с ВСУ на ВП).

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 Нигматуллина Р.И., Шрайбера А.А., 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.

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).

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 соответствующий рассматриваемому процессу. 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). Это вызвано способностью метода рассчитывать все поле течения без выделения особенностей и подходящими возможностями при задании движения тел и граничных условий.

Достоверность результатов исследования обусловлена строгим применением теории математического моделирования и подтверждается тестовыми расчетами, согласованностью поля скоростей НВ и прогноза плотности орошения земной поверхности с экспериментами.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

  • проведено комплексное моделирование процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара с учетом основных факторов, влияющих на концентрацию тушащей жидкости в очаге пожара;
  • предложен экономичный подход к моделированию потока от НВ с использованием экспериментальных данных для конкретного ВС;
  • проведена проверка применимости ММ, учитывающей поверхностное натяжение, и метода конечных объемов к задачам распада низкоскоростных жидкостных струй на капли.

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

- использовать предлагаемые методы совершенствования ВСУ, технологии и тактики их применения без проведения летного эксперимента;

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

Тестовые расчеты автора были использованы при модернизации пакета прикладных программ FlowVision.

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

Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в 2 статьях в изданиях, определенных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.

На защиту выносятся:

  • физическая модель процесса слива жидкости на очаг пожара;
  • способ определения параметров потока от НВ вертолета, основанный на подборе 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 основных факторов, влияющих на концентрацию тушащей жидкости в очаге пожара.

Структура работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего … наименований, списка условных обозначений и 2 приложений. Работа содержит … рисунков, …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 …. страницы.

В главе 1 рассматриваются постановка задачи и физическая модель процесса эксплуатации вертолета с грузом на ВП при тушении пожара. Здесь наиболее сложная проблема - получить поле скоростей от НВ. Решить её можно, например, непосредственно рассчитав обтекание воздухом лопастей НВ и корпуса вертолета. Однако, на современном этапе, задача моделирования такого трехмерного нестационарного потока не по силам даже супер-ЭВМ, поэтому автор в работе предлагает другой путь, а именно расчетно-экспериментальную методику определения потока от НВ, основанную на использовании экспериментальных данных об индуктивном потоке НВ на различных режимах полета и известных зависимостях вертикальной скорости от радиуса под плоскостью НВ. Так как речь идет всего о нескольких типах вертолетов, то этот способ является наиболее быстрым, относительно недорогим и максимально учитывающим реальную форму ЛА и положения лопастей НВ. Для получения экспериментальных данных можно использовать методику и данные ЛИИ им. М.М.Громова.

Проблему моделирования колебаний контейнера на ВП необходимо решать с учетом индуктивного потока НВ, так как распыление происходит, чаще всего, на малых скоростях полета, когда контейнер находится в зоне влияния струи НВ. Эта задача решается в предположении абсолютной жесткости системы «трос+груз».

Турбулентность атмосферы необходимо учитывать при движении частицы вне области влияния индуктивного потока НВ. Это происходит при распылении на больших скоростях или с большой высоты. Турбулентность атмосферы моделировалась в соответствии с методикой, изложенной в справочнике «Атмосфера», путем задания соответствующих пульсаций на границах расчетной области в рамках модели изотермической атмосферы.

При сливе жидкости через распылители основная задача - расчет траекторий капель с целью получить их распределение на земной (водной) поверхности. Так как объемная доля капель на основном участке траектории их падения (за исключением малой области вблизи форсунки или выходного отверстия контейнера) не превышает 10-3, то можно рассчитывать движение каждой капли отдельно, не учитывая их влияние друг на друга. Основные силы, действующие на каплю в данном случае – это силы аэродинамического сопротивления и тяжести.

При сливе жидкости сплошной струей необходимо определить протяженность сплошного участка жидкой струи. После этого крупные фрагменты жидкости заменяются 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 12), 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. При этом рассматриваются модель газа с каплями (траекторная модель) и модель газа и жидкости со свободной поверхностью.

Система уравнений приведена ниже и включает трехмерные уравнения Навье-Стокса для сжимаемого потока и стандартную k- модель турбулентности. Для численного решения системы в работе применен метод потоков, при котором расчетная область разбивалась на ячейки, для каждой ячейки определялись потоки массы, импульса, энергии через границы за малый промежуток времени. По этим потокам определялись параметры течения (скорость W, температуру T, давление P, турбулентную энергию k, скорость диссипации турбулентной энергии ) в расчетной ячейке в новый момент времени.

Уравнения Навье-Стокса сохранения импульса для газа:

[ (g·Wg·dv)v]/t = - (Pg·n·ds)S - (g·(WnWg·ds)S +

+ ((+t)·Pn·ds)S+ (g·g·dv)v-{ (FA i·dv)v}i=1,…,N,

где Pn – вектор со следующими компонентами (вектор касательного напряжения, действующий на площадку границы элементарного объема), g – индекс параметров газа, i – номера групп капель:

Pnx = nx·2(Wgx/x)+ny·(Wgx/y-Wgy/x)+nz·(Wgx/z-Wgz/x) ;

Pny = nx·(Wgx/y-Wgy/x)+ny·2(Wgy/y)+nz·(Wgy/z-Wgz/y) ;

Pny = nx·(Wgx/z-Wgz/x)+ny·(Wgy/z-Wgz/y)+nz·2(Wgz/z) ;

t – время, (…)v – интеграл по объему V, ограниченному поверхностью S, (…)S –интеграл по поверхности S, FA - сила аэродинамического сопротивления капель, n - внешняя нормаль к поверхности S, g – вязкость газа ( кг/(м·с) ), t - турбулентная вязкость, g – ускорение силы тяжести, индексы x, y, z обозначают компоненты векторов по соответствующим осям декартовой системы координат; жирным шрифтом выделены векторные величины.

Уравнение сохранения массы:

(g·(Wn)ds)S = 0,

Уравнение сохранения энергии газа:

(g·hg·dv)v/t = - (g·(Wn)·hg·ds)S +

+ ([/Cp+t/Prt]·((grad hg)·n)·ds)S+ { (Qp i·dv)v}i=1,…,N,

где hg = Cp·T – энтальпия газа, {…}i=1,…,N означает суммирование по всем каплям в рассматриваемом элементе объема, p – индекс параметров частиц, Prt - турбулентное число Прандтля, Sct - турбулентное число Шмидта, Qp i – тепловой поток между газом и каплей, который определяется так:

Qp i = 6·(Tg-Tp i)·Nui·g/(p·Dp i2),

здесь g – коэффициент теплопроводности газа ( вт/(м·К) ), Nu – число Нуссельта, характеризующее режим теплообмена.

В работе также принято, что температура капель меняется по закону:

d[CpartTp i]/dt = Qp i, i=1,…,N

где Cpart – теплоемкость вещества капли.

Уравнения стандартной k- модели турбулентности газа:

(g·k·dv)v/t = - (g·(Wn)·k·ds)S +

+ ([g+t/k]·((grad k)·n)·ds)S - ((- ini)·dv)v+

+ ([(g+t)·{(Wg i/xj)·(Wg i/xj +Wg j/xi)}i,j=X,Y,Z]dv)v,

(g··dv)v/t = - (g·(Wn)··ds)S +

+ ([g+t/]·((grad )·n)·ds)S- (C2·(- ini)·(/k)dv)v+

+ ([C1·(/k)·(g+t)·{(Wg i/xj)·(Wg i/xj +Wg j/xi)}i,j=X,Y,Z]dv)v,

где ini - начальное значение турбулентной диссипации. Значения параметров модели турбулентности: k = 1, = 1, C1 = 1.44, C2 = 1.92,

Турбулентная вязкость выражается следующим образом:

t = С·g·k2/,

Воздух в работе являлся идеальным газом с уравнением состояния

Pg = g·Rg·Tg,

где Rg = 287,254 м2/(с2·К).

Модель расчета траекторий частиц. Для жидкости начальный минимальный размер капель определяется по критическому числу Вебера Weкрит из выражения

Dр = Weкрит·/(g·|ug-up|2),

здесь – коэффициент поверхностного натяжения вещества капли (для воды = 0.075 Н/м), а Weкрит полагался равным 12 (если использовать данные о величине максимальной скорости у вертолетного опрыскивателя ВОП-3 на ВП, полученные при моделировании колебаний, то размер капель получается около 1, 44 мм).

Движение частиц описывается уравнениями:

pVpdWp/dt=FА+ pVpg ;

dR/dt=Wp ;

сила аэродинамического сопротивления определяется формулой:

FA = g(Dp2/4)(Wg-Wp)|Wg-Wp| CWeCD/2,

где CWe – поправка на деформацию капли, а коэффициент аэродинамического сопротивления CD можно вычислить, например, по формуле

CD=24/Re+4/(Re)1/2+0.4.

Здесь Re= gDp|Wg-Wp|/g, Dp – диаметр частицы, R – координата частицы, - плотность, p - индекс частиц, g - индекс газа.

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 FlowVision 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: индуктивного потока НВ, поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на ВП, восходящего потока от очага пожара, слива жидкости струей, колебаний ВСУ на ВП.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.