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:     | 1 || 3 |

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

-- [ Страница 2 ] --

Моделирование индуктивного потока НВ и поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на ВП. Традиционно используемые 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. Также от этих скоростей зависит и максимальная нагрузка на ВП. Другим способом является моделирование обтекания лопасти газовым потоком с учетом маховых движений при вращении. Однако такой способ требует огромной расчетной сетки и длительного времени расчета. Таким образом, существует проблема получения нестационарного поля скоростей под НВ, соответствующего экспериментальным данным.

Автор предлагает экономную 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 подход позволяет существенно снизить требования к используемым ЭВМ и сократить время расчетов, относительно недорог и максимально учитывает реальную форму ЛА и положения лопастей НВ.

Представив нижние плоскости лопастей как источники воздушных струй, а верхние – как стоки (чтобы компенсировать прирост массы воздуха), можно подобрать распределение скорости по радиусу лопасти так, чтобы итоговая струя от НВ совпадала с наблюдаемой экспериментально при соответствующей полетной скорости. Далее надо, используя нестационарное поле скорости как краевое условие, рассчитать поля скоростей вокруг вертолета и контейнера на ВП.

Были выполнены расчеты для вертолета Ка-32 с ВОП-3 и ВСУ (масса 3 тонны, расстояние от фюзеляжа до верхней кромки емкости 11 м) на внешней подвеске (рис.1,2).

а)

б)

Рис. 1. Скорость полета 37,6 км/ч, а) – эксперимент ЛИИ, угол наклона плоскости винта к скорости полета (-0.3о), точками показаны положения концевых вихрей в плоскости симметрии ЛА; б) – расчет («мгновенный снимок»), стрелками показано поле скоростей в продольной плоскости симметрии, красный график – вертикальные скорости под винтами на азимуте 180о, синий график – вертикальные скорости под винтами на азимуте 0о; заливкой показано поле модуля скорости (красный цвет соответствует 60 м/с, синий 0 м/с); красные точки – тестовые частицы диаметром 1 мкм и плотностью 50 кг/м3, выпущенные из торцов лопастей для визуализации концевого вихря. Масса ВОП-3 полагалась 3000 кг. Стрелки показывают направление скорости в системе координат, связанной с ЛА.

Из сравнения положения тестовых частиц (они визуализируют концевые вихри, полученные расчетным путем) и зоны максимального модуля скорости на виде сбоку (рис. 1-б) с экспериментально полученными в ЛИИ им. М.М.Громова положениями концевых вихрей (рис. 1-а) ясно, что выбранное в расчетах распределение скорости по радиусу НВ дает струю, соответствующую экспериментальной. Разброс расчетных (красных) точек относительно экспериментальных границ струи объясняется тем, что после эксперимента было проведено осреднение экспериментальных данных, а расчетные результаты даны в виде «мгновенных снимков». Также на рисунках видны все тестовые частицы, а не только те, что лежат в плоскости симметрии ЛА. Распределение модуля скорости (показано на рисунках цветной заливкой) и вертикальной скорости (графики на видах сбоку) в струе НВ в плоскости симметрии ЛА соответствует физической картине течения в таких потоках.

Расчеты показали, что такое распределение удается подобрать, руководствуясь общей теорией НВ. Отметим, что для всех рассмотренных вариантов скорости полета (138 км/ч, 106 км/ч, 50,6 км/ч, 37,6 км/ч, 5 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.

Проведенный расчет потока НВ на режиме висения (рис.2) показал, что наблюдается поджатие струи, что соответствует классическим теории и эксперменту по НВ.

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

Численные эксперименты показали работоспособность предложенной 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 число экспериментов по определению скорости под НВ для других типов вертолетов до 2 режимов (висение и полет с максимально разрешенной скоростью при предполагаемом грузе на ВП).

В рассматриваемом случае вертолет находится недалеко от земной поверхности, которая существенно искажает поле скоростей по сравнению с классичесой теорией (рис.3).

Рис. 2. Скорость полета 5 км/ч, угол наклона плоскости НВ к скорости полета 0о, расчет («мгновенный снимок»), красные точки – тестовые частицы диаметром 1 мкм и плотностью 50 кг/м3, выпущенные из торцов лопастей для визуализации концевого вихря. Стрелки показывают направление скорости.

 а) б) Поток на режиме висения (5 км/ч)-3  а) б) Поток на режиме висения (5 км/ч)-4

а) б)

Рис.3. Поток на режиме висения (5 км/ч) у поверхности земли. а) вид сбоку; б) – вид спереди. Стрелки показывают направление скорости в системе координат, связанной с ЛА.

Моделирование восходящего потока от очага пожара. Расчет проводился с учетом приведенных в главе 1 допущений, а некоторые результаты приведены на рис.4. Так как имеет место заметное изменение высоты, то граничные условия учитывают соответствующее уменьшение давления с высотой (см. рис.4-б). 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.

Моделирование слива жидкости струей. Этот процесс моделировался в работе с использованием модели со свободной поверхностью и с учетом поверхностного натяжения. Из рис.5 видно, что участок сплошной струи практически отсутствует, поэтому, в первом приближении, для сокращения времени численного эксперимента, можно не учитывать этот участок, полагая, что капли известного диаметра вылетают сразу из сливного отверстия.

а) б)

Рис.4. Параметры воздуха у очага пожара (емкость для хранения нефтепродуктов). а) – заливка поля давления; б) – поле скоростей, зеленая линия – график изменения давления, красная – график вертикальной компоненты скорости.

Дополнительно в работе показано влияние скорости подачи воды и густоты отверстий (фактически это также влияние размера отверстий) на распределение капель. Для сокращения времени расчетов были выбраны условия, несколько отличные от реальных, а именно, поток воздуха полагался равномерным, массовый расход воды был меньше реального. Результаты расчета приведены на рис. 6. Из сопоставления положения изолиний объемной доли капель видно, что поток капель гораздо чувствительнее к скорости подачи воды, чем к густоте отверстий. Этот факт следует учитывать при анализе работы реальных систем.

а) б)

Рис.5. Поверхность струи при сливе из ВСУ на скорости 38 км/ч. а) – вид спереди-снизу. б) – вид сбоку

а) б) в)

Рис.6. Изолинии объемной доли капель. а) - скорость подачи воды Wpr0 и объемная доля p0. б) - скорость подачи воды Wpr0 и объемная доля 3p0. в)- скорость подачи воды 3·Wpr0 и объемная доля p0.

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 контейнера на внешней подвеске. Фактически необходимо определить распределение давления по поверхности контейнера и точку приложения результирующей силы. В первом приближении в работе было принято, что ВС движется прямолинейно и равномерно, то есть колебания контейнера вызваны только аэродинамическими силами (иными словами, ускорение точки подвеса не учитывается). Форма контейнера в работе полагалась неизменной (абсолютно жесткое тело). Подвесной трос также полагался жестким стержнем, ВП имела одну точку вращения – у корпуса вертолета.

Предварительно можно предположить, что колебания груза на ВП при равномерном прямолинейном движении точки подвеса очень близки к колебаниям соответствующего математического маятника. Однако на груз, помимо силы тяжести, действует и сила аэродинамического сопротивления, поэтому были проведены расчеты, моделирующие колебания ВОП-3 различной массы (3000, 2540, 2080, 1640 и 1240 кг).

Результаты расчетов показали, что груз колеблется в плоскости, практически совпадающей с плоскостью симметрии ВС (отклонение составляет не более 20 и вызвано отсутствием симметрии струи НВ относительно плоскости симметрии ВС). При этом амплитуда и период колебаний практически не меняются при изменении массы груза, то есть груз можно считать математическим маятником с достаточно высокой точностью. Однако период его колебаний составляет 6.75 с, а формула математического маятника дает 6.65 с. Различие вызвано силой аэродинамического сопротивления.

Важно отметить, что амплитуда колебаний не превышает 0.5 м, поэтому, с учетом плоскости колебаний, можно предположить, что в рассматриваемых случаях (слив воды с вертолета Ка-32 при равномерном прямолинейном движении) колебания контейнера на ВП не окажут сколько-нибудь значительного влияния на распределение капель или частиц по земной поверхности. Для практики 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, на малых скоростях основной причиной заметных колебаний груза является система управления (не выдерживается прямолинейная и равномерная скорость полета), в результате чего груз на ВП нестационарно взаимодействует со струей НВ, а точка подвеса периодически ускоряется-замедляется.

В главе 4 приведены результаты моделирования слива жидкости из ВОП-3 и ВСУ на ВП вертолета Ка-32 в системе координат, связанной с вертолетом.

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

Поскольку при распылении с вертолета необходимо учитывать положение контейнера на ВП, то в работе было проведено моделирование работы ВОП-3 на вертолете Ка-32 при скорости 38 км/ч с применением распыливающих устройств. Для этого случая имеются экспериментальные данные, что позволило проверить работоспособность предлагаемой методики.

Использовалась прямоугольная адаптивная расчетная сетка, приведенная на рис. 7 (красные точки визуализируют поток капель). Сравнение с результатами, полученными на более крупной сетке, показало, что используемой сетки достаточно для определения точек приземления частиц с точностью 20 см.

 Расчетная сетка (вид сбоку). Красные-14

Рис. 7. Расчетная сетка (вид сбоку). Красные точки визуализируют поток капель.

На рис. 7-9 представлены результаты расчета в некоторый момент времени («мгновенный снимок»). Видно, что часть распыливающего устройства (в задней полусфере ВОП-3) попадает в так называемую «тень», где сильны боковые пульсации скорости воздуха, поэтому максимально деформируются траектории капель, вытекающих из задней полусферы ВОП-3 (рис. 8). 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, можно предположить, что с увеличением скорости полета ширина орошаемой полосы несколько уменьшится. Синий цвет на рис. 9-б соответствует концентрации воды на земле более 200 гр/м2. Видно, что основная масса капель, вытекающих из распылителей передней полусферы, падает на землю в полосе шириной около 6 м (левая часть синей фигуры), остальные капли разлетаются более широко.

Из рис. 9 видно, что ширина смоченной полосы, куда попадает основная доля воды, составляет 12±1 м, что полностью согласуется с результатами экспериментов ОАО НПК «ПАНХ».

Рис. 8. Слив воды из ВОП-3 (движется слева направо) на ВП вертолета Ка-32 при скорости полета 37,5 км/ч («мгновенный снимок»). а) – вид сбоку, б) - вид спереди. Красные точки визуализируют поток воды.

Рис.9. а) - Слив воды из ВОП-3 на Ка-32 при скорости полета 37,5 км/ч («мгновенный снимок», вид сверху). Синий цвет соответствует концентрации воды на земле более 200 гр/м2. Красные точки визуализируют поток воды.

б) - Распределение концентрации воды, выпавшей на землю в некоторый момент времени (заливка цветом и несколько сечений) при скорости полета Ка-32 37,5 км/ч. F=0.2 соответствует 0.2 кг/м2. Синий цвет соответствует концентрации воды на земле более 200 гр/м2. Диаметр ВОП-3 (черный круг) равен 3 м. Вид сверху.

Моделирование слива воды из ВОП-3 и ВСУ на ВП вертолета Ка-32 из большого отверстия на очаг пожара проведено в неподвижной системе координат. На основании результатов главы 3 рассматриваем мгновенный распад струи жидкости на капли.

Поток от НВ существенно меняет поле скоростей в зоне пожара (сравним рис.10 и 11). Из результатов расчета видно, что капли должны быть крупнее 1.5 мм, а для этого необходимо изменить скорость полета так, чтобы ВОП-3 не была в зоне максимальных скоростей от НВ.

 Поле модуля скорости перед сбросом-19

Рис.10. Поле модуля скорости перед сбросом жидкости на очаг пожара.

 Сброс капель 4 и 1.5 мм на очаг пожара.-20

Рис.11. Сброс капель 4 и 1.5 мм на очаг пожара. Сепарация капель более четкая при малом расходе воды (сначала 50 л/с, затем 800 л/с).

Полученные в работе расчетные результаты позволили провести анализ факторов, влияющих на эффективность эксплуатации вертолета при тушении пожара. Показано, что основными факторами, влияющими на распределение жидкости, являются:

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

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

- минимальный размер капель.

Анализ расчетов показал, что предлагаемая методика позволяет оценивать размеры зоны выпадения частиц и концентрацию их 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 автором подход к моделированию поля скоростей в зоне ЛА на основании экспериментальных данных для конкретного типа ЛА. При этом подходе не требуется решать задачу обтекания НВ и ЛА в общем виде, с учетом обтекания лопастей, всех несущих поверхностей и так далее, что значительно сокращает время расчета. Так как для разброса или распыления используется вполне определенный парк ЛА в достаточно узком диапазоне режимов полета, то получение необходимых экспериментальных данных не является непосильной задачей.

В Приложениях даны описание дробления капель аэродинамическими силами по книге Стернина Л.Е. и Шрайбера А.А, приведены подробные результаты расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью настоящей работы являлись получение методики моделирования процесса эксплуатации вертолета при тушении пожара и выделение наиболее существенных факторов, влияющих на эффективность тушения пожара при использовании вертолета.

Для достижения поставленной цели 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 численного моделирования отдельных составляющих задачи (поток от НВ, слив жидкости из устройства на ВП, колебания устройства на ВП, восходящий поток от очага пожара);
  • проведено комплексное численное моделирование рассматриваемого объекта;
  • на основании сопоставления результатов численных и натурных экспериментов показана способность модели отражать характерные особенности функционирования объекта исследования;
  • показаны 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).

Полученные результаты дают возможность:

- использовать предлагаемую технологию численного моделирования для отработки различных вариантов конструкции сливных устройств и тактики их применения без проведения летного эксперимента;



Pages:     | 1 || 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.