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

.

Официальные оппоненты:

д. т.н., проф. (МАИ)

к. ф.-м. н., доц. (МГУ).

Ведущая организация: «ПАНХ»

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «___» _______2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

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 , , 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. .

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-ε 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 ε) в расчетной ячейке в новый момент времени.

Уравнения Навье-Стокса сохранения импульса для газа:

∂[ ∫ (rg·Wg·dv)v]/∂t = - ∫ (Pg·n·ds)S - ∫ (rg·(Wg·n)·Wg·ds)S +

+∫ ((μ+μt)·Pn·ds)S+ ∫ (rg·g·dv)v-Σ{ (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, μg – вязкость газа ( кг/(м·с) ), μt - 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:

∫ (rg·(Wg·n)ds)S = 0,

Уравнение сохранения энергии газа:

∂ ∫ (rg·hg·dv)v/∂t = - ∫ (rg·(Wg·n)·hg·ds)S +

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

где hg = Cp·T – энтальпия газа, Σ{…}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·lg/(rp·Dp i2),

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

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

d[Cpart·Tp i]/dt = Qp i, i=1,…,N

где Cpart – теплоемкость вещества капли.

Уравнения стандартной k-ε модели турбулентности газа:

∂ ∫ (rg·k·dv)v/∂t = - ∫ (rg·(Wg·n)·k·ds)S +

+ ∫ ([μg+μt/σk]·((grad k)·n)·ds)S - ∫ ((ε- εini)·dv)v+

+ ∫ ([(μg+μt)·Σ{(∂Wg i/∂xj)·(∂Wg i/∂xj +∂Wg j/∂xi)}i, j=X, Y,Z]dv)v ,

∂ ∫ (rg·ε·dv)v/∂t = - ∫ (rg·(Wg·n)·ε·ds)S +

+ ∫ ([μg+μt/σε]·((grad ε)·n)·ds)S- ∫ (C2·(ε- εini)·(ε/k)dv)v+

+ ∫ ([C1·(ε/k)·(μg+μt)·Σ{(∂Wg i/∂xj)·(∂Wg i/∂xj +∂Wg j/∂xi)}i, j=X, Y,Z]dv)v ,

где εini - начальное значение турбулентной диссипации. Значения параметров модели турбулентности: σk = 1, σε = 1, C1 = 1.44, C2 = 1.92,

Турбулентная вязкость выражается следующим образом:

μt = Сμ·rg·k2/ε,

Воздух в работе являлся идеальным газом с уравнением состояния

Pg = rg·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·σ/(rg·|ug-up|2) ,

здесь σ – коэффициент поверхностного натяжения вещества капли (для воды σ = 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:

ρp·Vp·dWp/dt=FА+ ρp·Vp·g ;

dR/dt=Wp ;

сила аэродинамического сопротивления определяется формулой:

FA = ρg·(π·Dp2/4)·(Wg-Wp)|Wg-Wp|· CWe·CD/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= ρg·Dp·|Wg-Wp|/μg, Dp – диаметр частицы, R – координата частицы, ρ - 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.

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. 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)

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 αp0. б) - скорость подачи воды Wpr0 и объемная доля 3αp0. в)- скорость подачи воды 3·Wpr0 и объемная доля αp0.

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.

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 «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.

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

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 и 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;

- 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).

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

Основные публикации по теме диссертации.

1. , , . Учет потока от несущего винта при моделирование полета вертолета с грузом на внешней подвеске. / «Известия ТТИ ЮФУ. Технические науки», 2008

2. , , . Моделирование слива жидкости из контейнера ВОП-3 на внешней подвеске вертолета с учетом потока от несущего винта. / «Известия ТТИ ЮФУ. Технические науки», 2008

3. , , . 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

4. , . Влияние потока от несущего винта вертолета на колебания массивного груза на внешней подвеске. / Материалы ХVI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2009), Алушта, 25-31 мая 2009 г., М., МАИ-ПРИНТ, 2009, с.145-146

5. , , . Численное моделирование слива воды на открытый очаг пожара из контейнера на внешней подвеске вертолета. / Материалы ХХI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемыч пожарной безопасности», Москва, ВНИИ ПО, 2009

6. , , . Применение прикладного пакета FlowVision для моделирования распыления жидкости из контейнера на внешней подвеске вертолета / Материалы ХХ школы-семинара «Аэродинамика летательных аппаратов», ЦАГИ, 2009, с. 30-31.