FlowVision 3.12.01: Обледенение твёрдой поверхности

Во FlowVision 3.12.01 мы совершили прорыв в разработке процессов, происходящих в дисперсных фазах. В результате появилась возможность моделировать процессы обледенения поверхностей - как сухой, так и влажный режимы. 

Чем отличаются эти режимы? Как правильно их моделировать? Какие результаты демонстрирует FlowVision?
Ответы на вопросы вы найдёте в этой статье.

Описание явления

Обледенение – это процесс образования ледяного нароста на твёрдой поверхности в среде, содержащей капли воды в переохлаждённом состоянии. При контакте с поверхностью, имеющей отрицательную температуру, капли воды кристаллизуются и формируют ледяной слой на поверхности.

В тропосфере, где летают самолёты, температура воздуха варьируется от 0° С до -20° С. Кроме того, вместе с воздухом в тропосфере присутствуют водяной пар, капли воды и кристаллы льда. Переохлаждённые капли воды являются ядрами кристаллизации водяного пара. Поэтому при полёте самолёта в облаках или в условиях переохлаждённого дождя, на его поверхности наблюдается процесс обледенения. Это не только изменяет геометрию крыла и увеличивает лобовое сопротивление, но и блокирует подвижные части самолёта.

обледенение

В природе существует два вида обледенения:

  • Сухой режим: капли воды, ударяясь о поверхность льда, мгновенно затвердевают.
  • Влажным режим: переохлажденные капли на твердой поверхности образуют пленку, часть которой превращается в лёд, а оставшаяся часть перетекает в направлении внешнего потока под действием аэродинамических сил.

1Схема образования наледи при сухом (слева) и влажном (справа) режимах обледенения

FlowVision умеет моделировать как сухой, так и влажный режимы обледенения. В "сухой" зоне температура контактной поверхности определяется с учётом сублимации льда. Во "влажной" зоне учитывается течение водяной плёнки по поверхности льда. Замерзание плёнки происходит за счёт испарения воды и теплоотдачи в лёд и в воздух. В результате моделирования процесса обледенения формируется ледяной нарост, меняющий геометрию обтекаемого объекта, который в свою очередь влияет на обтекание.

Сравнение с экспериментом

В работе приведены формы ледяных наростов, полученные на цилиндре при разных режимах обледенения. Проверим, на что способен FlowVision: смоделируем эту же задачу и сравним результаты.

 2Форма ледяных наростов при сухом (слева) и влажном (справа) режимах обледенения

Моделирование во FlowVision

Вещества и фазы

Для моделирования процесса обледенения во FlowVision, необходимо создать в Препроцессоре четыре вещества: воздух, водяной пар, вода и лёд.  Эти вещества определяют в проекте три фазы.

  • В Воздушной фазе (воздух+водяной пар) происходят процессы теплопереноса, движения и турбулентности набегающего потока.

3

  • В дисперсной фазе Капли происходит кристаллизация капель воды в следствии теплообмена с воздушной и ледяной фазами.

4

  • В фазе Лёд моделируется ускоренный процесс теплопереноса в наледи. Из-за различия шагов по времени для роста ледяной фазы и внешнего обтекания, установление теплового равновесия в ледяной фазе будет происходить медленно. Чтобы ускорить этот процесс, необходимо задать в качестве коэффициента шага по времени теплопереноса большое число - например, 106.

5

Всегда начинаем с предрасчёта. Зачем он необходим?

Чтобы правильно смоделировать обледенение, необходимо провести предварительный расчёт - внешнее обтекание. Это позволит получить начальное распределение капель в набегающем потоке.

На этапе предварительного расчёта нет формирования ледяной плёнки - оно будет происходить дальше.

С помощью предварительного расчёта мы обеспечиваем появление льда в установившемся течении, там, где он и должен формироваться в реальном физическом процессе. Если не делать предрасчёт, то капли сразу начинают конденсироваться на поверхности обтекаемого тела, что нарушает физичность процесса обледенения. Как следствие этого, форма моделируемого нароста будет неправильной. 

На рисунке ниже представлено распределение капель в набегающем потоке, полученное в конце предварительного расчёта. Увеличенная концентрация капель вблизи поверхности цилиндра обеспечивает правильное формирования ледяного нароста на дальнейшем этапе расчёта.

6Объём фазы КАПЛИ в набегающем потоке после проведения предворительного расчёта

Первое: делаем предрасчёт внешнего обтекания без учёта кристаллизации (до некоторого установившегося течения, иногда достаточно 100-300 шагов).
Второе: после переходим к моделированию формирования ледяной плёнки.

Подробнее о том, как правильно провести предрасчёт читайте в обучающем примере по функционалу "Обледенение". 

Исходные данные 

Для начала моделирования процесса, вы должны определиться с начальными данными: 

  • Водность (LWC, liquid water content)  - масса воды (влаги), содержащаяся в единице объёма;
  • Температура окружающей среды;
  • Размер капель - он зависит от типа и высоты расположения облаков. Конечно, в каждом облаке присутствуют капли разного размера, но А.М. Боровикововым было выведено среднее значение для каждого типа облаков.

Выбор режима кристаллизации происходит в окне свойств этого физического процесса. Сухому режиму обледенения соответствует сухая модель кристаллизации, влажному - модель плёнки.

Создание проекта FlowVision

Мы собрали в одном файле всю последовательность действий, приводящую к успешному запуску проекта с обледенением - скачать памятку можно по ссылке. Остановимся подробнее на ключевых параметрах настроек.  

Основные параметры 

Далее мы расскажем о ключевых параметрах и настройках численного моделирования процесса обледенения. 

Шероховатость

Шероховатость учитывается при моделировании процессов кристаллизации и турболизации внешнего потока. Включение этого параметра отличается для режимов сухого и влажного обледенения: 

  • При сухом обледенении шероховатость поверхности не учитывается - капли мгновенно образуют ледяной нарост на поверхности.
  • При влажном обледенении шероховатость учитывается на поверхностях тела и ледяной фазы, что является результатом физики процесса кристаллизации: капли превращаются в лёд постепенно, и на поверхности образуется шероховатый ледяной нарост. 

Кристаллизация: во FlowVision реализована модель шероховатости Шин-Бонд - эмпирическая модель, в рамках которой рассчитывается эквивалентная песочная шероховатость - результат протекания процесса кристаллизации.

Турбулентность: в свойствах процесса задаётся величина константы шероховатости. Её общепринятое значение для стандартных задач обтекания = 0,3. Но для задач обледенения значения константы шероховатости подбираются опытным путём и зависят от величины Y. Для одинаковых Y+ и подобных геометрий величины константы шероховатости должны быть близкими.

Срыв плёнки и испарение 

Чтобы максимально приблизиться к реальному физическому процессу активируйте модели уноса плёнки и испарения в свойствах процесса кристаллизации для влажного режима обледенения. 

Шаг по времени 

Процесс кристаллизации чувствителен к шагу по времени. К тому же процессы, протекающие в разных фазах, требуют разного шага по времени. Рассмотрим основные параметры, связанные с заданием шага по времени в расчёте. 

  1. Для задач обледенения необходимо задавать поверхностный CFL = 1.

  2. За величину роста кристаллической фазы отвечает параметр CFL VOF (в доп. настойках солвера). При моделировании обледенения ЛА рекомендуется задавать CFL VOF = 0,1...0,4. Чем меньше CFL VOF, тем точнее формируется ледяной нарост на поверхности, однако скорость его формирования уменьшается.

  3. Параметр CFL плёнки (в доп. настойках солвера) определяет количество расчётных циклов, происходящих внутри одной итерации, которые необходимы для более точного формирования ледяной плёнки. Этот параметр актуален только для влажного режима обледенения. Для сухого режима CFL плёнки может быть равен любому неотрицательному числу. Мы рекомендуем задавать CFL плёнки = 3...5. При увеличении значения параметра, геометрия ледяного нароста будет более точной. Отметим, что разрешение сеткой тоже влияет на точность решения. 

  4. Максимальный шаг плёнки (в доп. настойках солвера) является ограничителем явного шага для процесса кристаллизации. Это позволяет избежать появления нефизично большого объема пленки на поверхности в самом начале процесса формирования кристаллической фазы, когда шаг пленки по времени очень большой. Задавайте максимальный шаг плёнки в диапазоне 100 ... 600.
Учёт нароста

Появление ледяной плёнки на поверхностях тел изменяет их геометрию и действующие на них аэродинамические силы. Отследить это изменение можно при помощи включения параметра "учёт нароста" при создании Характеристик. 

Учёт нароста не включен - характеристика считает только по поверхности тела (граничному условию стенка).
Учёт нароста включен - характеристика считает по всей геометрии обтекаемого тела (объект + ледяной нарост).

Результаты моделирования

В результате моделирования режимов сухого и влажного обледенения формы ледяных наростов различаются между собой и полностью соответствуют ожидаемому результату. 

 

8

Формы ледяных наростов для сухого (слева) и влажного (справа) режимов обледенения

7

Заключение

В рамках тестирования функционала обледенения FlowVision проводилась верификация расчётов на основе данных полученных в климатической аэродинамической трубе NASA Glenn Icing Research Tunnel (IRT), кроме того проверка расчётов осуществлялась в программных продуктах, предназначенных для численного решения задач обледенения: ANSYS FENSAP-ICE, LEWICE. Подробнее об этом исследовании вы можете узнать в статье "Численное моделирование обледенения в программном комплексе FlowVision". (Ссылка на статью в журнале "Компьютерные исследования и моделирование".)

Полезные ссылки 

Об авторе
Наталья Александрова
Author: Наталья Александрова
Инженер технической поддержки
МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспертиза в областях: CFD, гидро- газодинамика, аэродинамика.