Исследователи Сколтеха и их коллеги из SINTEF (Норвегия) разработали математическую модель, описывающую процесс замерзания капель воды, движущихся в холодном воздухе. Данная работа является частью совместного российско-норвежского исследовательского проекта, выполняемого при поддержке РФФИ. Цель проекта – разработать технологию предсказания обледенения морских судов и сооружений в условиях Арктики для обеспечения их нормальной работы, безопасности экипажей и сохранности грузов. Результаты исследования опубликованы в журнале Energies.
В северных акваториях морские суда постоянно «находятся под ударом» мельчайших капель воды, присутствующих в холодном воздухе. При столкновении морской волны с обшивкой корпуса и другими поверхностями судна капли выбрасываются в воздух. В зависимости от степени их замерзания капли либо отскакивают от поверхности, либо прочно «приклеиваются» к ней. Если капли находятся в полузамерзшем состоянии, ситуация может развиваться по различным сценариям. Когда капель слишком много, на поверхности начинает образовываться лед, а обледенение, как известно, грозит потерей устойчивости судна и эрозией поверхности. Известны модели, описывающие процесс обледенения для самолетов и ЛЭП, однако средств, точно описывающих этот процесс для морских условий и при этом не требующих больших вычислительных ресурсов, пока не существует.
«Процесс обледенения состоит из нескольких основных этапов. Сначала, при столкновении волн с судном, в воздух поднимаются капли морской воды с широким распределением размеров, движущиеся с различными скоростями. Затем облако капель в том числе направляется в сторону корабля; при этом распределение капель внутри облака по размеру, положению и скорости неизвестно. Наконец, при столкновении капель с поверхностью происходит образование льда с различной степенью интенсивности, причем в образовании слоя льда участвует только часть капель. Все эти процессы мало изучены, и их параметры неизвестны, поэтому и моделировать их достаточно сложно. В Сколтехе мы разрабатываем несколько специальных экспериментальных установок для получения ранее неизвестных параметров как в лабораторных условиях, так и непосредственно в море. Получаемые экспериментальные данные мы используем в сложной компьютерной модели, описывающей процесс обледенения, в дополнение к которой мы также применяем частные модели отдельных этапов процесса обледенения», − рассказывает один из авторов статьи, старший научный сотрудник Сколтеха Святослав Чугунов.
Директор Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам (CDMM) профессор Искандер Ахатов, профессор Дмитрий Эскин, выпускник магистратуры Сколтеха Достон Шаюнусов и Святослав Чугунов построили модель, описывающую процесс охлаждения отдельной капли воды, ее частичного замерзания и последующего взаимодействия с твердой поверхностью корпуса корабля.
Модель состоит из двух компонентов: первый имитирует частичное замерзание капли после ее выхода из толщи воды, а второй моделирует взаимодействие между каплей и твердой поверхностью при соударении. Авторы статьи отмечают, что созданная ими упрощенная модель может использоваться лишь для приближенного анализа. Тем не менее, исследователи планируют интегрировать ее в состав более сложной трехмерной модели.
«Наш проект сейчас находится в активной фазе: мы приступили к сборке экспериментальной установки для измерения распределения положений и размеров капель в облаке морских брызг с борта корабля. При проведении основных экспериментов мы планируем доработать установку для измерения скорости капель. Эти исследования запланированы на текущий год», − отмечает Святослав Чугунов.
Итогом работ по проекту будет создание открытого программного средства для моделирования реальных сценариев столкновения волн с корпусом корабля, а также моделирования распространения капель морской воды в холодном воздухе и их осаждения на поверхности корабля.
«Программу можно будет использовать для моделирования обледенения существующих и будущих морских сооружений различного типа, а также для прогнозирования обледенения в различных климатических условиях. Применительно к уже существующим судам и сооружениям данная программа позволит повысить эффективность мероприятий по снижению рисков в случае обледенения, а при создании перспективных разработок – изменить форму и расположение компонентов судна с целью уменьшения влияния обледенения на его работу», − отмечает Святослав Чугунов.
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
