Супергидрофобты беттің мұздануға қарсы жүйеге әсері
КІРІСПЕ 7
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері 5
1.1.1 Мұзданудыңұшақаэродинамикасына әсері 6
1.1.2 Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері 7
1.1.3 Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері 8
1.2 Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы 9
1.2.1 Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс.шаралар 9
1.2.2 Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар 11
1.2.3 Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы 13
1.2.4 Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы 14
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 16
2.1 Судың физикалық қасиеті 16
2.2 Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы 20
2.3 Аэродинамикалық труба 27
2.4 Адгезия және когезия,беттік керілу 30
2.5 Супергидрофобты беттің физикалық негізі 31
3 ТӘЖІРИБЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ 36
3.1 Тефлонның физикалық және химиялық қасиеті 36
3.2 Полифениленсульфидінің физико.химиялық қасиеті 38
3.3 ПТФЭ . ПФС қоспасындағы супергидрофобты қанат бетін алудың тәжірибелік әдісі 40
3.4 Төмен жылдамдықтағы аэродинамикалық трубаның жасалу жолы 43
3.5 Ұшақтың ұшу модельін аэродинамикалық трубада жасау және әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайын салыстыру 46
ҚОРЫТЫНДЫ 49
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 52
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері 5
1.1.1 Мұзданудыңұшақаэродинамикасына әсері 6
1.1.2 Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері 7
1.1.3 Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері 8
1.2 Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы 9
1.2.1 Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс.шаралар 9
1.2.2 Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар 11
1.2.3 Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы 13
1.2.4 Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы 14
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 16
2.1 Судың физикалық қасиеті 16
2.2 Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы 20
2.3 Аэродинамикалық труба 27
2.4 Адгезия және когезия,беттік керілу 30
2.5 Супергидрофобты беттің физикалық негізі 31
3 ТӘЖІРИБЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ 36
3.1 Тефлонның физикалық және химиялық қасиеті 36
3.2 Полифениленсульфидінің физико.химиялық қасиеті 38
3.3 ПТФЭ . ПФС қоспасындағы супергидрофобты қанат бетін алудың тәжірибелік әдісі 40
3.4 Төмен жылдамдықтағы аэродинамикалық трубаның жасалу жолы 43
3.5 Ұшақтың ұшу модельін аэродинамикалық трубада жасау және әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайын салыстыру 46
ҚОРЫТЫНДЫ 49
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 52
Қазіргі кезде мұздану мәселесі дүниедегі өзекті мәселелердің бірі болып отыр. Мұздану мәселесі тасымалдау трубаларында, антенналарда және авиацияда болады. Авиацияда, яғни ұшақтың ұшуы кезінде атмосферадағы ауа тұтқырлығының жоғары болу себебінен, ауа ылғалдығынан, температураның төмен болу факторларынан мұздану жоғары болады. Ұшақ аспан кеңістігінде ұшу барысында ұшақ сыртқы бетінде мұз жиналу процесі болады. Ұшақ сыртына мұз жиналу негізінен екі түрлі болады: біріншісі, кеңістіктегі су буының ұшақ беткі қабатымен тікелей жанасу арқылы мұз түзу. Екіншісі, ауа құрамындағы су тамшыларының жартылай кристалдары(тұман,бұлт) біршама тұрақсыз келеді,олар қатты денеге тигенде адгезиясы біршама жоғары болады да, толық кристалға айналады. Ұшақ қанатына жиналған мұз ұшақтың ұшуы кезінде көптеген кедергілерді туғызады. Мысалы, ұшақтың өзін-өзі көтеріп ұшу күшін азайтып, ұшақ тепе-теңдігін бұзады. Сондықтан, қазіргі кезде көптеген әдістер мұзды жоюға қолданылуда. Қолданылатын әдістердің ішінде қанат ішіндегі қыздыру жүйесі жатады. Ұшақ бетіне жиналған мұзды қыздыру энергиясы арқылы ерітіп, қанат бетін тазартып отырады. Бірақ энергия шығымы көп жұмсалады. Осы себептерге негізделіп энергиялық шығымды азайту мақсатында мұзбен адгезиясы төмен, яғни супергидрофобты бетті қанат бетіне қаптау арқылы мұздан арылу жолын қарастырамыз. Жұмыс барысында әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің моделін жасап, оларды ұшақтың ұшу моделі, яғни аэродинамикалық трубада тәжірибеден өткіземіз және оларды салыстыра отырып, супергидрофобты беттің мұздануға қарсы жүйеге тигізетін көмегін бақылаймыз. Бұл жағдайда аэродинамикалық труба ішіндегі ауа ағысын ламинарлы ағыс ретінде жағдай жасап, труба ішіне қанатты қойып, эксперимент жүргіземіз. Қанат бетіне қатқан мұздың қандай параметрлерге тәуелді екенін зеттейміз.
1. 裘燮纲,韩凤华.飞机防冰系统[M].北京:航空专业教材编审组,2001.26-30
2.于庆芳.Y-12Ⅱ型飞机结冰对其飞行特性影响的试飞研究[J].飞行力学,1995,13(2):63-70
3.Addy H E Jr. Ice Accretions and Icing Effects for Modern Airfoil[R]. NASA/TP-2000-210031,2000.
4.Bragg MB, Hutchison T, Merret J, et al. Effect of Ice Accretion on Aircraft Flight Dynamics [R].AIAA2000-0360,2000.
5.张强等. 积冰对飞机飞行性能的影响[J].北京航空航天大学学报,2006,32(6):654-657
6. . 张梅1，孟军锋2，孙哲2，杨茂林2，杨康
7.Bowden D T. Engineering summary of airframe icing technical data[R] .FAA-ADS-4,1964
8.C. Antonini , M. Innocenti , T. Horn , M. Marengo , A. Amirfazli. Cold Regions Science and Technology 67 (2011) 58–67
9.Anderson, D.N., Reich, A.D., 1997. Tests of the performance of coatings for low ice
10.Todd S. Glickman. Glossary of meteorology 2.American Meteorological Society. 2000.Jan.Jan. ISBN 978-1878220349
11.William D. Nesse. Introduction to Mineralogy.Oxford University Press. 1999.Nov.Nov: 966–967.ISBN 978-0-19-510691-6 .
12. . Philip Ball. H2O: a biography of water. Phoenix. 2000.Oct. ISBN 978-0-753-81092-7
13.Ancel St. John. The Crystal Structure of Ice. Proc Natl Acad Sci USA. 1918.Jul, 4 (7): 193–197.PMC PMC1091441. PMID 16576297
14.Sir W H Bragg. The Crystal Structure of Ice.Proc. Phys. Soc. London. 1921, 34 (98): 193–197.doi:10.1088/1478-7814/34/1/322
15.G.K.Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics,Cambridge Univ.Press,Cambridge,1970
16.Lamb, H. Statics, Including Hydrostatics and the Elements of the Theory of Elasticity, 3rd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1928.
17.Jump up to:a b Sherwood, Lauralee; Justin Pearlman (2007). "Ch13". In Peter Adams. Human physiology from cells to systems(6th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 0-495-01485-0
18.Francis Hauksbee, Physico-mechanical Experiments on Various Subjects … (London, England: (Self-published by author; printed by R. Brugis), 1709), pages 139–169.
19.R. K. Sinnott Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6: Chemical Engineering Design, 4th ed (Butterworth-Heinemann) ISBN 0-7506-6538-6 page 473
20.Аэродинамический расчет котельных установок. Нормативный метод.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.
21.Holmes, J.D. Wind Loading on Structures. London: Spon Press. 2001.
22.Dodson, MG. An Historical and Applied Aerodynamic Study of the Wright Brothers' Wind Tunnel Test Program and Application to Successful Manned Flight. US Naval Academy Technical Report. 2005,.USNA-334[2009-03-11].
23.Barlow, J.B. Rae, W.H. and Pope, A. Low speed wind tunnel testing. John Wiley & Sons, Inc. 1999.
24.ҚұмарғалиеваС.Ш. Коллоидтықхимияныңнегіздері/С. Ш. Құмарғалиева. – 2011
25.Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
26.Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): "Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls." JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450-455. Link to abstract
27.Wenzel, RN. Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. Ind. Eng. Chem. 1936, 28: 988–994
28.聚四氟乙烯-Guidechem.com(字典)
29.卢晓、徐毅儿、吴璇. 特富龙不粘锅成分可能致癌 广州将进行全市抽检. 中国新闻网. 中国新闻社. 2004-07-12 [2012-08-27].
30.李珊. 世卫推荐使用中国铁锅 安全有益健康. 《环球时报》生命周刊 (人民日报社). 2006-02-14: (第三版) [2012-08-26].
31.安家驹，王伯英编. 实用精细化工辞典第一版. 北京: 轻工业出版社. 1988: 994.
32.Akira N, Kazuhito H, Toshiya W. Recent Studies on Super-hydrophobic Films [J].Monatsh. Chem., 2001, 132: 31−41.
33.. Coulson S R, Woodward I, Badyal J P S. Super-repellent Composite
Fluoropolymer Surfaces [J]. J. Phys. Chem. B, 2000, 104(37):8836−8840.
34.石塞安. 工程塑料 [M]. 上海：上海科技出版社, 1999. 362.
35.李继红，侯灿淑，余自力，等. 聚苯硫醚涂层/金属基体的界面研
究 [J]. 高分子材料科学与工程, 1998, 14(3): 94−99.
36.杨生荣，李同生，周兆福，等. PPS−PTFE 防粘耐磨涂层的研制
及其在食品烤盘上的应用 [J]. 塑料, 1999, 28(1): 38−41.
37.ANDY PASZTOR and JOSH MITCHELLUpdated Nov. 24, 2009 12:01 a.m. ET. FAA Plans Tougher Ice Rules
2.于庆芳.Y-12Ⅱ型飞机结冰对其飞行特性影响的试飞研究[J].飞行力学,1995,13(2):63-70
3.Addy H E Jr. Ice Accretions and Icing Effects for Modern Airfoil[R]. NASA/TP-2000-210031,2000.
4.Bragg MB, Hutchison T, Merret J, et al. Effect of Ice Accretion on Aircraft Flight Dynamics [R].AIAA2000-0360,2000.
5.张强等. 积冰对飞机飞行性能的影响[J].北京航空航天大学学报,2006,32(6):654-657
6. . 张梅1，孟军锋2，孙哲2，杨茂林2，杨康
7.Bowden D T. Engineering summary of airframe icing technical data[R] .FAA-ADS-4,1964
8.C. Antonini , M. Innocenti , T. Horn , M. Marengo , A. Amirfazli. Cold Regions Science and Technology 67 (2011) 58–67
9.Anderson, D.N., Reich, A.D., 1997. Tests of the performance of coatings for low ice
10.Todd S. Glickman. Glossary of meteorology 2.American Meteorological Society. 2000.Jan.Jan. ISBN 978-1878220349
11.William D. Nesse. Introduction to Mineralogy.Oxford University Press. 1999.Nov.Nov: 966–967.ISBN 978-0-19-510691-6 .
12. . Philip Ball. H2O: a biography of water. Phoenix. 2000.Oct. ISBN 978-0-753-81092-7
13.Ancel St. John. The Crystal Structure of Ice. Proc Natl Acad Sci USA. 1918.Jul, 4 (7): 193–197.PMC PMC1091441. PMID 16576297
14.Sir W H Bragg. The Crystal Structure of Ice.Proc. Phys. Soc. London. 1921, 34 (98): 193–197.doi:10.1088/1478-7814/34/1/322
15.G.K.Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics,Cambridge Univ.Press,Cambridge,1970
16.Lamb, H. Statics, Including Hydrostatics and the Elements of the Theory of Elasticity, 3rd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1928.
17.Jump up to:a b Sherwood, Lauralee; Justin Pearlman (2007). "Ch13". In Peter Adams. Human physiology from cells to systems(6th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 0-495-01485-0
18.Francis Hauksbee, Physico-mechanical Experiments on Various Subjects … (London, England: (Self-published by author; printed by R. Brugis), 1709), pages 139–169.
19.R. K. Sinnott Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6: Chemical Engineering Design, 4th ed (Butterworth-Heinemann) ISBN 0-7506-6538-6 page 473
20.Аэродинамический расчет котельных установок. Нормативный метод.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.
21.Holmes, J.D. Wind Loading on Structures. London: Spon Press. 2001.
22.Dodson, MG. An Historical and Applied Aerodynamic Study of the Wright Brothers' Wind Tunnel Test Program and Application to Successful Manned Flight. US Naval Academy Technical Report. 2005,.USNA-334[2009-03-11].
23.Barlow, J.B. Rae, W.H. and Pope, A. Low speed wind tunnel testing. John Wiley & Sons, Inc. 1999.
24.ҚұмарғалиеваС.Ш. Коллоидтықхимияныңнегіздері/С. Ш. Құмарғалиева. – 2011
25.Aryeh Ben-Na'im Hydrophobic Interaction Plenum Press, New York (ISBN 0-306-40222-X)
26.Goss, K. U. and R. P. Schwarzenbach (2003): "Rules of Thumb for Assessing Equilibrium Partitioning of Organic Compounds: Successes and Pitfalls." JOURNAL OF CHEMICAL EDUCATION 80(4): 450-455. Link to abstract
27.Wenzel, RN. Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. Ind. Eng. Chem. 1936, 28: 988–994
28.聚四氟乙烯-Guidechem.com(字典)
29.卢晓、徐毅儿、吴璇. 特富龙不粘锅成分可能致癌 广州将进行全市抽检. 中国新闻网. 中国新闻社. 2004-07-12 [2012-08-27].
30.李珊. 世卫推荐使用中国铁锅 安全有益健康. 《环球时报》生命周刊 (人民日报社). 2006-02-14: (第三版) [2012-08-26].
31.安家驹，王伯英编. 实用精细化工辞典第一版. 北京: 轻工业出版社. 1988: 994.
32.Akira N, Kazuhito H, Toshiya W. Recent Studies on Super-hydrophobic Films [J].Monatsh. Chem., 2001, 132: 31−41.
33.. Coulson S R, Woodward I, Badyal J P S. Super-repellent Composite
Fluoropolymer Surfaces [J]. J. Phys. Chem. B, 2000, 104(37):8836−8840.
34.石塞安. 工程塑料 [M]. 上海：上海科技出版社, 1999. 362.
35.李继红，侯灿淑，余自力，等. 聚苯硫醚涂层/金属基体的界面研
究 [J]. 高分子材料科学与工程, 1998, 14(3): 94−99.
36.杨生荣，李同生，周兆福，等. PPS−PTFE 防粘耐磨涂层的研制
及其在食品烤盘上的应用 [J]. 塑料, 1999, 28(1): 38−41.
37.ANDY PASZTOR and JOSH MITCHELLUpdated Nov. 24, 2009 12:01 a.m. ET. FAA Plans Tougher Ice Rules
Пән: Экология, Қоршаған ортаны қорғау
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 54 бет
Таңдаулыға:
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 54 бет
Таңдаулыға:
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫСЫ
Тақырыбы:СУПЕРГИДРОФОБТЫ БЕТТІҢ МҰЗДАНУҒА ҚАРСЫ ЖҮЙЕГЕ ӘСЕРІ
РЕФЕРАТ
Бітіру жұмысы кіріспе, әдеби шолу, негізгі бөлім, тәжірибелік бөлім, қорытынды және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Жұмыс 53 беттен, 57 суреттен, 1 кестеден, 37 қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
Түйін сөздер: МҰЗ, ҰШАҚ, СУПЕРГИДРОФОБ, ТЕФЛОН, ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИД, АЛЮМИНИЙ, АЭРОДИНАМИКА
Зерттеу нысандары: супергидрофобты беттегі судың жұғу бұрышы және сырғу бұрышы, аэродинамикалық трубадағы ауаның жылдамдығы және бағыты, -18℃ температурада әдеттегі және супергидрофобты қанат бетіне мұздың жиналу механизмі және жылдамдығы.
Жұмыстың мақсаты: қазіргі кезде өзекті мәселелердің бірі болған мұздану мәселесі, яғни, ұшақ қанатының бетіне жиналатын мұзды біржақты ету шараларын зерттеу, оған супергидрофобты беттің көмегінің шамасын зерттеу.
Зерттеудің маңызы: анемометр қондырғысы арқылы аэродинамикалық трубаның ішіндегі ауа жылдамдығын зерттеу, су тамшысын супергидрофобты бетке тамызып жұғу бұрышын зерттеу, түтін арқылы ауаның труба ішіндегі қозғалу бағытын зерттеу, -18℃ температурада аэродинамикалық труба ішіндегі қанат бетіне жиналған мұздың салмағын өлшеу әрі екі түрлі қанат бетіндегі мұздың жиналу уақытын салыстыру.
ҚЫСҚАРТЫЛҒАН СӨЗДЕР ТІЗІМІ
ПФС - полифениленсульфиді
ПТФЭ - политетрафторэтилен ( тефлон)
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
7
1
ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1
Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері
5
1.1.1
Мұзданудың ұшақ аэродинамикасына әсері
6
1.1.2
Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері
7
1.1.3
Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері
8
1.2
Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы
9
1.2.1
Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс-шаралар
9
1.2.2
Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар
11
1.2.3
Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы
13
1.2.4
Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы
14
2
ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
16
2.1
Судың физикалық қасиеті
16
2.2
Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы
20
2.3
Аэродинамикалық труба
27
2.4
Адгезия және когезия, беттік керілу
30
2.5
Супергидрофобты беттің физикалық негізі
31
3
ТӘЖІРИБЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ
36
3.1
Тефлонның физикалық және химиялық қасиеті
36
3.2
Полифениленсульфидінің физико-химиялық қасиеті
38
3.3
ПТФЭ - ПФС қоспасындағы супергидрофобты қанат бетін алудың тәжірибелік әдісі
40
3.4
Төмен жылдамдықтағы аэродинамикалық трубаның жасалу жолы
43
3.5
Ұшақтың ұшу модельін аэродинамикалық трубада жасау және әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайын салыстыру
46
ҚОРЫТЫНДЫ
49
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
52
КІРІСПЕ
Қазіргі кезде мұздану мәселесі дүниедегі өзекті мәселелердің бірі болып отыр. Мұздану мәселесі тасымалдау трубаларында, антенналарда және авиацияда болады. Авиацияда, яғни ұшақтың ұшуы кезінде атмосферадағы ауа тұтқырлығының жоғары болу себебінен, ауа ылғалдығынан, температураның төмен болу факторларынан мұздану жоғары болады. Ұшақ аспан кеңістігінде ұшу барысында ұшақ сыртқы бетінде мұз жиналу процесі болады. Ұшақ сыртына мұз жиналу негізінен екі түрлі болады: біріншісі, кеңістіктегі су буының ұшақ беткі қабатымен тікелей жанасу арқылы мұз түзу. Екіншісі, ауа құрамындағы су тамшыларының жартылай кристалдары (тұман,бұлт) біршама тұрақсыз келеді, олар қатты денеге тигенде адгезиясы біршама жоғары болады да, толық кристалға айналады. Ұшақ қанатына жиналған мұз ұшақтың ұшуы кезінде көптеген кедергілерді туғызады. Мысалы, ұшақтың өзін-өзі көтеріп ұшу күшін азайтып, ұшақ тепе-теңдігін бұзады. Сондықтан, қазіргі кезде көптеген әдістер мұзды жоюға қолданылуда. Қолданылатын әдістердің ішінде қанат ішіндегі қыздыру жүйесі жатады. Ұшақ бетіне жиналған мұзды қыздыру энергиясы арқылы ерітіп, қанат бетін тазартып отырады. Бірақ энергия шығымы көп жұмсалады. Осы себептерге негізделіп энергиялық шығымды азайту мақсатында мұзбен адгезиясы төмен, яғни супергидрофобты бетті қанат бетіне қаптау арқылы мұздан арылу жолын қарастырамыз. Жұмыс барысында әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің моделін жасап, оларды ұшақтың ұшу моделі, яғни аэродинамикалық трубада тәжірибеден өткіземіз және оларды салыстыра отырып, супергидрофобты беттің мұздануға қарсы жүйеге тигізетін көмегін бақылаймыз. Бұл жағдайда аэродинамикалық труба ішіндегі ауа ағысын ламинарлы ағыс ретінде жағдай жасап, труба ішіне қанатты қойып, эксперимент жүргіземіз. Қанат бетіне қатқан мұздың қандай параметрлерге тәуелді екенін зеттейміз.
1.ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері
Ұшақ жер бетінен көтерілу кезінде температура (OAT)=5℃ немесе ұшу барысындағы ауа температурасы (TAT)=7℃ болғанда , сонымен қатар судың қандай да бір фазасының әсерінен (мысалы, қар, жаңбыр, тұман) мұз қату шарты толықтанады. Бірақ ұшақтың сыртқы бетіндегі мұз қату жағдайы ауа ағысының жанасу орнының ұқсамауына байланысты ол да басқаша болады. Кей жерлерге мұз дұрыс қатпайды (мысалы, ұшақ қанатының артқы бөлігіне және ұшақ құйрығына). Ұшу барысында мұздану әдетте ұшақ қанатының алдыңғы бөлігінде, ұшақ басында, айналғыш парақта біршама ауыр болады. Әр жерде түзілген мұз кристаллдарының құрамында үлкен өзгешеліктер болады, қатты кристал және бос күйдегі қыраулар да болуы мүмкін. 1-суретте көрсетілгендей қанат алдыңғы бөлігінде де екі түрлі мұз қату жағдайы болады.[1,2]
Cурет 1. Қанаттың алдыңғы бетіндегі мұз қату жағдайлары
Ұшақ сыртына жиналған мұз қабаты ұшақтың механикалық қозғалысына үлкен әсер етеді, .ұшақ жылдамдығына қарама-қарсы бағыттағы ауа ағысының жүру бағытын өзгертеді, сонымен қатар ұшақ жылдамдығын азайтады және тепе-теңдігіне әсер етеді (2-суретте көрсетілгендей).
A:ауа ағысының қалыпты қозғалысы B: ауа ағысының трублентті қозғалыс жасауы
Cурет 2. Мұз қатудан бұрынғы (A) және мұз қатқаннан кейінгі (B) ауа ағысының ұшақ қанаты бетімен қозғалу бағыты (жанынан қарағанда).
Қанаттың мұздануының қозғалысқа әсері. Әдеттегі жағдайда қанаттың мұздануы ұшақтың аэродинамикалық қасиетіне үлкен әсерін тигізеді, ұшу үдеуін азайтып, жылдамдық азаю үдеуін жоғарылатады. Сандық коэффициентінің дәрежесіне, бірнеше қозғалыс параметрлеріне әсер етіп ,ұшу барысындағы математикалық модель функциясын бұзады, ұшқыштың басқаруы қиынға соғады.
1.1.1 Мұзданудың ұшақ аэродинамикасына әсері
Бұл әсерді бірнеше жақтан қорытындылауға болады: (3-сурет).
1) түзілген мұз сыртының α бұрышына байланысты аэродинамикалық жылдамдықтың азаюы болады.
2) максималды аэродинамикалық үдеудің азаюы болады
3) жылдамдық азаю бұрышы азаяды.
Cурет 3. Аэродинамика жылдамдығының CL ұшақ қозғалыс бағыт бұрышына α тәуелділігі
Максимальды аэродинамикалық коэффициент мұздың қалыңдығына және құрылысына тәуелді (4-суретте көрсетілгендей). Ең маңыздысы мұз қалыңдығы бірнеше милиметрге артса жылдамдық үдеуін жартысындай дәрежеде азайтады, яғни мұздың аз мөлшері ұшақ тепе-теңдігіне зор әсер етеді.
Cурет 4. Мұз құрылысының максимальды аэродинамикалық жылдамдыққа әсері
Жоғарыдағы график арқылы мұз қатқаннан кейінгі ұшақ аэродинамикасы 25-40%-ға азаятынын түсінуге болады. Жылдамдық азайту бұрышы 5°～7°-ға азаяды. Бұл арқылы жылдамдық қосу үдеуі 25%-ға азайса, жылдамдық азайту үдеуі 75%-ға жоғарылайды. Яғни, Vs2VsO2 = 10.75, жылдамдық азаю үдеуі
Vs =1.1547VsO . Жылдамдық азайту үдеуі 15%-ға артады, ал жылдамдық үдеуі 40%-ға жоғарылайды.[3]
1.1.2 Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері
1) α бұрышына байланысты кедергі күш CD артады;
2) аэродинамикалық коэффициентке CL байланысты кедергі күш CD те артады;
3) жоғары аэродинамикалық үдеу жылдамдық төмендеу үдеуінің минимальды мәнінде байқалады.
Cурет 5. Мұзданудың полярлы қисыққа әсер етуі
1.1.3 Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері.
Қазіргі кезде кең қолданылатын турбореактивті ұшақтың ұшу биіктігі шамамен 9000m айналасында болады. Төмен биіктікте ұшақтың мұздану мүмкіншілігі біршама төмен, бірақ көтерілу барысындағы жиналған мұз ұшақтың көтерілу энергия шығымын жоғарылатады. W = ρV2CLS2 формуласы бойынша және D =ρV2CDS2 бойынша кедергі күш ұшақтың ұшу барысындағы ауа ағысына түсірген қысым күшке байланысты өседі. Яғни D = WK . Мұндағы K- аэродинамикалық константа. Егер максимальды аэродинамикалық жылдамдық азайса, минимальды кедергі күш жоғарылайды (6-суретте көрсетілгендей). Жылдамдық азайту үдеуі мұздың жиналу шамасына байланысты өседі, максимальды бірқалыпты қозғалу жылдамдығы азаяды [4].
Cурет 6. Мұздану жағдайының қажетті сүйреу күшіне әсері
1.2 Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы
Ұшақ кеңістікте ұшу барысында Маха критерийі бойынша мұздану метеорологиялық шартынан кіші болғанда ұшақтың кейбір сыртқы бетінде ауа ағысы құрамындағы сумен соқтығысады, осылайша мұз бірте-бірте жинала бастайды. Көптеген зерттеу жұмыстары бойынша ұшақтың негізгі бөліктерінде жиналған мұз кристаллы аз мөлшерде болса да, бірақ ұшақтың ауырлық күші арта түскендіктен ұшақтың тепе-теңдігі нашарлай бастайды. Ең ауыр жағдай кеңістіктегі төмен температура әсерінен ұшақтың ауа кіру аузында және қанаттың алдыңғы жағында мұздың қатуы. Негізінен ұшақтың бірнеше бөлігінде мұз қату біршама ауыр болады: ұшақ қанаты, горизонталь стабилизатор, вертикальді сабилизатор алдыңғы жағы, температура датчигі, айналу парағы сияқтылар (7-суретте көрсетілгендей). [18][20]
Сурет 7. Ұшақтың мұз қататын негізгі бөліктері.
1.Температуралық датчиктегі мұз қату 2. Көру әйнегіндегі мұз қату 3. Қанат алдындағы мұз қату 4. Артқы тепе-теңдік құйрығындағы мұз қату 5. Айналу парағына жабысқан мұз 6. Жел өткізгіш труба ернеуіндегі мұз
1.2.1 Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс-шаралар:
1) Двигатель компрессормен үрленетін ыстық жел арқылы мұз еріту: бұл көбінесе қанатта, ұшақ құйрық бөлігінің алдынғы жағына, двигательге ауа кіргізу аузына қолданылады. Бұл әдіс ыстық ауа көмегімен жартылай кристалл немесе толық кристаллданған мұзды буға айналдырып, сыртқы қабатты тазалап отырады. Сонымен қатар төмен температуралы ауа ағысын жылытып, ұшақтың сыртқы бетімен адгезиясының алдын алады.
2) Шар цикл әдісімен мұздан ажырату әдісі: двигательден шыққан ытық ауа әсерімен пневматикалық каналға ыстық жел жіберіп, шар циклын ұлғайтып және қысу арқылы механикалық күш туғызу, күштің әсерінен мұздың адгезиясы жойылады. Бұл әдіс қанат бөлікте және құйрық бөлікте қолданылады. Бұл әдісте қажетті ыстық ауа энергиясы бірінші әдіске қарағанда біршама аз болады. жылу энергиясы жеткіліксіз жағдайда көлем өзгерту әдісімен мұздан ажыратылуға мүкіндік береді.
3) Электр жылуы арқылы мұзданудың алдын алу: бұл әдіс тұрақты электр жылуының әсерінен мұз кристаллдарын еріту болып табылады. Көбінесе спиральді айналу парағына орнатылады және қанат ішіне орнатылады. Электрлік жылу әдісінен басқа электрді үнемдейтін яғни уақытша қыздыру жүйесі де кеңінен қолданылады, электрлік импульс әдістері қатарлылар, кейде ульлтрадыбыс толқынын да қолдануға болады [7].
Жоғарыдағы әдістерден басқа қазіргі заманға сай энергия шығымының алдын алу мақсатында ұшақтың мұз қататын бөліктерін супергидрофобты материалмен жасау жолға қойылуда. Бұл әдістің артықшылықтары өте көп, энергия шығымын үнемдеп қана қоймай мұз қату уақытын ұзартуға болады және ұшақтың сыртқы металл материалдарының коррозиясынан сақтануға болады. Ұшақтағы жылыту жүйесі ток энергиясын пайдаланып жұмыс жасайды, құрылғысының негізгі бөлігі :жылу қыбылдау қанат беті, қыздыру пластинкасы, электродтардан тұрады. Төменгі қабатқа, яғни қанат бетіне жақын жиналған мұз кристаллдары қыздыру әсерінен суға айналып, адгезиясын азайтады (8-сурет).
Сурет 8. Қыздыру жүйесі 1.Қанат беті 2. Қыздыру пластинкасы 3. Электродтар
Қыздыру құрылғысынан басқа мұздануға қарсы жүйеде қанат бетіне шашатын мұздануға қарсы сұйықтықтар болады. Ұшақтардың ұшуы алдында сұйықтықтарды ұшақ сыртына шашады, беттік активті сұйықтық әсерінен мұз қанат бетіне жанаспайды (9-сурет), бірақ сұйықтықтың қолданылу уақыты біршама аз болады.
Cурет 9. Мұздануға қарсы беттік активті сұйқытық
1. Мұз 2. Беттік активті зат 3. Қанат беті
Мұздануға қарсы қазіргі кезде қолданылатын сұйықтықтар пропиленгликоль (C3H8O2) және этиленгликоль (C2H6O2). Қазіргі кезде қолданылу уақыты жағынан ұзақ беттік активті сұйықтар түрлері шықты. Мысалы, құрамында төмендегідей радикалдары бар заттар :
1.2.2 Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар
1) Гидрофобты материалдардың теориялық моделі: сұйықтықтың қатты бетке жұғу жағдайын Юнг теңдеуімен қарастырсақ , егер қатты бет пен сұйық арасындағы жұғу бұрышы үлкен болса адгезия жұмысының аз болғаны, яғни гидрофобты қасиетінің жоғары болғаны. Қатты дененің гидрофобты қасиеті мен беттік энергиясы өте тығыз байланыста болады. Қатты беттің беттік энергиясы төмен болса тыныш күйдегі су тамшысының жұғу бұрышы үлкен болады. Жұғу бұрышы 90° тан үлкен болғанда гидрофобты қасиет болғаны. Материалдардың ішінде органикалық кремний қосылыстары мен органикалық фтор қосылыстарында беттік энергия төмен болады. Құрамында фтор болатын топшалардың беттік энергиясы :
-- CH2 -- ＞ -- CH3＞ -- CF2 -- ＞ -- CF2H＞ -- CF3 бойынша солдан оңға қарай төмендейді. -- CF3 - тің беттік энергиясы шамамен 6.7mJm2. Қатты тегіс күйдегі материалында жұғу бұрышы ең үлкен болады. Дюпре формуласымен есептегенде жұғу бұрышы 115.20 болған. Ұзын тізбекті көмірсутектердің сумен жанасу бұрышы шамамен 1120 болады. Ретсіз орналасқан органикалық кремний және фтор полимерлерінің сумен жанасу бұрышы 101-1100 болған. Қатты дененің сумен жанасу бұрышы беттік қабаттағы құрылысқа байланысты, топшалардың диаметріне және сұйықтықтың беттік керілуіне тәуелді. Негізінен екі әдіс арқылы гидрофобты қасиетті жоғарлатуға болады, біріншісі - химиялық әдіс арқылы қатты беттің құрамын гидрофобты құрамға өзгерту, екіншісі - бетті дөрекі құрлымға келтіру, механикалық әдісті қолданамыз. Химиялық топшаларға байланысты тегіс беттің жұғу бұрышы шекті болады, 1200 - тан аспайды. Табиғатта көптеген өсімдік жапырақтарында супергидрофобты қасиет болады. Гидрофобты қасиеті ең жоғары болатын - ол лотус жапырағы, Германияның Бон университетінде Wbarthlot және Cneinhuis жүйесінде лотус құрамындағы өздігінен тазарту құбылысын зерттеген, зерттеу барысында беттік қабаттағы талшық өсінділерін байқаған, бұлардың гидрофобты қасиет беретінін түсінді. Cонымен қатар дөрекілік құрлымын байқаған, бұл құбылысты （Lotus-effect）деп атады. Қытай орталық зерттеу институтында Жян лей қатарлылар лотус жапырағында дөрекілік өсінділердің ара қашықтығы шамамен 5~9μm ал наноталшықтарының диаметрі 124.3+-3.2nm екенін байқаған (10-сурет). Бұл микроөлшемді және наноөлшемді құрылымның супергидрофобты қасиетке негізгі фактор екенін байқады. Беттегі дөрекілік құрылымның гидрофобты қасиетке маңыздылығы зор. Wenzel жұғу бұрышының формуласын ұсынды. Дөрекілік фактор r - ді енгізді (дөрекілік құрлымның реалды жағдайдағы ауданы мен геомертиялық проекция ауданының қатынасы, r=1).
Сурет 10. Лотус бетінің микроқұрлымы
Қатты дененің дөрекілік құрлымын арттырсақ , гидрофобты қасиетті
(θ＞90°болғанда cosθ теріс мәнге, θ＜90°болғанда cosθ оң мәнге ие болады. сондықтан дөрекілік құрлымдымды арттыру қажет) арттыруға болады, судың бетпен жұғу бұрышы 1500-тан жоғарылатып супергидрофобты қасиетке жеткіземіз. Wenzel принципіне негізделсек, қатты беттегі химиялық құрам мен физикалық құрылысты өзгертіп дөрекілік құрлымды өзгертсек, тек қана тыныш күйдегі су тамшысының жұғу бұрышы ғана емес судың домалау бұрышын өзгертуге болады, яғни судың қозғалыс бұрышын білуге болады.[8,9].
Cassie қатты дене мен сұйықтық арасындағы газ көпіршігінің негізін талқылап, Cassie's моделін және формуласын ортаға қойды. Мұнда f сұйықтықтың қатты беттегі жанасу үлесі. Супергидрофобты беттің негізі лотус жапырағына негізделген. Сұйықтың қатты бетпен жанасуы бірнеше түрлі болады (11-суретте көрсетілгендей).
Cурет 11. Cұйықтықтың қатты бетпен жанасу түрлері
1. Жазық беттегі 2. Wenzel моделі 3. Cassie's моделі
Сұйықтың қатты бетпен жанасу формуласы төмендегідей болады:
Бұл жерде: γSL、γSV ,γLV - қатты-сұйық, қатты-газ ,сұйық-газ беттік керілулері. Φ-тұрақты коэффициент, θS-жазық беттегі жанасу бұрышы, θr-дөрекі беттегі жанасу бұрышы, r-дөрекілік факторы, f-сұйықтың қатты беттегі аудандық үлесі.
Лотус эффектісінің қабықшасы үш түрлі жақтан сипатталады:
1) құрамында супергидрофобты қасиет болады;
2) үйлесімді дөрекілік дәрежесі болады;
3) төмен домалау бұрышы болады.
Екі түрлі әдістен лотус эффектісін алуға болады: Бірінші-жоғары гидрофобты материалдарды қосу, мысалы фтор, кремний қоспаларын қосу арқылы беттік энергияны азайту, адгезия жұмысын болдырмау. Екінші-.лотус беті сияқты дөңес, ойыс бетті әдеттегі бетте орнату, бетке бөгде заттардың жанасу ауданын азайту.
1.2.3 Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы
1938 жылы АҚШ Дупонт химиялық компаниясы фтор қоспасындағы полимерін жетпіс жыл зерттеген, ертеректе зерттелген фтор қоспасындағы полимерлердің ішінде PTFE, PVDF сияқты бірінші дәрежелі фтор қоспалы жоғары молекулалы қосылыстарды бақылаған. Бұл заттардың құрылысы жағынан басқа полимерлерден ерекше, яғни, балқуға төзімді, химиялық тұрақты, жоғары температураға төзімді, бірақ өндіру біршама қиын, заттарды қаптау кезінде жоғары температураны қажет етеді. Екінші дәрежелі фтор құрамды полимерге фторолефин жатады, полимер құрамына фторсыз сомономер енгізілсе кристаллдану температурасы төмендейді. Жоғарыдағы PTFE, PVDF полимерлері кристаллды полимерлерге жатады, ерітілген күйде сыр ретінде қолданылады. Құрғақ жерде 230℃ температурада кристаллданады. Тефлон әдетте температураға төзімділігі үшін металл беттерін қаптап, коррозияға төзімді материалдар ретінде және ас пісіру қазанының ішкі қабырғасына отырғызып, лиофобты материал ретінде де қолданылады.
Құрылыс жұмыстары үшін 1982 жылы Жапонияда lumiflon деп аталатын фторолефин және винил эфирінің сополимерін қолданып фторлы мономерді ароматты көмірсутек және кетон еріткіштерінде ерітіп, фторлы полимерді жасап шығарды. Оны темпетатураға төзімді материал ретінде ластанбайтын қасиетіне қарап қолданды.
1.2.4 Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы
FEVE түріндегі мономер, фторлы акрилат шайыры және тізбектелген цианаттар мен изоцианаттардың ортақ ерігіштілігі бар, әдетте қыздыру барысында кристаллданады. Құрылыс материалы ретінде қолдануға тиімді. Ұлыбритания Desoto компаниясы ХХ ғасырдың 90 жылдарынан бастап фторлы шайырды ұшақтың сыртқы бояғышы ретінде қолданған, 20 жылдан кейін қазіргі полиуретанды сырлар бір есеге артты. Жапония авиациялық сырды зерттей келе, полиуретанды жүйелердің 150℃ температураға дейін шыдамдылығын ашты. Жапония жоғары дәрежелі сыр өндіру компаниясы және Жапония Fuji Heavy компаниясы бірлесіп, жаңа зат ойлап тапты. Силикатты шайырды полиуретанға қосып, жоғары температуралы радиоактивті сыр өндірді. Жапония Asahi Glas компаниясы LUMIFLON түріндегі бояғыш сырды жасады (12-сурет).
Cурет 12. LUMIFLON түріндегі гидрофобты бояғыш сыр
Негізінен фтор қоспалы полимерлер ертеректен бастап авиация жұмыстарына қолданылған. Ұшақта гидрофобты материалдар қолданылса, ұшақтың мұздануға қарсы жүйеге көмегін тигізіп қана қоймай, комплексті коррозияға қарсы қасиет көрсетеді. Мұздануға қарсы жүйеге супергидрофобты материалдардың әсерін зерттеуді АҚШ профессоры Amirfazli ұсынған. Оның идеясы ұшақтың мұздануға қарсы жүйесіндегі энергия шығымына гидрофобты материалдардың әсерін зерттеу.
Бұл зерттеу жұмыстары қазірге дейін аэродинамикалық трубада ұшақтың ұшу моделін қолданып, дүние жүзінде 10-ға жуық рет тәжірибеден өткізілген, жұмыстың мақсаты, әдеттегі қанат беті мен супергидрофобты қанат бетінің мұздану жағдайын салыстыру.
2.ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Судың физикалық қасиеті
Ұшақтағы мұздану процессі судың қасиеттеріне тығыз байланысты болады. Таза су -- түссіз, иіссіз, дәмсіз сұйықтық. Қалыпты қысымда 100°С-та қайнайды да, 0°С-да мұзға (р=0,92 гсм3) айналады. Жылу сиымдылық жағынан ең жоғары сұйықтық болып есептеледі. Оның құрамы сутек және оттек атомдарынан тұрады, бір оттек атомына екі сутек атомы шамамен 1050 арқылы қосылған (13-сурет ), сондықтан су өте бейтарап зат [10].
Cурет 13. Cудың геометриялық құрылымы
Судың электрондық құрлымы: оттек:
сутек:
Сурет 14. Cудың геометриялық кеңістіктегі формасы
Судың агрегадттық күйі, қайнау температурасы, қату температурасы қысымға байланысты әртүрлі болады. Ал тығыздығы температураға байланысты өзгеріп отырады (15-сурет).
Сурет 15. Cудың тығыздығының температураға тәуелділігі
Судың агрегаттылығы температураға байланысты өзгереді, судың жылу сиымдылығы өте жоғары болғандықтан сұйық күйден қатты мұз күйге ауысу барысында молекуланың реттілігі және бір біріне тартылу бағыты да өзгереді. Әдетте сұйық күйдегі су молекуласының бір бірімен тартылуы сутектік байланыс арқылы жүзеге асады, олардың арасы тетраэдр формалы болады (16-сурет), ол байланыстар үздіксіз қозғалыста болады, бұл байланыстар температураның жоғарылауына байланысты төмендейді (1-кесте) [11].
Температура （℃）
Координациялық сан
Молекулалар арасы (nm)
0
4
0.276
1.5
4.4
0.290
8.3
4.9
0.305
Сурет 16. Cұйық күйдегі су молекуласының өзара байланысу құрылымы
Сұйық күйдегі су молекуласы немесе су булары сутектік байланыспен байланысқан, су молекулалары арасындағы байланыс біршама әлсіз, сондықтан еркін қозғалғыштығы жоғары болады. Ал мұздану барысында судың қозғалғыштығы әлсірейді, ал сутектік байланыс біршама жоғарылап, кристалл пайда болып, тұрақты алты қырлы молекулалар шоғыры түзіледі (17-сурет). Ал молекула шоғырлары өзара бір біріне тартылу барысында шоғырлар арасында бостық пайда болады, сол себептен мұздану барысында судың көлемі артады.
Сурет 17. Cу молекулаларының бір біріне тартылып шоғыр түзілуі (A) және шоғырлардың өзара тартылып бостық жүйе түзілуі (B).
Түзілген бостық жүйелер арасында және тартылыс когезиясы пайда болады, кристаллдар бір біріне жақындап кристаллдың көлемін ұлғайтады, бұл процесс белгілі ретпен жүреді (18-сурет). Кристаллдар бір біріне үздіксіз тартыла береді, бұл процесстің себебі сутектік байланыстың шамасына байланысты. Кристаллдану уақытына байланысты кристаллдардың формасы да әр түрлі болады, бірақ кристаллдар негізінен алты қырлы болады [12].
Cурет 18. Бостық жүйелердің бір біріне тартылып кристалл формасын түзуі (A) және кристаллдану уақытына байланысты кристаллдардың формасының әртүрлі болып жиналуы (B) және кристалдардың когезиясы (C).
Түзілген толық кристаллдардың тұтқырлығы өте жоғары әрі суға қарағанда қатты денемен адгезиялануы да жоғары болады. Әсіресе тұманның адгезиясы өте жоғары. Себебі, тұман үш фазадан тұрады, дымқылдық құрамы мұзға қарағанда жоғары әрі құрлымы да мұздан күрделі. Құрамында судың үш түрлі агрегаты сақталған (19-сурет). Тұман төмен температуралы ауа райында пайда болады, ол ауа ағысы әсерінен жабысқақ күйге айналып , суық қатты денеге тигенде толық кристаллға айналып, әрі көлемін үлкейтіп адгезиясын бірте бірте арттырады. Ал сұйық күйдегі су ауа ағысы әсерінен алдымен қатты денеге адгезияланады, содан соң төмен температура әсерінен кристаллданады.
Сурет 19. Тұманның құрамы. Қатты (A), сұйық (B), газ (C) күйдегі су
Кристаллдану барысында егер жанасқан қатты бетке әр түрлі тереңдікте жанасқан болса, көлем өзгерту барысында адгезия жұмысы артады, мұз қату жоғары болады.
Мұздың құрлысы кристаллдардың қабат бойынша орналасуына байланысты өседі, алты қырлы кристаллдардың арасында когезия күші болғандықтан бір бірімен қосылып, күрделі кристалл торын түзеді (20-сурет). Бірақ әр қабат арасындағы тартылыс күш әр қабаттағы кристаллды құрайтын жүйе арасындағы тартылыс күшке қарағанда өте әлсіз болады.
Cурет 20. Мұздың кристалл қабатының өсуі. Төбесінен қарағанда (a) және жанынан қарағанда (b).
Мұз түзілу кинетикасын Masakazu Matsumoto 230K температурада зерттеген. Мұздың кристаллдануы негзінен төрт бөлімнен тұрады [13,14].
1) Тыныштықтағы химиялық потенциалдың тұрақты уақыты
（t＝256 - 290 ns）;
2) Қысқа уақытты химиялық потенциалдың уақыты （t＝290－320ns）;
3) Қысқа уақытты химиялық потенциалдың үдеу уақыты
（t＝320－360ns）;
2) Тоқтау уақыты, химиялық потенциялдың тұрақтануы кезінде мұз толық түзіледі （t＞360ns）.
2.2 Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы
Ұшақтың ұшуы негізінен ауа тұтқырлығымен өте тығыз байланысты болатындықтан аэродинамикалық параметрлер гидродинамиканың заңына бағынады. Гидродинамика көмегімен сұйықтықтың жалпы қасиеттеріне механиканың негізгі заңдары мен тәсілдерін қолдана отырып, сұйықтық алып жатқан тұтас ортаның кез келген нүктесінің жылдамдығы, қысымы тәрізді өлшемдер анықталады. Гидродинамика көмегімен сұйықтықтың жалпы қасиеттеріне механиканың негізгі заңдары мен тәсілдерін қолдана отырып, сұйықтық алып жатқан тұтас ортаның кез келген нүктесінің жылдамдығы, қысымы тәрізді өлшемдер анықталады [15].
Гидродинамиканың негізгі тәсілдері дыбыс жылдамдығынан (шамамен 330 мсx1200 кмсағ) жылдамдығы төмен газ қасиеттерін зерттеу үшін де пайдаланылады. Гидродинамика теориялық гидродинамика және эксперименттік гидродинамика болып екіге бөлінеді. Теориялық гидродинамикада сұйықтықтың жеке бөлшектері сұйық орналасқан тұтас ортаның материалдық нүктелері ретінде қарастырылады немесе сұйықтық алып жатқан кеңістіктегі жылдамдықтар өрісі зерттеледі. Гидродинамика тұрғысынан алғанда сұйықтықтың ең басты қасиеті - аққыштық пен тұтастық. Сұйықтықтың газ тәріздес ортадан негізгі айырмашылығы - оның сығылмайтындығы. Мұндай сұйықтықтар үшін үзіліссіздік теңдеуі мен Навье-Стокс теңдеуі қолданылады. Тұтқыр сұйықтық қозғалысы қарастырылғанда, ағыс сипаттамасы болып табылатын өлшемсіз шама - Рейнольдс саны қолданылады. Эксперименттік гидродинамика тәсілдерінің қатарына сұйықтық қозғалысы мен оған шекаралас орналасқан қатты дене маңындағы ағысты кішірейтілген масштабта қайта жасап алуға негізделген модельдеу тәсілдері жатады. Гидродинамиканың көптеген есептерін шешуге ұқсастық теориясы мен ұқсастық өлшеміне негізделген гидродинамикалық тәжірибелер де қолданылады. Гидродинамика әдістері гидравлика, гидрология және гидротех. есептерін шығаруды, гидротурбинаны, сорғыларды, құбырларды, т.б. есептеуді табысты шешуге мүмкіндік береді [16,17,18]. Гидродинамиканың аэродинамикаға байланысты параметрлері қысымға, температураға, жылдамдыққа тәуелді болады. Негізгі теңдеулері :
Қозғалатын жүйеде, мысал ұшақтың ұшуы кезінде негізгі теңдеулер интегралды форма және дифференциалды форма болып екіге бөлінеді. Интегралды форма басқару жүйесі және басқару беті арасындағы интеграл арқылы аққыш дене мен физикалық күш арасындағы интегралды байланысты көрсетеді. Ал дифференциалды форма шексіз кіші басқару жүйесі немесе жүйенің тікелей формасында кез келген нүктедегі аққыш дене мен физикалық күштер арасындағы дифференциалды байланысты көрсетеді. Интегралды форманың формулалары арқылы тұтас дененің қасиеттерінің байланыстарын шешуге болады, мысалы аққыш дене мен физикалық күш арасындағы қорытқы күшімен жалпы энергиялардың алмасуы. Дифференциалды форманы шешуде немесе шексіз кіші басқару жүйесінен туындаған интегралды форманы шешуде қолданылатын негізгі формуламен аққыш дененің детальін және аққыш дененің әр нүктесіндегі физикалық күшті табуға болады.
Интегралды форманың негізгі формулалары: үздіксіз формула, импульстік формула, мезеттік импульс формуласы және энергиялық формула болады.
1) Үздіксіз формула, ол бірлік уақыт ішінде аққыш дененің басқару органының сапасы ішкі массасының артуына тең болады. Ол массалар сақталу заңына байланысты шыққан. Математикалық формуласы：
Мұндағы, v-жылдамдық; ρ- тығыздық；τ- басқару органының көлемі；A- басқару органының ауданы; n- dA басқару бетіндегі сызықтық бағыттау саны (21-сурет). Әдетте ағыс барысында теңдеудің оң жағы нольге тең болады. Бұл кезде түтікше параметрі (22-сурет) төмендегідей болады:
ρ1v1A1=ρ2v2A2
бұл жерде ρ1, v1, ρ2, v2 парамертлері A 1 және A2 беттегі аққыш дененің тығыздығы мен жылдамдығы.
Сурет 21. Интегралды теңдеудің негізгі параметрлері
Сурет 22. Түтік ішіндегі аққыш дененің қозғалыс параметрі
2) Импульс теңдеуі. Бірлік уақыт ішінде басқару органына енген импульс және басқару бетіндегі сыртқы күштің қосындысы басқару органы ішіндегі энергияның артуына тең болады. Ол импульстің сақталу заңына бағынады. Математикалық жолмен төмендегідей болады.
Мұндағы, - dA басқару бетіне түсірілген сыртқы күш, f-dτ басқару бетіне түсірілген сыртқы күш, көбінесе ауырлық күші қарастырылады. Әдетте теңдеудің оң жағы нольге тең болады. Импульстік теңдеу көбінесе аққыш дене мен сыртқы ортаның әсерлесу күшін есептейді.
3) Мезеттік импульс теңдеуі. Бірлік уақыт ішінде аққыш дененің басқарушы денеге ағып кіру импульсі және басқарушы дене мен басқарушы беттегі сыртқы күштің белгілі санақ нүктесіндегі импульс мезеттігінің қосындысы, бұл басқарушы денедегі ұқсас бір нүктедегі импульс мезеттігінің артуына тең болады. Ол импульс мезеттілігінің сақталу заңынан шыққан. Математикалық формуласы төмендегідей:
Мұндағы, r- белгілі санақ нүктесінің "0"бастапқы нүктеден dA басқару бетіне немесе dτ басқару бетіне барудағы векторы. Әдетте теңдеудің оң жағы нольге тең болады. Ол трубомашиналы теңдеуден шыққан.
4) Энергия теңдеуі. Белгілі бірлік уақыт ішіндегі басқарушы денеге ағып кірген әртүрлі энергия және сыртқы күштердің жұмысының қосындысы, Бұл басқарушы дене ішкі энергиясының артуына тең. Ол энергиялар сақталу заңына бағынады. Математикалық формуласы төмендегідей.
Мұндағы, qλ -бірлік уақыт ішіндегі бірлік аудандағы, dA басқарушы бетіндегі тасымалданған энергия. qR -бірлік уақыт ішіндегі бірлік массаның dτ басқарушы бетте алынған тасымалданбаған энергия. Ол сәулелену энергиясын, химиялық реакциядан шыққан энергияны қамтиды. E-бірлік массадағы аққыш дененің ішкі толық энергиясы. Ол энергиялар ғылымындағы ішкі энергия, электромагниттік энергия сияқтыларды қамтиды. Гравитация аумағындағы адгезиясыз аққыш дененің адиабатылық ағуы жоғарғы формуладан Бернулле теңдеуін келтіріп шығарсақ болады:
Мұндағы ｐқысым күш, z санақ бетінің биіктігі. формуладан бірлік массаның жалпы энаргиясын, ішкі энергиясын, кинетикалық энергиясын, қысым кұш потенциал энергиясын білуге болады. Бұл формуланың физикалық мәні: бірлік уақыт ішінде басқарушы денеге кірген және шыққан жалпы энергиялар өзара тең.
Дифференциалды форманың негізгі формулалары. Негізінен үздіксіз формула, қозғалыс формуласы, энергиялар формуласын қамтиды.
1) Үздіксіз формула. Аққыш дененің массалар сақталу заңынын шыққан. Ол тікбұрыштар координаттық жүйесінде былай өрнектеледі:
Мұндағы u, v, w-x,y,z бағыттарының жылдамдық компоненттері.
2) Қозғалыс формуласы. Бұл аққыш денелерге байланысты Ньютонның екінші заңынан келіп шыққан. Тұтқырсыз аққыш дененің қозғалыс теңдеуі ол Эйлер теңдеуі болып саналады. Ньютонның аққыш денелер теңдеуі - ол Навье - Стокс теңдеуі болып саналады.
3) Энергиялар формуласы. Ол аққыш денелердің энергиялар сақталу заңына байланысты екенін көрсететін формула. Тұтқырсыз сұйықтардың энергиялар формуласы төмендегідей:
Бұл аққыш дененің ішкі энергиясының артуы мен қайтымды көлем ұлғаю жұмысының қосындысы сәулелену энергиясына тең болатынын көрсетеді. Мұндағы кері сан бөліктің нәтижесі. Ньютонның аққыш денелер формуласы тік бұрыштар координаттар жүйесінде былай өрнектеледі.
Бұл аққыш денелер ішкі энаргиясының артуы мен қайтымды көлем ұлғайту жұмысының қосындысы сәулелену энергиясына тең болатынын көрсетеді, жылу өткізгіштік және тұтқырлы ыдыратушы жұмыстың қосындысы. Мұндағы k-жылутасымалдау жылдамдығы, T-температура, Ф-ыдыратушы функция, ол бірлік уақыт ішіндегі бірлік массадағы аққыш дененің тұтқырлығы арқылы ыдырататын механикалық жұмысы, ол аққыш дененің ішкі энергиясы болып саналады. Гидродинамиканың кейбір заңдарына аэродинамика ғылымы да бағынады. Ұшақтың ұшу барысы ауа тұтқырлыңына, яғни судың орташа концентрациясында өтетіндіктен гидродинамикалық заңға бағынады.
Аэродинамика-ол газ тәрізді ортаның қозғалысының және оның акқыш денемен өзара әрекетінің зандарын зерделейтін механика ғылымы. Авиация, ракета, артиллерия кезінде кеңінен қолданылады. Аэродинамика теориялық (газ қозғалысының зандылығын және оның денеге ықпал етуін зерделейді) және эксперименттік (газ қозғалысын және оның айнала ағу денелерімен, атап айтқанда, аэродинамикалық трубалар модельдеріндегі немесе ұшу аппараттарында өзара әрекетін зерттейді) болып бөлінеді. Аэродинамиканың негізгі мақсаты -- қозғалыстағы денеге газ әсер ету кезінде пайда болатын күш пен жағдайды, ұшу аппараттарының аэродинамикалық сипатқа ие болуын зерттеу.
Рейнольдс саны -- инерциялық күш пен тұтқырлық күш арасындағы қатынасты зерттейтін, тұтқыр сұйықтық пен газ ағысының ұқсастық критерилерінің бірі:
Мұндағы, -тығыздық, кгм[3];- ағынның жылдамдығы, мс;- ағынның сызықтық өлшемі, м; -газ немесе сұйықтық тұтқырлығының динамик коэффициенті, Н·см[2]. Сұйықтық ағысының режимі кризистік Рейнольдс саны (Reкр) арқылы сипатталады. Егер Рейнольдс саны өзінің кризистік мәнінен төмен болса (ReReк), онда сұйықтық ағысы ламинарлық ағысқа, жоғары болса (ReReк) турбуленттік ағысқа жатады. Мысалы, дөңгелек цилиндр құбырдағы тұтқыр сұйықтықтың ағысы үшін Reкр=2300 [19]. Гидромеханика және газ механикасының негізгі есептерінің, ұшақтар мен ракеталардың реактивті қозғалтқыштарында, сұйық пен газдың ағысында туатын гидравликалық кедергілерді есептеу болады. Сұйықтың қозғалысы құбырдың кіруі мен шығуында қысымның өзгерісі ықпалымен болады. Қысымның осы өзгерісінің бір бөлігі қозғалыстағы затты айдау мен көтеруге кетеді, ал басқа бөлігі әр түрлі гидравликалық кедергілерді жеңуге кетеді. Гидравликалық қысымды жеңуге жұмсалатын қысым өзгерісінің бөлімі жоғалған қысым немесе қысым шығындары Λрпот деп аталады. Ұзындығы бойынша кедергілер құбырдың бүкіл ұзындығы бойынша гидравликалық үйкеліс түрінде бірдей бөлінген. Орташа жылдамдықтың мәні мен жылдамдықтардың бөлінуі құбырдың ұзындығы бойынша өзгермей қалса, онда қысымның таза күйдегі үйкеліске шығындары тұрақты қималы тура құбырларда сұйықтың біркелкі қозғалысында орын алады. Қысымның үйкеліске шығындары Дарси-Вейсбах формуласы арқылы анықталады:
Λртр=λldэ*ρw22,
мұнда λ-гидравликалық үйкеліс коэфиценті; l-құбыр ұзындығы,м.; dэ - каналдың эквиваленттік диаметрі,м.; ρ-тығыздығы, кгм3; w-қима бойынша орташа жылдамдық, мс.
Гидравликалық үйкеліс коэффиценті λ жалпы жағдайда Рейнольдс санына және салыстырмалы дөрекілікке Λd-ге байланысты болады, яғни
λ=f(Re, Λdэ)
мұндағы, Λ-эквиваленттік абсолюттік дөрекілік.
Бернулли теңдеуі - гидромеханиканың негізгі теңдеулерінің бірі. Бұл теңдеуді Швейцариялық ғалым Д.Бернулли (1700 -- 1782) өзінің 1738 жылы тұжырымдалған. Төмендегіше өрнектеледі:
-сұйықтық тығыздығы, -сұйықтық жылдамдығы, -белгілі бір горизонталь жазықтықтан бастап есептелетін сұйықтық бөлшектерінің биіктігі, -сұйықтық қысымы, - еркін түсу үдеуі. Теңдеудің сол жағындағы алғашқы екі мүшесінің қосындысы сұйықтықтың (бірлік массаға қатысты) толық потенциалдық энергиясына, ал үшінші мүшесі сұйықтықтың кинетикалық энергиясына тең. Теңдеу қозғалыстағы сұйық ағыны үшін механикалық энергияның сақталу заңын өрнектейді. - р және һ арасындағы негізгі тәуелділікті белгілейді. Теңдеуді төмендегіше түрде де өрнектеуге болады:
(a) және оны (b) деп өрнектеуге болады.
мұндағы m = -- сұйықтықтың меншікті салмағы. (a) теңдіктегі барлық қосылғыштың ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Тақырыбы:СУПЕРГИДРОФОБТЫ БЕТТІҢ МҰЗДАНУҒА ҚАРСЫ ЖҮЙЕГЕ ӘСЕРІ
РЕФЕРАТ
Бітіру жұмысы кіріспе, әдеби шолу, негізгі бөлім, тәжірибелік бөлім, қорытынды және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Жұмыс 53 беттен, 57 суреттен, 1 кестеден, 37 қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
Түйін сөздер: МҰЗ, ҰШАҚ, СУПЕРГИДРОФОБ, ТЕФЛОН, ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИД, АЛЮМИНИЙ, АЭРОДИНАМИКА
Зерттеу нысандары: супергидрофобты беттегі судың жұғу бұрышы және сырғу бұрышы, аэродинамикалық трубадағы ауаның жылдамдығы және бағыты, -18℃ температурада әдеттегі және супергидрофобты қанат бетіне мұздың жиналу механизмі және жылдамдығы.
Жұмыстың мақсаты: қазіргі кезде өзекті мәселелердің бірі болған мұздану мәселесі, яғни, ұшақ қанатының бетіне жиналатын мұзды біржақты ету шараларын зерттеу, оған супергидрофобты беттің көмегінің шамасын зерттеу.
Зерттеудің маңызы: анемометр қондырғысы арқылы аэродинамикалық трубаның ішіндегі ауа жылдамдығын зерттеу, су тамшысын супергидрофобты бетке тамызып жұғу бұрышын зерттеу, түтін арқылы ауаның труба ішіндегі қозғалу бағытын зерттеу, -18℃ температурада аэродинамикалық труба ішіндегі қанат бетіне жиналған мұздың салмағын өлшеу әрі екі түрлі қанат бетіндегі мұздың жиналу уақытын салыстыру.
ҚЫСҚАРТЫЛҒАН СӨЗДЕР ТІЗІМІ
ПФС - полифениленсульфиді
ПТФЭ - политетрафторэтилен ( тефлон)
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
7
1
ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1
Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері
5
1.1.1
Мұзданудың ұшақ аэродинамикасына әсері
6
1.1.2
Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері
7
1.1.3
Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері
8
1.2
Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы
9
1.2.1
Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс-шаралар
9
1.2.2
Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар
11
1.2.3
Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы
13
1.2.4
Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы
14
2
ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
16
2.1
Судың физикалық қасиеті
16
2.2
Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы
20
2.3
Аэродинамикалық труба
27
2.4
Адгезия және когезия, беттік керілу
30
2.5
Супергидрофобты беттің физикалық негізі
31
3
ТӘЖІРИБЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ
36
3.1
Тефлонның физикалық және химиялық қасиеті
36
3.2
Полифениленсульфидінің физико-химиялық қасиеті
38
3.3
ПТФЭ - ПФС қоспасындағы супергидрофобты қанат бетін алудың тәжірибелік әдісі
40
3.4
Төмен жылдамдықтағы аэродинамикалық трубаның жасалу жолы
43
3.5
Ұшақтың ұшу модельін аэродинамикалық трубада жасау және әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайын салыстыру
46
ҚОРЫТЫНДЫ
49
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
52
КІРІСПЕ
Қазіргі кезде мұздану мәселесі дүниедегі өзекті мәселелердің бірі болып отыр. Мұздану мәселесі тасымалдау трубаларында, антенналарда және авиацияда болады. Авиацияда, яғни ұшақтың ұшуы кезінде атмосферадағы ауа тұтқырлығының жоғары болу себебінен, ауа ылғалдығынан, температураның төмен болу факторларынан мұздану жоғары болады. Ұшақ аспан кеңістігінде ұшу барысында ұшақ сыртқы бетінде мұз жиналу процесі болады. Ұшақ сыртына мұз жиналу негізінен екі түрлі болады: біріншісі, кеңістіктегі су буының ұшақ беткі қабатымен тікелей жанасу арқылы мұз түзу. Екіншісі, ауа құрамындағы су тамшыларының жартылай кристалдары (тұман,бұлт) біршама тұрақсыз келеді, олар қатты денеге тигенде адгезиясы біршама жоғары болады да, толық кристалға айналады. Ұшақ қанатына жиналған мұз ұшақтың ұшуы кезінде көптеген кедергілерді туғызады. Мысалы, ұшақтың өзін-өзі көтеріп ұшу күшін азайтып, ұшақ тепе-теңдігін бұзады. Сондықтан, қазіргі кезде көптеген әдістер мұзды жоюға қолданылуда. Қолданылатын әдістердің ішінде қанат ішіндегі қыздыру жүйесі жатады. Ұшақ бетіне жиналған мұзды қыздыру энергиясы арқылы ерітіп, қанат бетін тазартып отырады. Бірақ энергия шығымы көп жұмсалады. Осы себептерге негізделіп энергиялық шығымды азайту мақсатында мұзбен адгезиясы төмен, яғни супергидрофобты бетті қанат бетіне қаптау арқылы мұздан арылу жолын қарастырамыз. Жұмыс барысында әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің моделін жасап, оларды ұшақтың ұшу моделі, яғни аэродинамикалық трубада тәжірибеден өткіземіз және оларды салыстыра отырып, супергидрофобты беттің мұздануға қарсы жүйеге тигізетін көмегін бақылаймыз. Бұл жағдайда аэродинамикалық труба ішіндегі ауа ағысын ламинарлы ағыс ретінде жағдай жасап, труба ішіне қанатты қойып, эксперимент жүргіземіз. Қанат бетіне қатқан мұздың қандай параметрлерге тәуелді екенін зеттейміз.
1.ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Ұшақ қанатындағы мұздану мәселесі ,мұзданудың ұшақ ұшуы кезіндегі туғызатын кедергілері
Ұшақ жер бетінен көтерілу кезінде температура (OAT)=5℃ немесе ұшу барысындағы ауа температурасы (TAT)=7℃ болғанда , сонымен қатар судың қандай да бір фазасының әсерінен (мысалы, қар, жаңбыр, тұман) мұз қату шарты толықтанады. Бірақ ұшақтың сыртқы бетіндегі мұз қату жағдайы ауа ағысының жанасу орнының ұқсамауына байланысты ол да басқаша болады. Кей жерлерге мұз дұрыс қатпайды (мысалы, ұшақ қанатының артқы бөлігіне және ұшақ құйрығына). Ұшу барысында мұздану әдетте ұшақ қанатының алдыңғы бөлігінде, ұшақ басында, айналғыш парақта біршама ауыр болады. Әр жерде түзілген мұз кристаллдарының құрамында үлкен өзгешеліктер болады, қатты кристал және бос күйдегі қыраулар да болуы мүмкін. 1-суретте көрсетілгендей қанат алдыңғы бөлігінде де екі түрлі мұз қату жағдайы болады.[1,2]
Cурет 1. Қанаттың алдыңғы бетіндегі мұз қату жағдайлары
Ұшақ сыртына жиналған мұз қабаты ұшақтың механикалық қозғалысына үлкен әсер етеді, .ұшақ жылдамдығына қарама-қарсы бағыттағы ауа ағысының жүру бағытын өзгертеді, сонымен қатар ұшақ жылдамдығын азайтады және тепе-теңдігіне әсер етеді (2-суретте көрсетілгендей).
A:ауа ағысының қалыпты қозғалысы B: ауа ағысының трублентті қозғалыс жасауы
Cурет 2. Мұз қатудан бұрынғы (A) және мұз қатқаннан кейінгі (B) ауа ағысының ұшақ қанаты бетімен қозғалу бағыты (жанынан қарағанда).
Қанаттың мұздануының қозғалысқа әсері. Әдеттегі жағдайда қанаттың мұздануы ұшақтың аэродинамикалық қасиетіне үлкен әсерін тигізеді, ұшу үдеуін азайтып, жылдамдық азаю үдеуін жоғарылатады. Сандық коэффициентінің дәрежесіне, бірнеше қозғалыс параметрлеріне әсер етіп ,ұшу барысындағы математикалық модель функциясын бұзады, ұшқыштың басқаруы қиынға соғады.
1.1.1 Мұзданудың ұшақ аэродинамикасына әсері
Бұл әсерді бірнеше жақтан қорытындылауға болады: (3-сурет).
1) түзілген мұз сыртының α бұрышына байланысты аэродинамикалық жылдамдықтың азаюы болады.
2) максималды аэродинамикалық үдеудің азаюы болады
3) жылдамдық азаю бұрышы азаяды.
Cурет 3. Аэродинамика жылдамдығының CL ұшақ қозғалыс бағыт бұрышына α тәуелділігі
Максимальды аэродинамикалық коэффициент мұздың қалыңдығына және құрылысына тәуелді (4-суретте көрсетілгендей). Ең маңыздысы мұз қалыңдығы бірнеше милиметрге артса жылдамдық үдеуін жартысындай дәрежеде азайтады, яғни мұздың аз мөлшері ұшақ тепе-теңдігіне зор әсер етеді.
Cурет 4. Мұз құрылысының максимальды аэродинамикалық жылдамдыққа әсері
Жоғарыдағы график арқылы мұз қатқаннан кейінгі ұшақ аэродинамикасы 25-40%-ға азаятынын түсінуге болады. Жылдамдық азайту бұрышы 5°～7°-ға азаяды. Бұл арқылы жылдамдық қосу үдеуі 25%-ға азайса, жылдамдық азайту үдеуі 75%-ға жоғарылайды. Яғни, Vs2VsO2 = 10.75, жылдамдық азаю үдеуі
Vs =1.1547VsO . Жылдамдық азайту үдеуі 15%-ға артады, ал жылдамдық үдеуі 40%-ға жоғарылайды.[3]
1.1.2 Мұздану процесінің полярлы қисыққа әсері
1) α бұрышына байланысты кедергі күш CD артады;
2) аэродинамикалық коэффициентке CL байланысты кедергі күш CD те артады;
3) жоғары аэродинамикалық үдеу жылдамдық төмендеу үдеуінің минимальды мәнінде байқалады.
Cурет 5. Мұзданудың полярлы қисыққа әсер етуі
1.1.3 Мұзданудың ұшақ ұшу бағытына әсері.
Қазіргі кезде кең қолданылатын турбореактивті ұшақтың ұшу биіктігі шамамен 9000m айналасында болады. Төмен биіктікте ұшақтың мұздану мүмкіншілігі біршама төмен, бірақ көтерілу барысындағы жиналған мұз ұшақтың көтерілу энергия шығымын жоғарылатады. W = ρV2CLS2 формуласы бойынша және D =ρV2CDS2 бойынша кедергі күш ұшақтың ұшу барысындағы ауа ағысына түсірген қысым күшке байланысты өседі. Яғни D = WK . Мұндағы K- аэродинамикалық константа. Егер максимальды аэродинамикалық жылдамдық азайса, минимальды кедергі күш жоғарылайды (6-суретте көрсетілгендей). Жылдамдық азайту үдеуі мұздың жиналу шамасына байланысты өседі, максимальды бірқалыпты қозғалу жылдамдығы азаяды [4].
Cурет 6. Мұздану жағдайының қажетті сүйреу күшіне әсері
1.2 Ұшақ қанатын супергидрофобты материалмен қаптаудың маңызы
Ұшақ кеңістікте ұшу барысында Маха критерийі бойынша мұздану метеорологиялық шартынан кіші болғанда ұшақтың кейбір сыртқы бетінде ауа ағысы құрамындағы сумен соқтығысады, осылайша мұз бірте-бірте жинала бастайды. Көптеген зерттеу жұмыстары бойынша ұшақтың негізгі бөліктерінде жиналған мұз кристаллы аз мөлшерде болса да, бірақ ұшақтың ауырлық күші арта түскендіктен ұшақтың тепе-теңдігі нашарлай бастайды. Ең ауыр жағдай кеңістіктегі төмен температура әсерінен ұшақтың ауа кіру аузында және қанаттың алдыңғы жағында мұздың қатуы. Негізінен ұшақтың бірнеше бөлігінде мұз қату біршама ауыр болады: ұшақ қанаты, горизонталь стабилизатор, вертикальді сабилизатор алдыңғы жағы, температура датчигі, айналу парағы сияқтылар (7-суретте көрсетілгендей). [18][20]
Сурет 7. Ұшақтың мұз қататын негізгі бөліктері.
1.Температуралық датчиктегі мұз қату 2. Көру әйнегіндегі мұз қату 3. Қанат алдындағы мұз қату 4. Артқы тепе-теңдік құйрығындағы мұз қату 5. Айналу парағына жабысқан мұз 6. Жел өткізгіш труба ернеуіндегі мұз
1.2.1 Қазіргі кездегі ұшақтағы мұздануға қарсы жүргізілетін іс-шаралар:
1) Двигатель компрессормен үрленетін ыстық жел арқылы мұз еріту: бұл көбінесе қанатта, ұшақ құйрық бөлігінің алдынғы жағына, двигательге ауа кіргізу аузына қолданылады. Бұл әдіс ыстық ауа көмегімен жартылай кристалл немесе толық кристаллданған мұзды буға айналдырып, сыртқы қабатты тазалап отырады. Сонымен қатар төмен температуралы ауа ағысын жылытып, ұшақтың сыртқы бетімен адгезиясының алдын алады.
2) Шар цикл әдісімен мұздан ажырату әдісі: двигательден шыққан ытық ауа әсерімен пневматикалық каналға ыстық жел жіберіп, шар циклын ұлғайтып және қысу арқылы механикалық күш туғызу, күштің әсерінен мұздың адгезиясы жойылады. Бұл әдіс қанат бөлікте және құйрық бөлікте қолданылады. Бұл әдісте қажетті ыстық ауа энергиясы бірінші әдіске қарағанда біршама аз болады. жылу энергиясы жеткіліксіз жағдайда көлем өзгерту әдісімен мұздан ажыратылуға мүкіндік береді.
3) Электр жылуы арқылы мұзданудың алдын алу: бұл әдіс тұрақты электр жылуының әсерінен мұз кристаллдарын еріту болып табылады. Көбінесе спиральді айналу парағына орнатылады және қанат ішіне орнатылады. Электрлік жылу әдісінен басқа электрді үнемдейтін яғни уақытша қыздыру жүйесі де кеңінен қолданылады, электрлік импульс әдістері қатарлылар, кейде ульлтрадыбыс толқынын да қолдануға болады [7].
Жоғарыдағы әдістерден басқа қазіргі заманға сай энергия шығымының алдын алу мақсатында ұшақтың мұз қататын бөліктерін супергидрофобты материалмен жасау жолға қойылуда. Бұл әдістің артықшылықтары өте көп, энергия шығымын үнемдеп қана қоймай мұз қату уақытын ұзартуға болады және ұшақтың сыртқы металл материалдарының коррозиясынан сақтануға болады. Ұшақтағы жылыту жүйесі ток энергиясын пайдаланып жұмыс жасайды, құрылғысының негізгі бөлігі :жылу қыбылдау қанат беті, қыздыру пластинкасы, электродтардан тұрады. Төменгі қабатқа, яғни қанат бетіне жақын жиналған мұз кристаллдары қыздыру әсерінен суға айналып, адгезиясын азайтады (8-сурет).
Сурет 8. Қыздыру жүйесі 1.Қанат беті 2. Қыздыру пластинкасы 3. Электродтар
Қыздыру құрылғысынан басқа мұздануға қарсы жүйеде қанат бетіне шашатын мұздануға қарсы сұйықтықтар болады. Ұшақтардың ұшуы алдында сұйықтықтарды ұшақ сыртына шашады, беттік активті сұйықтық әсерінен мұз қанат бетіне жанаспайды (9-сурет), бірақ сұйықтықтың қолданылу уақыты біршама аз болады.
Cурет 9. Мұздануға қарсы беттік активті сұйқытық
1. Мұз 2. Беттік активті зат 3. Қанат беті
Мұздануға қарсы қазіргі кезде қолданылатын сұйықтықтар пропиленгликоль (C3H8O2) және этиленгликоль (C2H6O2). Қазіргі кезде қолданылу уақыты жағынан ұзақ беттік активті сұйықтар түрлері шықты. Мысалы, құрамында төмендегідей радикалдары бар заттар :
1.2.2 Ұшаққа қолданылатын гидрофобты материалдар
1) Гидрофобты материалдардың теориялық моделі: сұйықтықтың қатты бетке жұғу жағдайын Юнг теңдеуімен қарастырсақ , егер қатты бет пен сұйық арасындағы жұғу бұрышы үлкен болса адгезия жұмысының аз болғаны, яғни гидрофобты қасиетінің жоғары болғаны. Қатты дененің гидрофобты қасиеті мен беттік энергиясы өте тығыз байланыста болады. Қатты беттің беттік энергиясы төмен болса тыныш күйдегі су тамшысының жұғу бұрышы үлкен болады. Жұғу бұрышы 90° тан үлкен болғанда гидрофобты қасиет болғаны. Материалдардың ішінде органикалық кремний қосылыстары мен органикалық фтор қосылыстарында беттік энергия төмен болады. Құрамында фтор болатын топшалардың беттік энергиясы :
-- CH2 -- ＞ -- CH3＞ -- CF2 -- ＞ -- CF2H＞ -- CF3 бойынша солдан оңға қарай төмендейді. -- CF3 - тің беттік энергиясы шамамен 6.7mJm2. Қатты тегіс күйдегі материалында жұғу бұрышы ең үлкен болады. Дюпре формуласымен есептегенде жұғу бұрышы 115.20 болған. Ұзын тізбекті көмірсутектердің сумен жанасу бұрышы шамамен 1120 болады. Ретсіз орналасқан органикалық кремний және фтор полимерлерінің сумен жанасу бұрышы 101-1100 болған. Қатты дененің сумен жанасу бұрышы беттік қабаттағы құрылысқа байланысты, топшалардың диаметріне және сұйықтықтың беттік керілуіне тәуелді. Негізінен екі әдіс арқылы гидрофобты қасиетті жоғарлатуға болады, біріншісі - химиялық әдіс арқылы қатты беттің құрамын гидрофобты құрамға өзгерту, екіншісі - бетті дөрекі құрлымға келтіру, механикалық әдісті қолданамыз. Химиялық топшаларға байланысты тегіс беттің жұғу бұрышы шекті болады, 1200 - тан аспайды. Табиғатта көптеген өсімдік жапырақтарында супергидрофобты қасиет болады. Гидрофобты қасиеті ең жоғары болатын - ол лотус жапырағы, Германияның Бон университетінде Wbarthlot және Cneinhuis жүйесінде лотус құрамындағы өздігінен тазарту құбылысын зерттеген, зерттеу барысында беттік қабаттағы талшық өсінділерін байқаған, бұлардың гидрофобты қасиет беретінін түсінді. Cонымен қатар дөрекілік құрлымын байқаған, бұл құбылысты （Lotus-effect）деп атады. Қытай орталық зерттеу институтында Жян лей қатарлылар лотус жапырағында дөрекілік өсінділердің ара қашықтығы шамамен 5~9μm ал наноталшықтарының диаметрі 124.3+-3.2nm екенін байқаған (10-сурет). Бұл микроөлшемді және наноөлшемді құрылымның супергидрофобты қасиетке негізгі фактор екенін байқады. Беттегі дөрекілік құрылымның гидрофобты қасиетке маңыздылығы зор. Wenzel жұғу бұрышының формуласын ұсынды. Дөрекілік фактор r - ді енгізді (дөрекілік құрлымның реалды жағдайдағы ауданы мен геомертиялық проекция ауданының қатынасы, r=1).
Сурет 10. Лотус бетінің микроқұрлымы
Қатты дененің дөрекілік құрлымын арттырсақ , гидрофобты қасиетті
(θ＞90°болғанда cosθ теріс мәнге, θ＜90°болғанда cosθ оң мәнге ие болады. сондықтан дөрекілік құрлымдымды арттыру қажет) арттыруға болады, судың бетпен жұғу бұрышы 1500-тан жоғарылатып супергидрофобты қасиетке жеткіземіз. Wenzel принципіне негізделсек, қатты беттегі химиялық құрам мен физикалық құрылысты өзгертіп дөрекілік құрлымды өзгертсек, тек қана тыныш күйдегі су тамшысының жұғу бұрышы ғана емес судың домалау бұрышын өзгертуге болады, яғни судың қозғалыс бұрышын білуге болады.[8,9].
Cassie қатты дене мен сұйықтық арасындағы газ көпіршігінің негізін талқылап, Cassie's моделін және формуласын ортаға қойды. Мұнда f сұйықтықтың қатты беттегі жанасу үлесі. Супергидрофобты беттің негізі лотус жапырағына негізделген. Сұйықтың қатты бетпен жанасуы бірнеше түрлі болады (11-суретте көрсетілгендей).
Cурет 11. Cұйықтықтың қатты бетпен жанасу түрлері
1. Жазық беттегі 2. Wenzel моделі 3. Cassie's моделі
Сұйықтың қатты бетпен жанасу формуласы төмендегідей болады:
Бұл жерде: γSL、γSV ,γLV - қатты-сұйық, қатты-газ ,сұйық-газ беттік керілулері. Φ-тұрақты коэффициент, θS-жазық беттегі жанасу бұрышы, θr-дөрекі беттегі жанасу бұрышы, r-дөрекілік факторы, f-сұйықтың қатты беттегі аудандық үлесі.
Лотус эффектісінің қабықшасы үш түрлі жақтан сипатталады:
1) құрамында супергидрофобты қасиет болады;
2) үйлесімді дөрекілік дәрежесі болады;
3) төмен домалау бұрышы болады.
Екі түрлі әдістен лотус эффектісін алуға болады: Бірінші-жоғары гидрофобты материалдарды қосу, мысалы фтор, кремний қоспаларын қосу арқылы беттік энергияны азайту, адгезия жұмысын болдырмау. Екінші-.лотус беті сияқты дөңес, ойыс бетті әдеттегі бетте орнату, бетке бөгде заттардың жанасу ауданын азайту.
1.2.3 Құрамында фторы бар полимерлердің гидрофобты материал ретінде қолданылуы
1938 жылы АҚШ Дупонт химиялық компаниясы фтор қоспасындағы полимерін жетпіс жыл зерттеген, ертеректе зерттелген фтор қоспасындағы полимерлердің ішінде PTFE, PVDF сияқты бірінші дәрежелі фтор қоспалы жоғары молекулалы қосылыстарды бақылаған. Бұл заттардың құрылысы жағынан басқа полимерлерден ерекше, яғни, балқуға төзімді, химиялық тұрақты, жоғары температураға төзімді, бірақ өндіру біршама қиын, заттарды қаптау кезінде жоғары температураны қажет етеді. Екінші дәрежелі фтор құрамды полимерге фторолефин жатады, полимер құрамына фторсыз сомономер енгізілсе кристаллдану температурасы төмендейді. Жоғарыдағы PTFE, PVDF полимерлері кристаллды полимерлерге жатады, ерітілген күйде сыр ретінде қолданылады. Құрғақ жерде 230℃ температурада кристаллданады. Тефлон әдетте температураға төзімділігі үшін металл беттерін қаптап, коррозияға төзімді материалдар ретінде және ас пісіру қазанының ішкі қабырғасына отырғызып, лиофобты материал ретінде де қолданылады.
Құрылыс жұмыстары үшін 1982 жылы Жапонияда lumiflon деп аталатын фторолефин және винил эфирінің сополимерін қолданып фторлы мономерді ароматты көмірсутек және кетон еріткіштерінде ерітіп, фторлы полимерді жасап шығарды. Оны темпетатураға төзімді материал ретінде ластанбайтын қасиетіне қарап қолданды.
1.2.4 Фторлы полимерлердің ұшақтың мұздануға қарсы материалы ретінде қолданылуы және дамуы
FEVE түріндегі мономер, фторлы акрилат шайыры және тізбектелген цианаттар мен изоцианаттардың ортақ ерігіштілігі бар, әдетте қыздыру барысында кристаллданады. Құрылыс материалы ретінде қолдануға тиімді. Ұлыбритания Desoto компаниясы ХХ ғасырдың 90 жылдарынан бастап фторлы шайырды ұшақтың сыртқы бояғышы ретінде қолданған, 20 жылдан кейін қазіргі полиуретанды сырлар бір есеге артты. Жапония авиациялық сырды зерттей келе, полиуретанды жүйелердің 150℃ температураға дейін шыдамдылығын ашты. Жапония жоғары дәрежелі сыр өндіру компаниясы және Жапония Fuji Heavy компаниясы бірлесіп, жаңа зат ойлап тапты. Силикатты шайырды полиуретанға қосып, жоғары температуралы радиоактивті сыр өндірді. Жапония Asahi Glas компаниясы LUMIFLON түріндегі бояғыш сырды жасады (12-сурет).
Cурет 12. LUMIFLON түріндегі гидрофобты бояғыш сыр
Негізінен фтор қоспалы полимерлер ертеректен бастап авиация жұмыстарына қолданылған. Ұшақта гидрофобты материалдар қолданылса, ұшақтың мұздануға қарсы жүйеге көмегін тигізіп қана қоймай, комплексті коррозияға қарсы қасиет көрсетеді. Мұздануға қарсы жүйеге супергидрофобты материалдардың әсерін зерттеуді АҚШ профессоры Amirfazli ұсынған. Оның идеясы ұшақтың мұздануға қарсы жүйесіндегі энергия шығымына гидрофобты материалдардың әсерін зерттеу.
Бұл зерттеу жұмыстары қазірге дейін аэродинамикалық трубада ұшақтың ұшу моделін қолданып, дүние жүзінде 10-ға жуық рет тәжірибеден өткізілген, жұмыстың мақсаты, әдеттегі қанат беті мен супергидрофобты қанат бетінің мұздану жағдайын салыстыру.
2.ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Судың физикалық қасиеті
Ұшақтағы мұздану процессі судың қасиеттеріне тығыз байланысты болады. Таза су -- түссіз, иіссіз, дәмсіз сұйықтық. Қалыпты қысымда 100°С-та қайнайды да, 0°С-да мұзға (р=0,92 гсм3) айналады. Жылу сиымдылық жағынан ең жоғары сұйықтық болып есептеледі. Оның құрамы сутек және оттек атомдарынан тұрады, бір оттек атомына екі сутек атомы шамамен 1050 арқылы қосылған (13-сурет ), сондықтан су өте бейтарап зат [10].
Cурет 13. Cудың геометриялық құрылымы
Судың электрондық құрлымы: оттек:
сутек:
Сурет 14. Cудың геометриялық кеңістіктегі формасы
Судың агрегадттық күйі, қайнау температурасы, қату температурасы қысымға байланысты әртүрлі болады. Ал тығыздығы температураға байланысты өзгеріп отырады (15-сурет).
Сурет 15. Cудың тығыздығының температураға тәуелділігі
Судың агрегаттылығы температураға байланысты өзгереді, судың жылу сиымдылығы өте жоғары болғандықтан сұйық күйден қатты мұз күйге ауысу барысында молекуланың реттілігі және бір біріне тартылу бағыты да өзгереді. Әдетте сұйық күйдегі су молекуласының бір бірімен тартылуы сутектік байланыс арқылы жүзеге асады, олардың арасы тетраэдр формалы болады (16-сурет), ол байланыстар үздіксіз қозғалыста болады, бұл байланыстар температураның жоғарылауына байланысты төмендейді (1-кесте) [11].
Температура （℃）
Координациялық сан
Молекулалар арасы (nm)
0
4
0.276
1.5
4.4
0.290
8.3
4.9
0.305
Сурет 16. Cұйық күйдегі су молекуласының өзара байланысу құрылымы
Сұйық күйдегі су молекуласы немесе су булары сутектік байланыспен байланысқан, су молекулалары арасындағы байланыс біршама әлсіз, сондықтан еркін қозғалғыштығы жоғары болады. Ал мұздану барысында судың қозғалғыштығы әлсірейді, ал сутектік байланыс біршама жоғарылап, кристалл пайда болып, тұрақты алты қырлы молекулалар шоғыры түзіледі (17-сурет). Ал молекула шоғырлары өзара бір біріне тартылу барысында шоғырлар арасында бостық пайда болады, сол себептен мұздану барысында судың көлемі артады.
Сурет 17. Cу молекулаларының бір біріне тартылып шоғыр түзілуі (A) және шоғырлардың өзара тартылып бостық жүйе түзілуі (B).
Түзілген бостық жүйелер арасында және тартылыс когезиясы пайда болады, кристаллдар бір біріне жақындап кристаллдың көлемін ұлғайтады, бұл процесс белгілі ретпен жүреді (18-сурет). Кристаллдар бір біріне үздіксіз тартыла береді, бұл процесстің себебі сутектік байланыстың шамасына байланысты. Кристаллдану уақытына байланысты кристаллдардың формасы да әр түрлі болады, бірақ кристаллдар негізінен алты қырлы болады [12].
Cурет 18. Бостық жүйелердің бір біріне тартылып кристалл формасын түзуі (A) және кристаллдану уақытына байланысты кристаллдардың формасының әртүрлі болып жиналуы (B) және кристалдардың когезиясы (C).
Түзілген толық кристаллдардың тұтқырлығы өте жоғары әрі суға қарағанда қатты денемен адгезиялануы да жоғары болады. Әсіресе тұманның адгезиясы өте жоғары. Себебі, тұман үш фазадан тұрады, дымқылдық құрамы мұзға қарағанда жоғары әрі құрлымы да мұздан күрделі. Құрамында судың үш түрлі агрегаты сақталған (19-сурет). Тұман төмен температуралы ауа райында пайда болады, ол ауа ағысы әсерінен жабысқақ күйге айналып , суық қатты денеге тигенде толық кристаллға айналып, әрі көлемін үлкейтіп адгезиясын бірте бірте арттырады. Ал сұйық күйдегі су ауа ағысы әсерінен алдымен қатты денеге адгезияланады, содан соң төмен температура әсерінен кристаллданады.
Сурет 19. Тұманның құрамы. Қатты (A), сұйық (B), газ (C) күйдегі су
Кристаллдану барысында егер жанасқан қатты бетке әр түрлі тереңдікте жанасқан болса, көлем өзгерту барысында адгезия жұмысы артады, мұз қату жоғары болады.
Мұздың құрлысы кристаллдардың қабат бойынша орналасуына байланысты өседі, алты қырлы кристаллдардың арасында когезия күші болғандықтан бір бірімен қосылып, күрделі кристалл торын түзеді (20-сурет). Бірақ әр қабат арасындағы тартылыс күш әр қабаттағы кристаллды құрайтын жүйе арасындағы тартылыс күшке қарағанда өте әлсіз болады.
Cурет 20. Мұздың кристалл қабатының өсуі. Төбесінен қарағанда (a) және жанынан қарағанда (b).
Мұз түзілу кинетикасын Masakazu Matsumoto 230K температурада зерттеген. Мұздың кристаллдануы негзінен төрт бөлімнен тұрады [13,14].
1) Тыныштықтағы химиялық потенциалдың тұрақты уақыты
（t＝256 - 290 ns）;
2) Қысқа уақытты химиялық потенциалдың уақыты （t＝290－320ns）;
3) Қысқа уақытты химиялық потенциалдың үдеу уақыты
（t＝320－360ns）;
2) Тоқтау уақыты, химиялық потенциялдың тұрақтануы кезінде мұз толық түзіледі （t＞360ns）.
2.2 Гидродинамика және оның аэродинамикамен байланысы
Ұшақтың ұшуы негізінен ауа тұтқырлығымен өте тығыз байланысты болатындықтан аэродинамикалық параметрлер гидродинамиканың заңына бағынады. Гидродинамика көмегімен сұйықтықтың жалпы қасиеттеріне механиканың негізгі заңдары мен тәсілдерін қолдана отырып, сұйықтық алып жатқан тұтас ортаның кез келген нүктесінің жылдамдығы, қысымы тәрізді өлшемдер анықталады. Гидродинамика көмегімен сұйықтықтың жалпы қасиеттеріне механиканың негізгі заңдары мен тәсілдерін қолдана отырып, сұйықтық алып жатқан тұтас ортаның кез келген нүктесінің жылдамдығы, қысымы тәрізді өлшемдер анықталады [15].
Гидродинамиканың негізгі тәсілдері дыбыс жылдамдығынан (шамамен 330 мсx1200 кмсағ) жылдамдығы төмен газ қасиеттерін зерттеу үшін де пайдаланылады. Гидродинамика теориялық гидродинамика және эксперименттік гидродинамика болып екіге бөлінеді. Теориялық гидродинамикада сұйықтықтың жеке бөлшектері сұйық орналасқан тұтас ортаның материалдық нүктелері ретінде қарастырылады немесе сұйықтық алып жатқан кеңістіктегі жылдамдықтар өрісі зерттеледі. Гидродинамика тұрғысынан алғанда сұйықтықтың ең басты қасиеті - аққыштық пен тұтастық. Сұйықтықтың газ тәріздес ортадан негізгі айырмашылығы - оның сығылмайтындығы. Мұндай сұйықтықтар үшін үзіліссіздік теңдеуі мен Навье-Стокс теңдеуі қолданылады. Тұтқыр сұйықтық қозғалысы қарастырылғанда, ағыс сипаттамасы болып табылатын өлшемсіз шама - Рейнольдс саны қолданылады. Эксперименттік гидродинамика тәсілдерінің қатарына сұйықтық қозғалысы мен оған шекаралас орналасқан қатты дене маңындағы ағысты кішірейтілген масштабта қайта жасап алуға негізделген модельдеу тәсілдері жатады. Гидродинамиканың көптеген есептерін шешуге ұқсастық теориясы мен ұқсастық өлшеміне негізделген гидродинамикалық тәжірибелер де қолданылады. Гидродинамика әдістері гидравлика, гидрология және гидротех. есептерін шығаруды, гидротурбинаны, сорғыларды, құбырларды, т.б. есептеуді табысты шешуге мүмкіндік береді [16,17,18]. Гидродинамиканың аэродинамикаға байланысты параметрлері қысымға, температураға, жылдамдыққа тәуелді болады. Негізгі теңдеулері :
Қозғалатын жүйеде, мысал ұшақтың ұшуы кезінде негізгі теңдеулер интегралды форма және дифференциалды форма болып екіге бөлінеді. Интегралды форма басқару жүйесі және басқару беті арасындағы интеграл арқылы аққыш дене мен физикалық күш арасындағы интегралды байланысты көрсетеді. Ал дифференциалды форма шексіз кіші басқару жүйесі немесе жүйенің тікелей формасында кез келген нүктедегі аққыш дене мен физикалық күштер арасындағы дифференциалды байланысты көрсетеді. Интегралды форманың формулалары арқылы тұтас дененің қасиеттерінің байланыстарын шешуге болады, мысалы аққыш дене мен физикалық күш арасындағы қорытқы күшімен жалпы энергиялардың алмасуы. Дифференциалды форманы шешуде немесе шексіз кіші басқару жүйесінен туындаған интегралды форманы шешуде қолданылатын негізгі формуламен аққыш дененің детальін және аққыш дененің әр нүктесіндегі физикалық күшті табуға болады.
Интегралды форманың негізгі формулалары: үздіксіз формула, импульстік формула, мезеттік импульс формуласы және энергиялық формула болады.
1) Үздіксіз формула, ол бірлік уақыт ішінде аққыш дененің басқару органының сапасы ішкі массасының артуына тең болады. Ол массалар сақталу заңына байланысты шыққан. Математикалық формуласы：
Мұндағы, v-жылдамдық; ρ- тығыздық；τ- басқару органының көлемі；A- басқару органының ауданы; n- dA басқару бетіндегі сызықтық бағыттау саны (21-сурет). Әдетте ағыс барысында теңдеудің оң жағы нольге тең болады. Бұл кезде түтікше параметрі (22-сурет) төмендегідей болады:
ρ1v1A1=ρ2v2A2
бұл жерде ρ1, v1, ρ2, v2 парамертлері A 1 және A2 беттегі аққыш дененің тығыздығы мен жылдамдығы.
Сурет 21. Интегралды теңдеудің негізгі параметрлері
Сурет 22. Түтік ішіндегі аққыш дененің қозғалыс параметрі
2) Импульс теңдеуі. Бірлік уақыт ішінде басқару органына енген импульс және басқару бетіндегі сыртқы күштің қосындысы басқару органы ішіндегі энергияның артуына тең болады. Ол импульстің сақталу заңына бағынады. Математикалық жолмен төмендегідей болады.
Мұндағы, - dA басқару бетіне түсірілген сыртқы күш, f-dτ басқару бетіне түсірілген сыртқы күш, көбінесе ауырлық күші қарастырылады. Әдетте теңдеудің оң жағы нольге тең болады. Импульстік теңдеу көбінесе аққыш дене мен сыртқы ортаның әсерлесу күшін есептейді.
3) Мезеттік импульс теңдеуі. Бірлік уақыт ішінде аққыш дененің басқарушы денеге ағып кіру импульсі және басқарушы дене мен басқарушы беттегі сыртқы күштің белгілі санақ нүктесіндегі импульс мезеттігінің қосындысы, бұл басқарушы денедегі ұқсас бір нүктедегі импульс мезеттігінің артуына тең болады. Ол импульс мезеттілігінің сақталу заңынан шыққан. Математикалық формуласы төмендегідей:
Мұндағы, r- белгілі санақ нүктесінің "0"бастапқы нүктеден dA басқару бетіне немесе dτ басқару бетіне барудағы векторы. Әдетте теңдеудің оң жағы нольге тең болады. Ол трубомашиналы теңдеуден шыққан.
4) Энергия теңдеуі. Белгілі бірлік уақыт ішіндегі басқарушы денеге ағып кірген әртүрлі энергия және сыртқы күштердің жұмысының қосындысы, Бұл басқарушы дене ішкі энергиясының артуына тең. Ол энергиялар сақталу заңына бағынады. Математикалық формуласы төмендегідей.
Мұндағы, qλ -бірлік уақыт ішіндегі бірлік аудандағы, dA басқарушы бетіндегі тасымалданған энергия. qR -бірлік уақыт ішіндегі бірлік массаның dτ басқарушы бетте алынған тасымалданбаған энергия. Ол сәулелену энергиясын, химиялық реакциядан шыққан энергияны қамтиды. E-бірлік массадағы аққыш дененің ішкі толық энергиясы. Ол энергиялар ғылымындағы ішкі энергия, электромагниттік энергия сияқтыларды қамтиды. Гравитация аумағындағы адгезиясыз аққыш дененің адиабатылық ағуы жоғарғы формуладан Бернулле теңдеуін келтіріп шығарсақ болады:
Мұндағы ｐқысым күш, z санақ бетінің биіктігі. формуладан бірлік массаның жалпы энаргиясын, ішкі энергиясын, кинетикалық энергиясын, қысым кұш потенциал энергиясын білуге болады. Бұл формуланың физикалық мәні: бірлік уақыт ішінде басқарушы денеге кірген және шыққан жалпы энергиялар өзара тең.
Дифференциалды форманың негізгі формулалары. Негізінен үздіксіз формула, қозғалыс формуласы, энергиялар формуласын қамтиды.
1) Үздіксіз формула. Аққыш дененің массалар сақталу заңынын шыққан. Ол тікбұрыштар координаттық жүйесінде былай өрнектеледі:
Мұндағы u, v, w-x,y,z бағыттарының жылдамдық компоненттері.
2) Қозғалыс формуласы. Бұл аққыш денелерге байланысты Ньютонның екінші заңынан келіп шыққан. Тұтқырсыз аққыш дененің қозғалыс теңдеуі ол Эйлер теңдеуі болып саналады. Ньютонның аққыш денелер теңдеуі - ол Навье - Стокс теңдеуі болып саналады.
3) Энергиялар формуласы. Ол аққыш денелердің энергиялар сақталу заңына байланысты екенін көрсететін формула. Тұтқырсыз сұйықтардың энергиялар формуласы төмендегідей:
Бұл аққыш дененің ішкі энергиясының артуы мен қайтымды көлем ұлғаю жұмысының қосындысы сәулелену энергиясына тең болатынын көрсетеді. Мұндағы кері сан бөліктің нәтижесі. Ньютонның аққыш денелер формуласы тік бұрыштар координаттар жүйесінде былай өрнектеледі.
Бұл аққыш денелер ішкі энаргиясының артуы мен қайтымды көлем ұлғайту жұмысының қосындысы сәулелену энергиясына тең болатынын көрсетеді, жылу өткізгіштік және тұтқырлы ыдыратушы жұмыстың қосындысы. Мұндағы k-жылутасымалдау жылдамдығы, T-температура, Ф-ыдыратушы функция, ол бірлік уақыт ішіндегі бірлік массадағы аққыш дененің тұтқырлығы арқылы ыдырататын механикалық жұмысы, ол аққыш дененің ішкі энергиясы болып саналады. Гидродинамиканың кейбір заңдарына аэродинамика ғылымы да бағынады. Ұшақтың ұшу барысы ауа тұтқырлыңына, яғни судың орташа концентрациясында өтетіндіктен гидродинамикалық заңға бағынады.
Аэродинамика-ол газ тәрізді ортаның қозғалысының және оның акқыш денемен өзара әрекетінің зандарын зерделейтін механика ғылымы. Авиация, ракета, артиллерия кезінде кеңінен қолданылады. Аэродинамика теориялық (газ қозғалысының зандылығын және оның денеге ықпал етуін зерделейді) және эксперименттік (газ қозғалысын және оның айнала ағу денелерімен, атап айтқанда, аэродинамикалық трубалар модельдеріндегі немесе ұшу аппараттарында өзара әрекетін зерттейді) болып бөлінеді. Аэродинамиканың негізгі мақсаты -- қозғалыстағы денеге газ әсер ету кезінде пайда болатын күш пен жағдайды, ұшу аппараттарының аэродинамикалық сипатқа ие болуын зерттеу.
Рейнольдс саны -- инерциялық күш пен тұтқырлық күш арасындағы қатынасты зерттейтін, тұтқыр сұйықтық пен газ ағысының ұқсастық критерилерінің бірі:
Мұндағы, -тығыздық, кгм[3];- ағынның жылдамдығы, мс;- ағынның сызықтық өлшемі, м; -газ немесе сұйықтық тұтқырлығының динамик коэффициенті, Н·см[2]. Сұйықтық ағысының режимі кризистік Рейнольдс саны (Reкр) арқылы сипатталады. Егер Рейнольдс саны өзінің кризистік мәнінен төмен болса (ReReк), онда сұйықтық ағысы ламинарлық ағысқа, жоғары болса (ReReк) турбуленттік ағысқа жатады. Мысалы, дөңгелек цилиндр құбырдағы тұтқыр сұйықтықтың ағысы үшін Reкр=2300 [19]. Гидромеханика және газ механикасының негізгі есептерінің, ұшақтар мен ракеталардың реактивті қозғалтқыштарында, сұйық пен газдың ағысында туатын гидравликалық кедергілерді есептеу болады. Сұйықтың қозғалысы құбырдың кіруі мен шығуында қысымның өзгерісі ықпалымен болады. Қысымның осы өзгерісінің бір бөлігі қозғалыстағы затты айдау мен көтеруге кетеді, ал басқа бөлігі әр түрлі гидравликалық кедергілерді жеңуге кетеді. Гидравликалық қысымды жеңуге жұмсалатын қысым өзгерісінің бөлімі жоғалған қысым немесе қысым шығындары Λрпот деп аталады. Ұзындығы бойынша кедергілер құбырдың бүкіл ұзындығы бойынша гидравликалық үйкеліс түрінде бірдей бөлінген. Орташа жылдамдықтың мәні мен жылдамдықтардың бөлінуі құбырдың ұзындығы бойынша өзгермей қалса, онда қысымның таза күйдегі үйкеліске шығындары тұрақты қималы тура құбырларда сұйықтың біркелкі қозғалысында орын алады. Қысымның үйкеліске шығындары Дарси-Вейсбах формуласы арқылы анықталады:
Λртр=λldэ*ρw22,
мұнда λ-гидравликалық үйкеліс коэфиценті; l-құбыр ұзындығы,м.; dэ - каналдың эквиваленттік диаметрі,м.; ρ-тығыздығы, кгм3; w-қима бойынша орташа жылдамдық, мс.
Гидравликалық үйкеліс коэффиценті λ жалпы жағдайда Рейнольдс санына және салыстырмалы дөрекілікке Λd-ге байланысты болады, яғни
λ=f(Re, Λdэ)
мұндағы, Λ-эквиваленттік абсолюттік дөрекілік.
Бернулли теңдеуі - гидромеханиканың негізгі теңдеулерінің бірі. Бұл теңдеуді Швейцариялық ғалым Д.Бернулли (1700 -- 1782) өзінің 1738 жылы тұжырымдалған. Төмендегіше өрнектеледі:
-сұйықтық тығыздығы, -сұйықтық жылдамдығы, -белгілі бір горизонталь жазықтықтан бастап есептелетін сұйықтық бөлшектерінің биіктігі, -сұйықтық қысымы, - еркін түсу үдеуі. Теңдеудің сол жағындағы алғашқы екі мүшесінің қосындысы сұйықтықтың (бірлік массаға қатысты) толық потенциалдық энергиясына, ал үшінші мүшесі сұйықтықтың кинетикалық энергиясына тең. Теңдеу қозғалыстағы сұйық ағыны үшін механикалық энергияның сақталу заңын өрнектейді. - р және һ арасындағы негізгі тәуелділікті белгілейді. Теңдеуді төмендегіше түрде де өрнектеуге болады:
(a) және оны (b) деп өрнектеуге болады.
мұндағы m = -- сұйықтықтың меншікті салмағы. (a) теңдіктегі барлық қосылғыштың ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz