Введение к работе
Актуальность темы. Цементобетонные аэродромные покрытия наряду с эксплуатационными нагрузками, обусловленными движением воздушных судов, подвергаются природно-климатическим воздействиям. Эти воздействия представлены изменениями температуры, влажности воздуха и другими погодными явлениями. Одним из самых сложных и ответственных периодов эксплуатации является зимний, сопровождающийся интенсивным выпадением осадков в виде дождя, снега и возможным образованием гололедных отложений на поверхности аэродромного покрытия, что существенно ухудшает фрикционные свойства поверхности взлетно-посадочных полос (ВПП) и может явиться предпосылкой к различным аварийным ситуациям.
Зависимость безопасности полетов от состояния аэродромных покрытий определяется также тем, что до 60...70% кинетической энергии воздушного судна погашается при посадке торможением пневматиков о поверхность ВПП. При отсутствии надежных условий торможения неизбежны потеря устойчивости и управляемости воздушного судна и, как следствие, выкатывание за пределы ВПП.
При выполнении наземными службами задачи по обеспечению взлетно-посадочных операций с учетом максимальной безопасности полетов, необходимо устранить влияние гололедообразования на сцепление пневматиков воздушных судов с поверхностью искусственного покрытия при посадке. Во-первых, это предупреждение образования гололедных отложений на поверхности аэродромного покрытия. Во-вторых, это устранение уже образовавшихся отложений на покрытии с минимально возможными материальными затратами и в кратчайшие сроки. Неоднозначность образования отложений связана с конструкцией аэродромных одежд, термическим балансом между поверхностью покрытия и приземным слоем воздуха, а также климатическими особенностями местности.
При планировании мероприятий по предупреждению образования гололедных отложений на поверхности аэродромного покрытия с использованием действующих нормативных документов не учитывается его эксплуатационное состояние. Однако, в период эксплуатации покрытия изменяются его физико-механические свойства, влияющие на теплофизические показатели верхнего слоя аэродромного покрытия. Это приводит к дополнительной неоднозначности при оперативном принятии решения по профилактике гололедных отложений с использованием антигололедных реагентов, а решение этой научной задачи является актуальным направлением.
Объектом исследования являются участки аэродромного цементобетонного покрытия с различными сроками эксплуатации.
Предметом исследования является процесс гололедообразования на аэродромном покрытии с учетом его эксплуатационного состояния.
Целью работы является исследование влияния эксплуатационного состояния аэродромного цементобетонного покрытия на процесс гололедообразо-вания с учетом изменяющихся теплофизических параметров верхнего слоя.
Задачи исследования:
разработать математическую модель образования гололедных отложений на поверхности аэродромного цементобетонного покрытия с учетом его эксплуатационного состояния при циклическом воздействии температуры воздуха в приземном слое и влиянии скрытого тепла при фазовых превращениях воды в деструктурированном слое покрытия;
исследовать изменение теплофизических свойств цементобетона верхнего слоя аэродромного покрытия при различных сроках эксплуатации и установить степень их влияния на процесс гололедообразования;
определить, на основе численного моделирования и экспериментальных исследований, значения распределения температуры в структуре аэродромного покрытия и момент образования гололедных отложений с учетом количества тепла, аккумулированного в покрытии при циклическом воздействии температуры воздуха и нелинейности процесса фазового перехода;
исследовать закономерности образования гололедных отложений на поверхности аэродромного цементобетонного покрытия при воздействии метеорологических параметров и определить степень влияния изменяющихся теплофизических параметров верхнего слоя покрытия, подверженного деструктивным процессам с течением срока эксплуатации;
разработать методику проведения экспериментальных исследований по определению изменяющихся теплофизических параметров верхнего слоя цементобетонного покрытия и оценки влияния его эксплуатационного состояния на процесс гололедообразования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана и экспериментально подтверждена математическая модель образования гололедных отложений на поверхности цементобетонного покрытия с учетом циклического воздействия температуры воздуха в приземном слое и влияния скрытого тепла при фазовых превращениях воды в деструктурированном слое покрытия;
установлены аналитические зависимости изменения теплофизических характеристик аэродромного цементобетонного покрытия от срока его эксплуатации;
определены закономерности распределения температуры в структуре аэродромного покрытия с учетом количества тепла, аккумулированного в покрытии при циклическом воздействии температуры воздуха, нелинейности процесса фазового перехода и влияющие на момент образования гололедных отложений;
определено влияние показателя водопоглощения верхнего слоя цементобетонного покрытия на процесс гололедообразования.
На защиту выносятся:
математическая модель образования гололедных отложений на поверхности аэродромного цементобетонного покрытия с учетом его эксплуатационного состояния при циклическом воздействии температуры воздуха в приземном слое и влиянии скрытого тепла при фазовых превращениях воды в дест-руктурированном слое покрытия;
результаты численного моделирования и экспериментальных исследований по определению изменяющихся теплофизических параметров верхнего слоя цементобетонного покрытия и оценки влияния его эксплуатационного состояния на процесс гололедообразования;
экспериментальные результаты распределения температуры цементобетонного покрытия в зависимости от эксплуатационного состояния по толщине деструктурированного слоя при воздействии метеорологических параметров, сопутствующих процессу гололедообразования;
методика оценки эксплуатационного состояния аэродромного цементобетонного покрытия и его влияния на образование гололедных отложений.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в результате изучения явлений и процессов, лежащих в основе предлагаемого решения, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ; стандартные методики определения физико-механических свойств, методы математического и физического моделирования.
Теоретическую основу исследования составили классические решения уравнения нестационарной теплопроводности с граничным условием теплообмена между поверхностью искусственного покрытия и окружающей средой, и условием на фронте фазового перехода в структуре покрытия.
Практическое значение работы заключается в разработке методики по определению влияния эксплуатационного состояния цементобетонного аэродромного покрытия на образование гололедных отложений и предложении рекомендаций по совершенствованию мероприятий по предупреждению образования гололедных отложений на покрытии с различным сроком эксплуатации, с учетом его эксплуатационного состояния.
Реализация результатов работы: Работа является составной частью научно-исследовательской работы №30405 шифр «МАЭР», выполненной по заказу Инженерно-аэродромной службы тыла Военно-Воздушных Сил Российской Федерации.
Личное участие автора состоит в разработке: математической модели образования гололедных отложений на поверхности аэродромного цементобетонного покрытия с учетом его эксплуатационного состояния, методики прове-
дения экспериментальных исследований и численного моделирования, методики по определению влияния эксплуатационного состояния цементобетонного аэродромного покрытия на образование гололедных отложений.
Апробация работы. Основные положения, научные и экспериментальные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения полетов авиации» (Воронеж, 2004); Межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения полетов авиации» (Воронеж, 2005); Научно-технической конференции «Теоретические и практические вопросы создания и совершенствования военной инфраструктуры и объектов базирования Вооруженных Сил РФ», 26 ЦНИИ МО РФ (Москва, 2005); Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (Воронеж, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения полетов авиации» (Воронеж, 2006); Международной научно - практической Интернет — конференции «Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения» (Белгород, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 статья опубликована в издании из перечня, рекомендованного ВАК, 4 статьи в научных сборниках и 6 статей по материалам научных конференций. Общим объемом 57 с, из них лично автору принадлежит 52 с.
Основные результаты диссертации опубликованы: математическая модель образования гололедных отложений на поверхности аэродромного цементобетонного покрытия с учетом его эксплуатационного состояния (Образование гололедных отложений на цементобетонных аэродромных покрытиях с различным сроком эксплуатации // Известия ВУЗов: Северо-Кавказский регион. Технические науки. №4, 2006. С. 96-101.); экспериментально подтверждена математическая модель образования гололедных отложений на поверхности цементобетонного покрытия (Исследование влияния эксплуатационного состояния аэродромного покрытия на процесс гололедообразования // Современные методы строительства автомобильных дорог и обеспечение безопасности движения: сб. докл. Международной научно - практической Интернет - конференции. -Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. С. 56 - 60.); установлена зависимость изменения теплофизических характеристик аэродромного цементобетонного покрытия от срока его эксплуатации (Влияние эксплуатационного состояния поверхности бетонного покрытия на процесс гололедообразования // Депонированная рукопись ЦВНИ МО РФ, инв. № В6373.Серия Б. Выпуск 77. -М.: ЦВНИ МО РФ, 2006.); определено влияние показателя водопоглощения верхнего слоя цементобетонного покрытия на процесс гололедообразования (Фазовые превращения воды в структуре аэродромного покрытия // Депонированная рукопись ЦВНИ МО РФ, инв. № В6372.Серия Б. Выпуск 77. - М.: ЦВНИ МО РФ, 2006. - 12 с).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка литературы из НО наименований. Диссертация изложена на 150 страницах, в том числе 117 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 8 таблиц и 4 приложения.
