Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе работ 2021 года сделаны и опубликованы в журнале Energies два обзора зарубежных исследований по темам проекта. Первый посвящён методам борьбы с обледенением поверхностей ветроэнергетических установок. Наряду с традиционными технологиями активного удаления льда: нагрев, вибрация, ультразвуковое воздействие и их комбинации рассмотрены пассивные методы защиты от обледенения с использованием гидрофобных и супергидрофобных поверхностей. Определены направления борьбы с обледенеем с наименьшими затратами энергии как наиболее перспективные для исследования в проекте. На базе этого обзора сформирована концепция и методология планируемых исследований на ветроэнергетическом стенде. Второй обзор был посвящен методам диагностики обледенения – второму направлению текущих исследований. В нем были проанализированы различные методы определения ледообразования: косвенный, прямой и оптический, чтобы дать краткое описание, сравнить их эффективность и определить направление этих наших исследований. Показано, что оптические методы весьма перспективны для диагностики обледенения лопастей ветряных турбин. Разработка и совершенствование оптических методов является концептуальным элементом развития данного проекта. Для проведения сформированных принципиальных задач проекта была успешно проведена модернизация климатической трубы. Разработана техническая документация по использованию климатической системы ветроэнергетического стенда. В соответствии с сформулированной концепцией и методологией планируемых исследований были подобраны необходимое оборудование и приборы для оснащения климатической систем. Разработана методика применения необходимого оборудования для выполнения задач на ветроэнергетическом стенде с климатической системой. Для этих исследований будет использоваться следующее оборудование: термоанемометр, фотокамера с штативом, Лазерный измеритель доплеровский ЛАД-08Т, PIV измерительная система ПОЛИС. Для выполнения во время эксперимента диагностики параметров потока и свойств ледообразования дополнительно были закуплены необходимые комплектующие. Разработаны и изготовлены масштабируемые модели участков лопастей, имитирующих участки лопастей реальных ветрогенераторов. Выбраны профили лопаток на основе профиля SD7003, подходящих для исследования при числах Рейнольдса порядка 30 000-50 000. Также выбран профиль лопастей SD7032 подходящих для чисел Рейнольдса Re порядка 70 000-200 000. Методика проведения конкретных исследований основана на физическом моделировании, когда исследование лопасти заменяется исследований ее отдельных секций. Испытуемый экспериментальный объект, моделирующий секцию лопасти, устанавливается в проточную часть прозрачного канала на всю глубину и тестировался при разных скоростях набегающего потока. Для определения конкретных условий обтеканий при физическом моделировании каждой конкретной секции лопасти проведена аналитическая оценка скорости торможения вдоль размаха лопасти методом Дайсона (результат опубликован в ДАН). Для тестируемых объектов были разработаны и апробированы методики проведения исследований обледенения, которые включает в себя несколько видов тестирования: фото- и видео фиксация процессов обледенения на поверхности экспериментального объекта; сравнительные эксперименты по определению аэродинамических характеристик поверхностей объектов с обледенением и без обледенения методами ЛДА и PIV. Был развит и применен метод трехмерной триангуляции геометрии наледи с использованием структурированного освещения и метод на основе полного внутреннего отражения на моделях лопастей ветрогенератора По результатам работ подготовлены и опубликованы 3 статьи (при плане 2) и 5 тезисов докладов на международных и российских конференций. В 2021 году возникли исключительные права на результаты интеллектуальной деятельности (РИД), созданные при выполнении проекта и подготовлена заявка на разработанную климатическую систему для ветроэнергетического стенда: Проекту был посвящен видеоэфир в программе «Вести Новосибирск» от 11 Июня 2021, в 16:42. Тема сюжета "Новосибирские учёные готовы внести свой вклад в освоение арктического побережья", онлайн ссылка https://www.nsktv.ru/news/technology/borotsya_s_obledeneniem_vetrogeneratorov_v_ark tike_pomozhet_razrab otka_novosibirskikh_u_chyenykh/

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе работ 2022 года проведена оценка геометрических и аэродинамических параметров обтекания лопастей для конкретизации параметров физического моделирования при образовании льда на профилях, моделирующих секции реальных лопастей. Проведены экспериментальные исследования образования льда на поверхности модельных секций лопастей (без гидрофобных покрытий) при климатических условиях без образования наледи и с интенсивным образованием наледи. Выполнен подбор гидрофобных покрытий с различным рисунком нано-шероховатостей на пленочных покрытиях из термопластичного полимеров (в рамках сотрудничества с ДТУ). Отработан контроль нанотекстур на покрытиях и способ их монтажа на тестируемых элементах и модельных секциях ветрогенераторов. Проведено тестирование перехода от супергидрофобного режима Кассие к режиму течения Венциля без «воздушной подушки» с определением влияния на гидродинамические характеристики, с учетом и без учета образования льда на тестируемой поверхности. Проведено исследование образования льда на поверхности участков лопастей с гидрофобными покрытиями при климатических условиях без образования наледи и с интенсивным образованием наледи. Из гидрофобных покрытий выбраны поверхности с нанотравой и с наростами и нанотравой. Проведены исследования изменения кинематических характеристик потоков вокруг тестируемых объектов при различных входных условиях с использованием лазерной доплеровской анемометрии. Проведена проверка способов уменьшения адгезии льда путем изменения оригинальной формы профиля лопасти и ее поверхности микроструктурами разной геометрии. В том числе оценено влияние густоты нанотравы на интенсивность образования наледи на исследуемых поверхностях (в 2 раза). Экспериментально исследовано влияние обледенения лопастей на аэродинамические и силовые характеристики ветротурбины. Проведена адаптация построенного измерительного комплекса на основе метода фазовой триангуляции с применением структурированного освещения и метода на основе полного внутреннего отражения для измерения полной трехмерной геометрии наледи на исследуемых моделях лопастях ветрогенератора. Проведены измерения, выполнены обработка и анализ результатов. При плане в 5 статей опубликовано 8 статей с учетом удвоения Q1(2 - Q1, Progress in aerospace, Physics of fluids, 1 - Journal of Engineering Thermophysics). Две статьи приняты в печать в 2023 году(1 - Q2 Теплофизика и аэромеханика, 1 -Q3 Journal of engineering Thermophysics). Участники проекта сделали 7 докладов на Всероссийских конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основной достигнутый результат связан с экспериментальной оценкой эффективности нового научного подхода по использованию иерархических супергидрофобных покрытий и других гидрофобных покрытий при борьбе с обледенением лопастей ветрогенераторов. Получены новые результаты по повышению эффективности и безопасности защиты от обледенения в условиях сложных аэродинамических потоков с помощью иерархических супергидрофобных поверхностей с микро- и наноструктурами различной геометрии, а также иных супергидрофобных покрытий. По результатам исследования выработана новая стратегия борьбы с обледенением лопастей ветроэнергетических установок. На основе сравнительных экспериментальных исследований выполнен анализ эффективности следующих реализованных противообледенительных методов: - метод защиты супергидрофобными покрытиями, включая иерархические супергидрофобные покрытия; - метод системной тепловой защиты; - метод защиты от наледи с применением ультразвукового воздействия на поверхность участка лопасти; - метод защиты от наледи с применением вибрационных воздействий на участки лопастей. - комбинированный метод на основе тепловой системы и гидрофобных покрытий, а также с применением вибрационного и ультразвукового воздействия; в результате исследования определена оптимальная по энергетическим затратам и эффективности комбинированная модель противообледенительной системы и выработана стратегия борьбы с обледенением. - метод измерения наледи на лопатках ветрогенератора. При проведении экспериментальных исследований получены новые полноценные научно обоснованные данные по образованию наледи на поверхностях лопастей ветрогенераторов. Результаты проекта могут быть успешно использованы в технике при создании эффективной защиты от обледенения ветрогенераторов и их бесперебойной работы для энергообеспечения в арктических условиях. Разработана методика применения ультразвуковых и вибрационных устройств для разрушения ледового налёта на лопастях. На основе экспериментальных исследований противообледенительных методов на базе ультразвука и вибраций показано, что вибрационный метод защиты перспективен в ситуациях слабой адгезии льда к поверхности или к другим слоям льда. Вибрационный метод на основе ударной деформации, инициируемой электромагнитом, показал себя менее эффективным по сравнению с вибрационным методом поверхностно-волнового воздействия путем наддува сжатого воздуха через тестируемую поверхность. Результаты комплексных экспериментальных исследований комбинированных противообледенительных методов на базе супергидрофобных покрытий и теплового, ультразвукового или вибрационного методов защиты показали, что при расплавлении слоя наледи возле поверхности лопасти существенно снижается адгезия льда к поверхности и наледь эффективно удаляется путем вибрационного воздействия. Показано, что метод теплового нагрева высокоэффективен в комплексе с ударно-волновым воздействием на тестовую поверхность. Полученные экспериментальные результаты исследований были обобщены, на их основе выработаны научно обоснованные рекомендации для конкретных технических решений по созданию оптимальных и эффективных противообледенительных систем. Экспериментально показано, что применение супергидрофобных покрытий эффективно при борьбе с обледенением. Супергидрофобная поверхность эффективно отталкивает капли от поверхности и препятствует образованию больших агломератов наледи, уменьшает суммарную площадь эффективной адгезии льда к поверхности, что существенно облегчает борьбу с ним. Показано, что в противообледенительной системе эффективно использовать тепловой нагрев и поверхностно-волновое ударное воздействие. Сброс льда происходит за счет плавления и отрыва пристеночного слоя при многоточечном вибрационном воздействии. Бороться с наледью тем легче, чем меньше льда образовалось на лопасти. Поэтому в противообледенении важна диагностика начала процесса обледенения и контроль толщины образовавшегося льда. Необходимо использовать комплекс антиобледенительных воздействий, позволяющий не только бороться с образованием наледи, но и препятствовать процессу образованию льда. В проекте при исследованиях поверхностно-волнового метода воздействия был применен метод наддува воздуха из-под поверхности лопасти. Экспериментально показано, что при наддуве капли в аэродинамическом потоке с большим трудом подлетают и слабо примерзают к поверхности, а образование льда происходит значительно медленней, чем при отсутствии наддува. Предложена новая идея препятствованию образованию льда заключающаяся в управлении неустойчивостями и вихреобразованием в пограничном слое лопасти. Если зародыш наледи образуется на эластичной аэродинамически прозрачной подложке, этот он создаёт локальное аэродинамическое сопротивление потоку в пограничном слое лопасти ветрогенератора, нарушает структуру потока, создаёт присоединенный самосогласованный вихрь в области формирования. Вихрь взаимодействует с зародышем, эластичная поверхность изгибается и сбрасывает микрочастицу льда, останавливая процесс льдообразования. Поверхность не нуждается в нагреве, для борьбы с обледенением используется энергия набегающего аэродинамического потока. Поверхность должна быть гидрофобной и эластичной, что может быть реализовано на основе ряда технических решений, что является актуальным направлением для продолжения исследований. Развит метод фазовой триангуляции для диагностики трехмерной поверхности наледи на элементах лопастей ветрогенераторов. Разработан программный модуль для анализа трехмерной геометрии наледи секущей плоскостью. Разработан программный модуль для определения объема наледи в измерительной области. Обеспечена возможность контроля трехмерной геометрии наледи в реальном времени в процессе эксперимента. Обеспечена возможность пространственной фильтрации экспериментальных данных с помощью маскирования регистрируемого фотоприемником изображения. Для исследования процессов обледенения моделей функциональных элементов ветрогенератора в климатической аэродинамической трубе разработана система измерения трехмерной геометрии объекта методом фазовой триангуляции, адаптированная для измерений в условиях существенного преломления оптических сигналов. Выполнено тестирование разработанной измерительной системы и верифицирована корректность измерения трехмерной геометрии наледи. Проведена серия экспериментов на аэродинамическом стенде, в процессе которых тестировались ключевые функциональные модули разработанного программно-аппаратного измерительного комплекса для измерения трехмерной геометрии наледи методом фазовой триангуляции, проведен расчет толщины наледи на основе полученных измерительных данных, выполнена регистрация и анализ 2D-профилей в поперечном сечении. Полученные научные результаты и методы борьбы с обледенением могут быть распространены для практического использования в многих областях жизнедеятельности и для создания более комфортных условий работы и проживания за полярным кругом. Результаты проекта имеют долгосрочные перспективы для защиты от обледенения техники в арктических условиях и для создания наукоёмких технологий, продуктов и услуг, отвечающих национальным интересам Российской Федерации и необходимых для существенного повышения качества жизни населения в Арктических регионах России. Полученные данные могут быть использованы в зимний период также на всей территории РФ. Все запланированные результаты достигнуты. По результатам экспериментов организованы 3 выступления на всероссийских конференциях. Подготовлены 5 статей (с учетом удвоения для журналов из Q1). Три из них вышли в 2023 году, две приняты в печать в 2024 году.