Монтира се по ръбовете на покриви, в канали и улуци, на места, където може да се натрупа сняг и лед. По време на работа на нагревателния кабел стопената вода преминава свободно през всички елементи на дренажната система към земята. В този случай не се случва замръзване и разрушаване на елементите на покрива, фасадата на сградата и самата дренажна система.

За правилна работасистемите се нуждаят от:

• Определете най-проблемните зони на покрива и в дренажната система;
• Направете правилно изчисление на мощността на отоплителната система;
• Използвайте специален нагревателен кабел с необходимата мощност и дължина (за външен монтаж, устойчив на ултравиолетово лъчение);
• Изберете крепежни елементи в зависимост от материала и конструкцията на покрива и улучната система;
• Изберете необходимото оборудване за контрол на отоплението.

Монтаж на антиобледенителна система на покриви.

Когато изчислявате необходимия капацитет на система за топене на сняг и лед за покрив, е важно да вземете предвид вида, конструкцията на покрива и местните климатични условия.

Условно покривите могат да бъдат разделени на три вида:

1. "Студен покрив". Покрив с добра изолация и ниски топлинни загуби през повърхността му. На такъв покрив ледът обикновено се образува само когато снегът се топи на слънце, докато минималната температура на топене не е по-ниска от -5 ° C. При изчисляване на необходимата мощност на системата против заледяване за такива покриви ще бъде достатъчна минималната мощност на нагревателния кабел (250-350 W/m² за покриви и 30-40 W/m за улуци).

2. "Топъл покрив". Покрив с лоша изолация. На такива покриви снегът се топи, когато е достатъчно ниски температуривъздух, тогава водата тече надолу към студения ръб и към канализацията, където замръзва. Минимална температуратопене - не по-ниско от -10 °С. Повечето от покривите на административни сгради с таванско помещение принадлежат към този тип. При изчисляване на системата против заледяване за "топли покриви" трябва да се увеличи мощността на нагревателния кабел на ръба на покрива и в улуците. Това ще гарантира ефективността на системата дори при ниски температури (фиг. 1).

3. "Горещ покрив". Покрив с лоша топлоизолация, при който таванското помещение често се използва за технически цели или като жилищно пространство. На такива покриви снегът се топи дори при ниски температури на въздуха (под -10 °C). За "горещи покриви" освен използването на отоплителен кабел с голяма мощност е желателно използването на метеорологична станция или термостат за намаляване на енергийните разходи.

Ако кабелът се полага върху покрив с меко покритие (напр. покривен филц), максималната мощност на нагревателния кабел не трябва да надвишава 20 W/m.

Зона за монтаж	"Студен покрив"	"Топъл покрив"	"Горещ покрив"	Кабелна мощност
Покривна повърхност, долина	250 – 350 W/m²	300 – 400 W/m²		15 – 40 W/m
Улуци, пластмасови улуци
Улуци, метални улуци с диаметър 20 см и повече	30 – 40 W/m	50 – 70 W/m
Улуци, дървени улуци	30 – 40 W/m

Монтаж на система против заледяване в улуци и улуци.

При изчисляване на системата против заледяване е необходимо да се вземе предвид:

1. Диаметър на дренажната тръба и улука. Когато диаметърът на вертикалната водосточна тръба е по-малък от 10 cm, се препоръчва да се монтира една линия нагревателен кабел.
2. Материалът, от който е направен дренажът. (Виж таблицата).

В повечето случаи нагревателният кабел се полага в две линии: в улуците с помощта на специални плочи, в улуците с помощта на пигтейл (кабел със специални крепежни елементи, които фиксират кабела). Закопчалките осигуряват надеждна фиксация и не позволяват преминаването на нагревателни кабелни линии.

Ако има възможност за запушване на улуци или канали с листа, игли и др. Препоръчва се използването на саморегулиращ се нагревателен кабел. Тъй като конвенционален резистивен нагревателен кабел може да прегрее в местата на запушване и да се повреди с течение на времето.

Вертикалните водосточни тръби са най-податливи на замръзване през зимата. При дълги тръби (15 m или повече), поради въздушна конвекция, е възможна хипотермия на долната част на тръбата. За да се избегне замръзване, в долната част на тръбата се монтират допълнителни нагревателни кабелни линии (увеличава се мощността) на дължина 0,5 - 1 m (фиг. 2).

Необходимо е да се елиминира образуването на ледени висулки и скреж по ръба на покрива и да се предотврати замръзване на дренажната система.Дължината на ръба на покрива е 10 м, топлоизолацията не елиминира напълно топлинните загуби (топъл покрив). Дължината на улука е 10 м, двата водостока са с дължина 6 м. Улука и сифона са изработени от пластмаса, диаметърът на водостоците е 10 см, ширината на улука е 20 см.

Решение:

В този случай оптимален е вариантът с отделно отопление на ръба на покрива (фиг. 3) и улучната система.

Фиг.3

Изчисляване на отоплителната система за покрива:

1. Според таблицата определяме мощността, необходима за загряване на ръба на "топлия покрив" на 1 квадратен метър – 300 - 400 W.
2. Определете общата отоплителна площ ( С): (отоплението трябва да се извърши по цялата дължина на покрива (10 м), в зависимост от наклона на покрива, ние определяме ширината на отоплителната площ, в нашия случай - 50 см). С = 10m × 0,5m = 5 м²
3. Избираме нагревателен кабел, чиято мощност и дължина ще отговарят на изискванията, посочени по-горе. Минималната мощност на кабела ще бъде:

5 m² × 300 W = 1500 W

Вариант 1. Нагревателен кабел Nexans TXLP/1, 28W/m, 1800W, 64.2m.

В този случай мощността (W) на 1 m² ще бъде:

където Wtot. - пълна мощност на нагревателния кабел, S - брой отопляеми квадратни метри.

(тази стойност отговаря на условията на таблицата)

Стъпката на полагане (N) на кабела ще бъде:

КъдетоС- отоплителна площ,Л- дължина на кабела.

(За удобство по време на монтажа е възможно нагревателният кабел да се постави на стъпки от 8 см и да се монтира малък кабелен остатък върху свободната част на покрива.)

Вариант 2: Нагревателен кабел Hemstedt DAS 55 (1650 W, 55 m). Съгласно формулите, посочени по-горе, ние определяме Необходимите параметри.

(Мощност на 1 m² = 330 W, стъпка на полагане = 9 cm)

Вариант 3: Нагревателен кабел Exxon Elite 2-23, 1630 W, 70 m

(Мощност на 1 m² = 326 W, стъпка на полагане = 7 cm)

Забележка. Освен това е възможно да се използват саморегулиращи се кабели и прекъсващи резистивни кабели.

Изчисляване на отоплителната система за улуци:

1. Според таблицата определяме необходимата мощност за дренажа:

У= 40 – 50 W/m

1. Ние определяме необходимата дължина на нагревателния кабел въз основа на условията, посочени по-горе.

Тъй като диаметърът на дренажа е 10 см, нагревателният кабел трябва да бъде монтиран в едно ядро Л V. = 6 + 6 = 12 m

За улей с ширина 20 см избираме кабела с изчислението на полагане в две жила.

Ли. = 10 × 2 = 20 m.

Вариант 1: Саморегулиращ се нагревателен кабел.

За всеки дренаж използваме 6 метра кабел с мощност 40 W/m, а в улука 20 m кабел с мощност 20 W/m, закрепени през 40 cm с монтажни планки.

Вариант 2: Нагревателен кабел Hemstedt Das 20 (за полагане в улей в две жила) и по 6м саморегулиращ се кабел 40 W/m (за полагане във всеки дренаж.)

Задача: Необходимо е да се предотврати замръзване на стопена вода в канализацията.(Дължината на сифона е 15 м, материалът е метал, диаметърът е 20 см, водата се отвежда от "студения покрив")

В допълнение към отоплението на вертикалната тръба, е необходимо да се осигури отопление на хоризонтална дренажна система(фиг. 4), в която се влива стопена и дъждовна вода от дренажа и от площадката с тротоарни плочив който се намира. Дренажът е с дължина 6,5 м и ширина 15 см.

Решение:

1. Въз основа на параметрите, посочени в условието, съгласно таблицата, определяме необходимата мощност на 1 r.m. W = 30 - 40 W / m.
2. Определете дължината на нагревателния кабел. (За посочения в условието диаметър на дренажа и дренажа е необходимо нагревателният кабел да се постави в 2 реда) L \u003d (15 + 6,5) × 2 \u003d 43 метра.
3. Избираме нагревателен кабел с подходяща дължина и мощност.

Вариант 1: Nexans TXLP/1 1280W, 45.7m. Кабелът се полага на две линии със свинска опашка и се свързва на удобно място (към термостата или към метеостанцията). Останалата част от кабела (2,7 метра) може да се постави в дренажната гърловина на канала или да се удължи нагревателната секция в края на канала.

Вариант 2: Exxon-Elite 23, 995W, 43,6m.

Вариант 3: Nexans Defrost Snow TXLP/2R 1270W, 45.4m.

Вариант 4: Нагревателни кабели със саморегулиране или устойчивост на прекъсване.

В региони с трудно климатични условияпо време на изграждането на инженерни конструкции е необходимо да се вземат предвид редица критерии, които отговарят за надеждността и безопасността на строителните проекти. Тези критерии, по-специално, трябва да вземат предвид атмосферните и климатичните фактори, които могат да повлияят неблагоприятно на състоянието на конструкциите и процеса на експлоатация на конструкциите. Един от тези фактори е атмосферното заледяване.

Заледяването е процесът на образуване, отлагане и растеж на лед върху повърхностите на различни предмети. Заледяването може да бъде резултат от замръзване на преохладени капчици или мокър сняг, както и от директна кристализация на водни пари, съдържащи се във въздуха. Опасността от това явление за строителните обекти се крие във факта, че ледените израстъци, образувани на неговите повърхности, водят до промяна в конструктивните характеристики на конструкциите (тегло, аеродинамични характеристики, граница на безопасност и др.), Което се отразява на издръжливостта и безопасността на инженерните конструкции.

Особено внимание трябва да се обърне на въпроса за заледяването при проектирането и изграждането на електропроводи (ЛЛ) и комуникационни линии. Обледяването на проводниците на електропроводите нарушава нормалната им работа и често води до сериозни аварии и бедствия (фиг. 1).

Фиг. 1. Последици от заледяване на електропроводи

Трябва да се отбележи, че проблемите със заледяването на електропроводите са известни отдавна и има различни методи за справяне с ледените израстъци. Такива методи включват покритие със специални съединения против заледяване, топене поради нагряване токов удар, механично отстраняване на скреж, обшивка, превантивно нагряване на проводници. Но не винаги и не всички от тези методи са ефективни, придружени от високи разходи, загуби на енергия.

Да дефинираме и развиваме повече ефективни начиниборбата изисква познаване на физиката на процеса на заледяване. На ранни стадииПри разработването на нов обект е необходимо да се проучат и анализират факторите, влияещи върху процеса, естеството и интензивността на отлагането на лед, топлопреминаването на повърхността на обледяване и идентифициране на потенциално слаби и най-склонни към заледяване места в структурата на обекта. Следователно, възможността за моделиране на процеса на обледеняване при различни условияи оценете възможни последствияна това явление е спешна задача както за Русия, така и за световната общност.

Ролята на експерименталните изследвания и числената симулация при проблеми с обледеняването

Моделирането на обледеняването на електропроводите е мащабна задача, при решаването на която в пълна формулировка е необходимо да се вземат предвид много глобални и локални характеристики на обекта и заобикаляща среда. Тези характеристики включват: дължината на разглеждания участък, релефа на околното пространство, профилите на скоростта на въздушния поток, стойността на влажността и температурата в зависимост от разстоянието над земята, топлопроводимостта на кабелите, температурата на отделните повърхности и др.

Създаването на пълен математически модел, способен да опише процесите на обледеняване и аеродинамиката на заледено тяло, е важна и изключително сложна инженерна задача. Днес много от съществуващите математически моделисе изграждат на базата на опростени методи, при които умишлено се въвеждат определени ограничения или не се вземат предвид някои от влияещите параметри. В повечето случаи такива модели се основават на статистически и експериментални данни (включително стандарти SNIP), получени в хода на лабораторни изследвания и дългосрочни полеви наблюдения.

Създаването и провеждането на множество и многовариантни експериментални изследвания на процеса на обледеняване изисква значителни финансови и времеви разходи. Освен това в някои случаи просто не е възможно да се получат експериментални данни за поведението на даден обект, например при екстремни условия. Ето защо все по-често има тенденция пълномащабният експеримент да се допълва с числена симулация.

Анализът на различни климатични явления с помощта на съвременни методи за инженерен анализ стана възможен както с развитието на самите числени методи, така и с бързото развитие на HPC технологиите (High Performance Computing technology), осъзнавайки възможността за решаване на нови модели и мащабни проблеми в адекватни времеви рамки. Инженерният анализ, извършен с помощта на суперкомпютърна симулация, предоставя най-точното решение. Числената симулация ви позволява да решите проблема в пълна формулировка, да провеждате виртуални експерименти с различни различни параметри, да изучавате влиянието на много фактори върху изследвания процес, да симулирате поведението на обект при екстремни натоварвания и др.

Съвременните високопроизводителни изчислителни системи, с правилното използване на изчислителни инструменти за инженерен анализ, позволяват да се получи решение в адекватни времеви рамки и да се проследи напредъкът на решението на проблема в реално време. Това значително намалява разходите за провеждане на многовариантни експерименти, като се вземат предвид многокритериалните настройки. Пълномащабен експеримент в този случай може да се използва само в крайните етапи на изследване и развитие, като проверка на числено полученото решение и потвърждение на отделни хипотези.

Компютърна симулация на процеса на обледеняване

Използва се двуетапен подход за моделиране на процеса на обледеняване. Първоначално се изчисляват параметрите на потока на носещата фаза (скорост, налягане, температура). След това процесът на обледеняване се изчислява директно: моделиране на отлагането на капки течност върху повърхността, изчисляване на дебелината и формата на ледения слой. С нарастването на дебелината на ледения слой, формата и размерите на обтекаемото тяло се променят, а параметрите на потока се преизчисляват с помощта на новата геометрия на обтекаемото тяло.

Изчисляването на параметрите на потока на работната среда се дължи на численото решение на нелинейната система диференциални уравненияописващи основните консервационни закони. Такава система включва уравнението на непрекъснатостта, уравнението на импулса (Навие-Стокс) и енергията. За да опише турбулентни потоци, пакетът използва уравненията на Навие-Стокс (RANS) с осреднена стойност на Рейнолдс и метода на големите вихри LES. Коефициентът пред дифузионния член в уравнението за импулс се намира като сбор от молекулярния и турбулентния вискозитет. За да изчислим последното, в тази статия използваме еднопараметърния модел на диференциална турбулентност Spallart-Allmaras, който се използва широко при проблеми с външния поток.

Моделирането на процеса на обледеняване се извършва на базата на два вградени модела. Първият от тях е моделът на топене и втвърдяване. Той не описва изрично еволюцията на интерфейса течност-лед. Вместо това формулировката на енталпията се използва за определяне на частта от течността, в която се образува твърда фаза (лед). В този случай потокът трябва да бъде описан с модел на двуфазен поток.

Вторият модел, който дава възможност да се предскаже образуването на лед, е моделът на тънък слой, който описва процеса на отлагане на капчици върху стените на обтекаемо тяло, като по този начин прави възможно получаването на овлажняваща повърхност. Съгласно този подход разглеждането включва набор от частици на лагранжов флуид, които имат маса, температура и скорост. Взаимодействайки със стената, частиците, в зависимост от баланса на топлинните потоци, могат или да увеличат ледения слой, или да го намалят. С други думи, моделира се както заледяването на повърхността, така и топенето на ледения слой.

Като пример, илюстриращ възможностите на пакета за моделиране на обледеняване на тела, беше разгледана задачата за обтичане на въздушен поток около цилиндър със скорост U=5 m/s и температура T=-15 0C. Диаметърът на цилиндъра е 19,5 мм. За да се раздели изчислителната област на контролни обеми, беше използван многостранен тип клетки с призматичен слой близо до повърхността на цилиндъра. В този случай, за по-добра разделителна способност на следата след цилиндъра, е използвано локално прецизиране на мрежата. Проблемът беше решен на два етапа. На първия етап, използвайки модела на еднофазна течност, бяха изчислени полетата на скорости, налягания и температури за "сух" въздух. Получените резултати са в качествено съответствие с многобройни експериментални и числени изследвания върху еднофазен поток около цилиндър.

На втория етап в потока се инжектират лагранжеви частици, симулиращи наличието на фино диспергирани водни капки във въздушния поток, чиито траектории, както и полето на абсолютната скорост на въздуха са показани на фиг. 2. Разпределението на дебелината на леда по повърхността на цилиндъра за различни времена е показано на фиг.3. Максималната дебелина на ледения слой се наблюдава в близост до точката на застой на потока.

Фиг.2. Траектории на падане и скаларно поле на абсолютната скорост на въздуха

Фиг.3. Дебелината на ледения слой по различно време

Времето, изразходвано за изчисляване на двумерния проблем (физическо време t=3600 s) е 2800 ядра часа, като се използват 16 изчислителни ядра. Същият брой часове на ядрото са необходими за изчисляване само на t=600 s в триизмерния случай. Анализирайки времето, изразходвано за изчисляване на тестови модели, можем да кажем, че за изчислението в пълната формулировка, където изчислителната област вече ще се състои от няколко десетки милиона клетки, където ще бъдат взети предвид по-голям брой частици и сложна геометрия на обекта, ще е необходимо значително увеличение на необходимата хардуерна изчислителна мощност. В тази връзка, за да се извърши пълна симулация на проблемите на триизмерното обледеняване на тела, е необходимо да се използват съвременни HPC технологии.

Метод за прогнозиране на зони на възможно обледеняване на самолети

Главна информация

В съответствие с Плана за тестване за 2009 г. Държавният хидрометеорологичен център на Русия проведе оперативни тестове на метода за прогнозиране на зоните на възможно обледеняване на ВС с помощта на моделите SLAV и NCEP в периода от 1 април до 31 декември 2009 г. Методът е интегрална часттехнологии за изчисляване на картата на специалните явления (SP) в средните нива на атмосферата (Significant Weather at the Middle levels - SWM) за авиацията. Технологията е разработена от отдела по аеронавигационна метеорология (OAM) през 2008 г. в рамките на R&D тема 1.4.1 за внедряване в лабораторията за зонални прогнози. Методът е приложим и за прогнозиране на заледяване в ниските нива на атмосферата. За 2010 г. е планирано разработването на технологията за изчисляване на прогностичната карта на ОН на по-ниските нива (Significant Weather at the Low levels - SWL).

Обледеняване на въздухоплавателни средства може да възникне при необходимото условие за наличие на преохладени облачни капки в точното количество. Това условие не е достатъчно. Чувствителност различни видовесамолети и хеликоптери до обледеняване не е едно и също. Зависи както от характеристиките на облака, така и от скоростта на полета и аеродинамичните характеристики на самолета. Следователно, само „възможно“ заледяване се предвижда в слоеве, където е изпълнено необходимото условие. Такава прогноза в идеалния случай трябва да се състои от прогноза за наличието на облаци, тяхното водно съдържание, температура, както и фазовото състояние на облачните елементи.

В ранните етапи на разработването на изчислителни методи за прогнозиране на обледеняване, техните алгоритми се основават на прогнози за температурата и точката на оросяване, прогнози за синоптични облаци и статистически данни за микрофизиката на облаците и честотата на обледеняване на самолетите. Опитът показва, че подобна прогноза по това време е била неефективна.

Въпреки това, дори впоследствие, до настоящия момент, дори най-добрите числени модели от световна класа не предоставят надеждна прогноза за наличието на облаци, тяхното водно съдържание и фаза. Следователно прогнозата за заледяване в световните центрове (за изграждане на карти на OH; ние не засягаме тук прогнозата за ултра-къси разстояния и текущата прогноза, чието състояние е характеризирано в ) в момента все още се основава на прогнозата за температурата и влажността на въздуха, както и, ако е възможно, най-простите характеристики на облачността (слоеста, конвективна). Успехът на подобна прогноза обаче се оказва практически значителен, тъй като точността на прогнозата за температурата и влажността на въздуха е значително увеличена в сравнение със състоянието, съответстващо на момента на писане.

В основните алгоритми на съвременните методи за прогнозиране на заледяване са представени. За целите на конструирането на SWM и SWL карти, ние избрахме тези, които са приложими за нашите условия, т.е. се основават само на изхода от числени модели. Алгоритмите за изчисляване на „потенциала на обледеняване“, комбиниращи модел и реални данни в режим на прогнозиране на момента, не са приложими в този контекст.

Разработване на метод за прогнозиране

Като проби от данни за обледеняване на въздухоплавателни средства, използвани за оценка на относителния успех на алгоритмите, изброени в , както и известни преди това (включително добре известната формула на Godske), бяха взети следните:
1) данни от системата TAMDAR, инсталирана на самолети, летящи над територията на Съединените щати в рамките на долните 20 хиляди фута,
2) база данни за самолети, сондирани над територията на СССР през 60-те години. на ХХ век, създаден през 2007 г. в ОАМ по тема 1.1.1.2.

За разлика от системата AMDAR, системата TAMDAR включва сензори за обледяване и точка на оросяване. Данните на TAMDAR могат да се събират от август до октомври 2005 г., цялата 2006 г. и януари 2007 г. от уебсайта http:\\amdar.noaa.gov. От февруари 2007 г. достъпът до данните е затворен за всички потребители, с изключение на правителствените организации на САЩ. Данните бяха събрани от служители на OAM и представени в компютърно четима база данни чрез ръчно извличане на следната информация от сайта, споменат по-горе: време, географски координати, GPS надморска височина, температура и влажност на въздуха, налягане, вятър, заледяване и турбуленция.

Нека се спрем накратко на характеристиките на системата TAMDAR, съвместима с международна система AMDAR и работи на самолети на гражданската авиация на САЩ от декември 2004 г. Системата е разработена в съответствие с изискванията на WMO, както и на NASA и US NOAA. Отчитанията на сензора се извършват на предварително определени интервали на налягане (10 hPa) в режими на изкачване и снижаване и на предварително определени интервали от време (1 минута) в режим на хоризонтален полет. Системата включва многофункционален сензор, монтиран на предния ръб на крилото на самолета и микропроцесор, който обработва сигналите и ги предава към център за обработка и разпространение на данни, разположен на земята (система AirDat). Неразделна част е и GPS сателитната система, която работи в реално време и осигурява пространствена референция на данните.

Имайки предвид по-нататъшния анализ на данните от TAMDAR заедно с OA и цифровите прогнозни данни, ние се ограничихме до извличане на данните само в близост до ± 1 h от 00 и 12 UTC. Масивът от данни, събран по този начин, включва 718417 индивидуални показания (490 дати), включително 18633 показания с глазура. Почти всички се отнасят за периода от 12 UTC. Данните бяха групирани според квадратите на решетката за географска ширина и дължина с размери 1,25x1,25 градуса и според височината в близост до стандартните изобарични повърхности от 925, 850, 700 и 500 hPa. Слоеве 300 - 3000, 3000 - 7000, 7000 - 14000 и 14000 - 21000 f., съответно, се разглеждат като квартали. Пробата съдържа 86185, 168565, 231393, 232274 броя (случаи) в близост до съответно 500, 700, 850 и 925 hPa.

За да се анализират данните от TAMDAR за обледеняване, е необходимо да се вземе предвид следната тяхна характеристика. Сензорът за обледеняване отчита наличието на лед със слой минимум 0,5 мм. От момента на появата на леда до момента на пълното му изчезване (т.е. през целия период на заледяване) сензорите за температура и влажност не работят. Динамиката на депозитите (темп на нарастване) не е отразена в тези данни. По този начин липсват не само данни за интензитета на обледеняването, но и данни за температурата и влажността през периода на заледяване, което предопределя необходимостта от анализ на данните от TAMDAR заедно с независими данни за посочените стойности. Като такива са използвани OA данни от базата на Държавната институция „Хидрометеорологичен център на Русия“ за температурата и относителната влажност на въздуха. Проба, която включва данни от TAMDAR за предиктора (заледяване) и OA данни за предикторите (температура и относителна влажност), ще бъде посочена в този отчет като проба TAMDAR-OA.

Извадката от данни от бордовото сондиране (SS) над територията на СССР включваше всички показания, съдържащи информация за наличието или липсата на обледеняване, както и за температурата и влажността на въздуха, независимо от наличието на облаци. Тъй като нямаме данни от повторен анализ за периода 1961–1965 г., нямаше смисъл да се ограничаваме до околностите на 00 и 12 UTC или околностите на стандартните изобарни повърхности. Данните от сондиране във въздуха бяха използвани директно като измервания на място. Извадката от данни за SZ включва повече от 53 хиляди показания.

Като предиктори от числените прогнозни данни са използвани прогнозните полета на геопотенциала, температурата на въздуха (Т) и относителната влажност (RH) с време за изпреварване от 24 часа на глобалните модели: полулагранж (при 1.25x1.25° точки на мрежата) и NCEP модел (при 1x1° точки на мрежата) за периодите на събиране на данни и сравнение на моделите през април, юли и октомври 2008 г. (от 1-ви до 10-ти ден от месеца).

Резултати с методологично и научно значение

1 . Температурата и влажността на въздуха (относителна влажност или температура на точката на оросяване) са значими предиктори за области с възможно обледеняване на въздухоплавателни средства, при условие че тези предиктори се измерват на място (фиг. 1). Всички тествани алгоритми, включително формулата Godske, върху извадка от данни за сондиране на самолети показаха доста практически значителен успех при разделянето на случаите на наличие и липса на обледеняване. Въпреки това, в случай на данни от TAMDAR за заледяване, допълнени с данни от обективен анализ на температурата и относителната влажност, успехът на разделянето е намален, особено при нива от 500 и 700 hPa (фиг. 2–5), поради факта, че стойностите на предиктора са пространствено осреднени (в рамките на квадрат на мрежата от 1,25x1,25°) и могат да бъдат вертикално и временно отделени от времето на наблюдение с 1 km и съответно 1 h; освен това, точността на обективния анализ на относителната влажност намалява значително с надморската височина.

2 . Въпреки че обледеняването на въздухоплавателното средство може да се наблюдава в широк диапазон от отрицателни температури, вероятността от него е максимална в относително тесни диапазони на температура и относителна влажност (съответно -5…-10°C и > 85%). Извън тези интервали вероятността от заледяване бързо намалява. В същото време зависимостта от относителната влажност изглежда е по-силна: а именно при RH > 70% са наблюдавани 90,6% от всички случаи на заледяване. Тези заключения са получени върху извадка от данни за сондиране на самолети; те намират пълно качествено потвърждение в данните на TAMDAR-OA. Фактът на добро съответствие между резултатите от анализа на две проби от данни, получени чрез различни методи в много различни географски условия и в различни периоди от време, показва представителността на двете проби, използвани за характеризиране на физическите условия на обледеняване на самолети.

3 . Въз основа на резултатите от тестването на различни алгоритми за изчисляване на зоните на обледеняване и като се вземат предвид наличните данни за зависимостта на интензитета на обледеняване от температурата на въздуха, беше избран и препоръчан за практическа употреба най-надеждният алгоритъм, който преди това се е доказал в международната практика (алгоритъмът, разработен в NCEP). Този алгоритъм се оказа най-успешен (стойностите на критерия за качество на Piercy-Obukhov бяха 0,54 на извадката от данни за сондиране във въздуха и 0,42 на извадката от данни TAMDAR-OA). В съответствие с този алгоритъм, прогнозата за зоните на възможно обледеняване на въздухоплавателни средства е диагностика на тези зони според прогнозните полета на температурата, Т°C и относителната влажност, RH%, на изобарични повърхности от 500, 700, 850, 925 (900) hPa в възлите на моделната мрежа.

Възлите на решетката, принадлежащи към зоната на възможно обледеняване на ВС, са възлите, в които са изпълнени следните условия:

Неравенствата (1) са получени в NCEP в рамките на програмата RAP (Research Application Program) върху голяма извадка от данни от измервания с помощта на сензори на самолети за обледеняване, температура, влажност на въздуха и се използват на практика за изчисляване на прогнозни карти на специални явления за авиацията. Показано е, че честотата на обледеняване на самолети в зоните, където са изпълнени неравенства (1), е с порядък по-голяма, отколкото извън тези зони.

Особености на експлоатационната проверка на метода

Програмата за оперативно тестване на метода за прогнозиране на зоните на възможно обледеняване на ВС с помощта на (1) има определени характеристики, които я отличават от стандартните програми за тестване на нови и подобрени методи за прогнозиране. На първо място, алгоритъмът не е оригинална разработка на Хидрометеорологичния център на Русия. Той е достатъчно тестван и оценен върху различни извадки от данни, вижте .

Освен това успехът на разделянето на случаите на наличие и липса на обледеняване на самолети не може да бъде обект на оперативни изпитания в този случай, поради невъзможността да се получат оперативни данни за обледеняване на самолети. Единичните, нередовни пилотски доклади, получени от Центъра за управление на въздушното движение, не могат в обозримо бъдеще да формират представителна извадка от данни. Обективни данни от типа ТАМДАР над територията на Русия няма. Също така не е възможно да се получат такива данни на територията на Съединените щати, тъй като сайтът, от който получихме данните, съставляващи извадката TAMDAR-OA, информация за обледеняване вече е затворена за всички потребители, с изключение на държавни организацииСАЩ.

Въпреки това, като се има предвид, че правилото за вземане на решение (1) е получено върху голям архив от данни и е приложено в практиката на NCEP и успехът му е многократно потвърден от независими данни (включително в рамките на тема 1.4.1 върху пробите SZ и TAMDAR-OA), може да се приеме, че в диагностичния план статистическата връзка между вероятността от обледеняване и изпълнението на условията (1) е доста близка и сравнително надеждно оценена за практическо приложение.

Остава неясен въпросът колко правилно зоните на изпълнение на условията (1), идентифицирани според данните от обективен анализ, се възпроизвеждат в числената прогноза.

С други думи, обектът на тестване трябва да бъде числено прогнозиране на зони, в които са изпълнени условия (1). Тоест, ако в диагностичния план правилото за решаване (1) е ефективно, тогава е необходимо да се оцени успехът на прогнозата на това правило чрез числени модели.

Тестовете на автора в рамките на тема 1.4.1 показаха, че моделът SLAV доста успешно прогнозира зоните на възможно обледеняване на самолети, определени чрез условия (1), но отстъпва в това отношение на модела NCEP. Тъй като в момента оперативните данни на модела NCEP се получават от Хидрометеорологичния център на Русия доста рано, може да се предположи, че предвид значително предимство в точността на прогнозата е препоръчително тези данни да се използват за изчисляване на картите на EP. Поради това се счита за целесъобразно да се оцени успехът на прогнозирането на зоните на изпълнение на условията (1) както от модела SLAV, така и от модела NCEP. По принцип в програмата трябва да бъде включен и спектралния модел T169L31. Въпреки това, сериозните недостатъци в прогнозата за полето на влажността все още не ни позволяват да считаме този модел за обещаващ за прогнозиране на заледяване.

Методика за оценка на прогнозите

Полетата на резултатите от изчисленията на всяка от четирите посочени изобарни повърхности в дихотомни променливи бяха записани в базата данни: 0 означава неизпълнение на условията (1), 1 означава изпълнение. Успоредно с това подобни полета бяха изчислени според данните от обективен анализ. За да се оцени точността на прогнозата, е необходимо да се сравнят резултатите от изчислението (1) във възлите на мрежата за прогностичните полета и за полетата на обективен анализ на всяка изобарна повърхност.

Като действителни данни за зоните на възможно обледеняване на самолета бяха използвани резултатите от изчисленията на съотношенията (1) според данните от обективен анализ. Приложено към модела SLAV, това са резултатите от изчисленията (1) при възли на мрежата със стъпка от 1,25 градуса; по отношение на модела NCEP, при възли на мрежата със стъпка от 1 градус; и в двата случая изчислението се прави върху изобарни повърхности от 500, 700, 850, 925 hPa.

Прогнозите бяха оценени с помощта на техниката за точкуване за дихотомични променливи. Оценките са извършени и анализирани в Лабораторията за изпитване и оценка на методите за прогнозиране на Държавната институция Хидрометеорологичен център на Русия.

За да се определи успехът на прогнозите за възможни зони на обледеняване на самолети, бяха изчислени следните характеристики: осъществимостта на прогнозите за наличието на явлението, отсъствието на явлението, общата точност, предупреждението за наличие и отсъствие на явлението, критерият за качество на Пиърси-Обухов и критерият за надеждност на Хайдке-Багров. Бяха направени оценки за всяка изобарна повърхност (500, 700, 850, 925 hPa) и отделно за прогнози, започващи от 00 и 12 UTC.

Резултати от оперативни тестове

Резултатите от тестовете са представени в таблица 1 за три прогнозни зони: за северното полукълбо, за територията на Русия и нейната европейска територия (ETR) с прогнозно време за изпълнение от 24 часа.

От таблицата се вижда, че честотата на заледяване според обективен анализ и на двата модела е близка, като е максимална на повърхност от 700 hPa, а минимална на повърхност от 400 hPa. При изчисление за полукълбо повърхността от 500 hPa се нарежда на второ място по отношение на честотата на заледяване, следвана от 700 hPa, което очевидно се дължи на големия принос на дълбоката конвекция в тропиците. При изчисляване за Русия и Европейска Русия повърхността от 850 hPa е на второ място по отношение на честотата на заледяване, а на повърхността от 500 hPa честотата на заледяване вече е наполовина по-малка. Всички характеристики на оправданието на прогнозите се оказаха високи. Въпреки че успеваемостта на модела SLAV е малко по-ниска от модела NCEP, те са доста практически значими. На нива, където честотата на обледеняването е висока и където представлява най-голяма опасност за въздухоплавателните средства, нивата на успех трябва да се считат за много високи. Те значително намаляват на повърхността от 400 hPa, особено в случая на модела SLAV, оставайки значителни (критерият на Pearcey намалява до 0,493 за северното полукълбо и до 0,563 за Русия). Според ETP резултатите от теста на ниво 400 hPa не са дадени поради факта, че е имало много малко случаи на заледяване на това ниво (37 точки на мрежата на модела NCEP за целия период), а резултатът от оценката на успеха на прогнозата е статистически незначим. На други нива на атмосферата резултатите, получени за ETR и Русия са много близки.

заключения

По този начин експлоатационните тестове показаха, че разработеният метод за прогнозиране на зони на възможно обледеняване на самолети, който прилага алгоритъма NCEP, осигурява достатъчно висока успеваемост на прогнозата, включително върху изходните данни на глобалния модел SLAV, който в момента е основният прогностичен модел. С решение на Централната методическа комисия за хидрометеорологични и хелиогеофизични прогнози на Росхидромет от 1 декември 2009 г. методът е препоръчан за внедряване в оперативната практика на Лабораторията за районни прогнози на Държавната институция Хидрометеорологичен център на Русия за изграждане на карти на специални явления за авиацията.

Библиография

1. Технически регламенти. Том 2. WMO-№ 49, 2004 г. Метеорологична служба за международна аеронавигация
2. Доклад за изследване: 1.1.1.2: Разработване на проект на технология за изготвяне на прогнозна карта на значими метеорологични явления за полети на авиацията на ниски нива (окончателен). № държавна. Регистрация 01.2.007 06153, М., 2007, 112 с.
3. Изследователски доклад: 1.1.1.7: Подобряване на методите и технологиите за прогнозиране на летището и въздушните пътища (окончателен). № държавна. регистрация 01.02.007 06153, М., 2007, 97 с.
4. Баранов А.М., Мазурин Н.И., Солонин С.В., Янковски И.А., 1966: Авиационна метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 281 с.
5. Зверев Ф.С., 1977: Синоптична метеорология. Л., Гидрометеоиздат, 711 с.
6. Otkin JA, Greenwald T.J., 2008: Сравнения на симулирани с WRF модел и получени от MODIS облачни данни. пн. Weather Rev., v. 136, бр. 6, стр. 1957-1970 г.
7. Menzel W. P., Frei R. A., Zhang H. и др., 2008: MODIS глобално налягане и оценка на върховете на облака: описание на алгоритъма и резултати. Времето и прогноза, бр. 2, стр. 1175 - 1198.
8. Ръководство за прогнозиране на метеорологичните условия за авиацията (ред. Абрамович К.Г., Василиев А.А.), 1985 г., Л., Гидрометеоиздат, 301 с.
9. Bernstein B.C., McDonough F., Politovich M.K., Brown B.G., Ratvasky T.P., Miller D.R., Wolff C.A., Cunning G., 2005: Текущ потенциал за обледеняване: описание на алгоритъм и сравнение с наблюдения от самолет. J. Appl. Метеорол., с. 44, стр. 969-986.
10. Le Bot C., 2004: SIGMA: Система за географска идентификация на обледеняване в метеорологията за авиацията. 11-та конф. on Aviation, Range, and aerospace, Hyannis, Масачузетс, 4-8 октомври 2004 г., Amer. Метеорол. соц. (Бостън).
11. Minnis P., Smith W.L., Young D.F., Nguyen L., Rapp A.D., Heck P.W., Sun-Mack S., Trepte Q., Chen Y., 2001: Метод в почти реално време за извличане на облачни и радиационни свойства от сателити за проучвания на времето и климата. Proc. AMS 11-та конф. Сателитна метеорология и океанография, Медисън, Уисконсин, 15-18 октомври, стр. 477-480.
12. Thompson G., Bruintjes R.T., Brown B.G., Hage F., 1997: Взаимно сравнение на алгоритми за обледеняване по време на полет. Част 1: Програма за прогнозиране и оценка на обледеняване в реално време WISP94. Времето и прогноза, с. 12, стр. 848-889.
13. Иванова А. Р., 2009: Проверка на числени прогнози за влага и оценка на тяхната пригодност за прогнозиране на зони за обледеняване на самолети. Метеорология и хидрология, 2009, № 6, с. 33 - 46.
14. Шакина Н. П., Скриптунова Е. Н., Иванова А. Р., Горлач И. А., 2009: Оценка на механизмите за генериране на вертикално движение в глобалните модели и техните начални полета във връзка с числено прогнозиране на валежите. Метеорология и хидрология, 2009, № 7, с. 14 - 32.

Интензитет на обледеняване на самолета по време на полет(аз мм/мин)се оценява чрез скоростта на нарастване на леда върху предния ръб на крилото - дебелината на отлагането на лед за единица време. Интензивността се отличава:

А) леко заледяване - I по-малко от 0,5 mm / min;

Б) умерено заледяване - I от 0,5 до 1,0 mm/min;

В) силно обледяване - I повече от 1,0 mm / min;

Когато оценявате риска от заледяване, можете да използвате концепцията за степента на заледяване. Степен на заледяване -общо отлагане на лед за цялото време, през което самолетът е бил в зоната на обледеняване. Колкото по-дълъг е полетът на самолета в условия на обледеняване, толкова по-голяма е степента на обледеняване.

За теоретична оценка на факторите, влияещи върху интензивността на обледеняването, се използва следната формула:

Интензитет на обледеняване; - въздушна скорост на самолета; - водно съдържание на облака; - интегрален коефициент на улавяне; - фактор на замръзване; - плътността на нарастващия лед, която варира от 0,6 g/cm 3 (бял лед); до 1,0 g/cm 3 (прозрачен лед);

Интензивността на обледеняването на самолета нараства с увеличаване на водното съдържание на облаците. Стойностите на водното съдържание на облаците варират в широки коридори - от хилядни до няколко грама на кубичен метър въздух. Съдържанието на вода в облаците не се измерва при AD, но може косвено да се съди по температурата и формата на облаците. При водно съдържание на облака 1 g/cm3 се наблюдава най-силно обледеняване.

Предпоставка за обледеняване на самолетите по време на полет е отрицателната температура на техните повърхности (от 5 до -50 градуса С). Обледеняване на самолети с газотурбинни двигатели може да възникне при положителни температури на въздуха. (от 0 до 5 градуса С)

С увеличаване на въздушната скорост на самолета интензивността на обледеняването се увеличава. Въпреки това, на свобода въздушни скорости, възниква кинетично нагряване на самолета, което предотвратява обледеняването.

Интензивността на обледеняването на самолетите в различните форми е различна.

В купесто-дъждовни и мощни купести облаци, при отрицателни температури на въздуха почти винаги е възможно силно обледяване на самолета. Тези облаци съдържат големи капчици с диаметър от 100 µm или повече.

В масив от слоесто-дъждовни и алтослоести облаци с увеличаване на височината се наблюдава намаляване на размера на капките и техния брой. Възможно е силно обледяване при полет в долната част на облачната маса. Вътрешномасовите слоести и слоесто-купести облаци най-често са водни облаци и се характеризират с увеличаване на водното съдържание с височина. При температури от -0 до -20 в тези облаци обикновено се наблюдава слабо заледяване, в някои случаи заледяването може да бъде силно.

При полет в висококупести облаци се наблюдава леко заледяване. Ако дебелината на тези облаци е повече от 600 метра, заледяването в тях може да бъде сериозно.

Полетите в райони със силно заледяване са полети при специални условия. Силното обледеняване е опасно за полетите метеорологично явление.

Признаците за силно обледеняване на самолета са: бързо натрупване на лед върху чистачките и предното стъкло; намаляване на посочената скорост 5-10 минути след навлизане в облаците с 5-10 км/ч.

(Има 5 вида обледеняване по време на полет: чист лед, заскрежен лед, бял лед, скреж и скреж. Най-много опасни видовеайсингът е прозрачен и матиран лед, които се наблюдават при температури на въздуха от -0 до -10 градуса.

Прозрачен лед-е най-плътният от всички видове глазура.

матов ледима грапава неравна повърхност. Силно изкривява профила на крилото и самолета.

бял лед-груб лед, порести отлагания, прилепва хлабаво към самолета и лесно пада при вибрации.)

Интензитет на обледеняваневъздухоплавателно средство в полет (I, mm/min) се оценява чрез скоростта на нарастване на леда върху предния ръб на крилото - дебелината на леденото отлагане за единица време. По интензитет се отличава слабо заледяване - I по-малко от 0,5 mm / min; умерено заледяване - I от 0,5 до 1,0 mm/min; силно обледяване - I повече от 1,0 mm / min.

При оценка на риска от обледеняване може да се използва понятието степен на обледеняване. Степента на обледеняване - общото отлагане на лед за цялото време, през което самолетът е бил в зоната на обледеняване.

За теоретична оценка на факторите, влияещи върху интензивността на обледеняването, се използва следната формула:

където I е интензитетът на обледеняване; V е въздушната скорост на самолета; ω - облачно водно съдържание; E - интегрален коефициент на улавяне; β - коефициент на замръзване; ρ е плътността на нарастващия лед, която варира от 0,6 g/cm 3 (бял лед) до 1,0 g/cm 3 (прозрачен лед).

Интензивността на обледеняването на самолетите нараства с увеличаване на водното съдържание на облаците. Съдържанието на вода в облаците варира в широки граници - от хилядни до няколко грама на 1 m3 въздух. Когато водното съдържание на облака е 1 g/m 3 или повече, се наблюдава най-силно обледеняване.

Коефициентите на улавяне и замръзване са безразмерни величини, които са практически трудни за определяне. Интегралният коефициент на улавяне е съотношението на масата на водата, действително утаена върху профила на крилото, към масата, която би се утаила при липса на кривина на траекториите на водните капки. Този коефициент зависи от размера на капките, дебелината на профила на крилото и въздушната скорост на самолета: колкото по-големи са капките, толкова по-тънък е профилът на крилото и колкото по-висока е въздушната скорост, толкова по-голям е интегралният коефициент на улавяне. Коефициентът на замръзване е съотношението на масата на леда, който е нараснал на повърхността на самолета, към масата на водата, която се е утаила на същата повърхност за същото време.

Предпоставка за обледеняване на самолетите по време на полет е отрицателната температура на повърхността им. Температурата на околния въздух, при която е отбелязано обледеняване на самолетите, варира в широки граници - от 5 до -50 °C. Вероятността от заледяване се увеличава при температури на въздуха от -0 до -20 °C при преохладени облаци и валежи.

С увеличаване на въздушната скорост на самолета интензивността на обледеняването се увеличава, както се вижда от формулата. Въпреки това, при високи скорости на въздуха се получава кинетично нагряване на самолета, което предотвратява обледеняването. Кинетичното нагряване възниква поради забавяне на въздушния поток, което води до компресия на въздуха и повишаване на неговата температура и температурата на повърхността на самолета. Поради ефекта на кинетичното нагряване, обледеняването на самолетите възниква най-често при въздушна скорост под 600 km/h. Самолетите обикновено са изложени на обледеняване по време на излитане, изкачване, снижаване и подход, когато скоростите са ниски.

По време на полети в зоните на атмосферни фронтове обледеняването на самолети се наблюдава 2,5 пъти по-често, отколкото при полети в хомогенни въздушни маси. Това се дължи на факта, че фронталната облачност като правило е по-мощна вертикално и по-разширена хоризонтално от вътрешномасовата облачност. В единични случаи се наблюдават силни заледявания в еднородни въздушни маси.

Интензитетът на обледеняване на самолетите по време на полети в облаци с различна форма е различен.

В купесто-дъждовни и мощни купести облаци при отрицателни температури на въздуха почти винаги е възможно силно обледеняване на самолети. Тези облаци съдържат големи капчици с диаметър от 100 µm или повече. Водното съдържание в облаците нараства с надморската височина.