Calcul du givrage. Prévisions de givrage

Dans les régions difficiles conditions climatiques lors de la construction d'ouvrages d'art, il est nécessaire de prendre en compte un certain nombre de critères responsables de la fiabilité et de la sécurité des projets de construction. Ces critères, en particulier, devraient prendre en compte les facteurs atmosphériques et climatiques qui peuvent affecter négativement l'état des structures et le processus d'exploitation des structures. L'un de ces facteurs est le givrage atmosphérique.

Le givrage est le processus de formation, de dépôt et d'accumulation de glace à la surface de divers objets. Le givrage peut résulter du gel de gouttelettes surfondues ou de neige mouillée, ainsi que de la cristallisation directe de la vapeur d'eau dans l'air. Le danger de ce phénomène pour les objets de construction est que les accumulations de glace formées sur ses surfaces entraînent une modification des caractéristiques de conception des structures (poids, caractéristiques aérodynamiques, marge de sécurité, etc.), ce qui affecte la durabilité et la sécurité des ouvrages d'art.

Une attention particulière doit être accordée à la question du givrage dans la conception et la construction des lignes électriques (PTL) et des lignes de communication. Le givrage des lignes de transport d'électricité perturbe leur fonctionnement normal et entraîne souvent des accidents et des catastrophes graves (Fig. 1).

Fig. 1. Conséquences du givrage des lignes électriques

Notez que le problème du givrage des lignes de transport d'électricité est connu depuis longtemps et qu'il existe différentes méthodes pour traiter l'accumulation de glace. Ces procédés comprennent le revêtement avec des composés antigivrants spéciaux, la fusion par chauffage par courant électrique, le dégivrage mécanique, le gainage et le chauffage préventif des fils. Mais, pas toujours et toutes ces méthodes ne sont pas efficaces, elles s'accompagnent de coûts élevés et de pertes d'électricité.

Pour définir et développer davantage moyens efficaces le combat nécessite une connaissance de la physique du processus de givrage. Dans les premiers stades du développement d'un nouvel objet, il est nécessaire d'étudier et d'analyser les facteurs influençant le processus, la nature et l'intensité du dépôt de glace, le transfert de chaleur de la surface de givrage et l'identification des endroits potentiellement faibles et les plus sensibles au givrage dans la structure de l'objet. Par conséquent, la capacité de simuler le processus de givrage dans diverses conditions et d'évaluer conséquences possibles ce phénomène est une tâche urgente tant pour la Russie que pour la communauté mondiale.

Le rôle de la recherche expérimentale et de la modélisation numérique dans les problèmes de givrage

La modélisation du givrage des lignes électriques est une tâche à grande échelle, pour résoudre ce qui, dans une formulation complète, il est nécessaire de prendre en compte de nombreuses caractéristiques globales et locales de l'objet et environnement... Ces caractéristiques comprennent: la longueur de la zone considérée, le relief de la zone environnante, les profils de vitesse du flux d'air, la valeur de l'humidité et de la température en fonction de la distance au-dessus de la surface de la terre, la conductivité thermique des câbles, la température des surfaces individuelles, etc.

La création d'un modèle mathématique complet capable de décrire les processus de givrage et l'aérodynamique d'un corps glacé est une tâche d'ingénierie importante et extrêmement complexe. À ce jour, bon nombre des modèles mathématiques existants sont construits sur la base de méthodes simplifiées, dans lesquelles certaines restrictions sont délibérément introduites ou certains des paramètres influents ne sont pas pris en compte. Dans la plupart des cas, ces modèles sont basés sur des données statistiques et expérimentales (y compris les normes SNIP) obtenues pendant recherche en laboratoire et des observations de terrain à long terme.

La mise en place et la réalisation de nombreuses études expérimentales multivariées du processus de givrage nécessitent des coûts financiers et de temps importants. De plus, dans certains cas, il n'est tout simplement pas possible d'obtenir des données expérimentales sur le comportement d'un objet, par exemple dans des conditions extrêmes. Par conséquent, de plus en plus souvent, il y a une tendance à compléter une expérience à grande échelle avec la modélisation numérique.

L'analyse de divers phénomènes climatiques à l'aide de méthodes modernes d'analyse technique est devenue possible à la fois avec le développement des méthodes numériques elles-mêmes et avec le développement rapide des technologies HPC (technologies de calcul haute performance), réalisant la possibilité de résoudre de nouveaux modèles et des problèmes à grande échelle dans des délais adéquats. L'analyse technique effectuée à l'aide de la simulation de supercalculateur fournit la solution la plus précise. La modélisation numérique permet de résoudre le problème dans un cadre complet, de mener des expériences virtuelles avec des paramètres variés, d'étudier l'influence de nombreux facteurs sur le processus à l'étude, de simuler le comportement d'un objet sous des charges extrêmes, etc.

Les systèmes informatiques modernes de haute performance, avec l'utilisation compétente d'outils de calcul pour l'analyse d'ingénierie, permettent d'obtenir une solution dans un laps de temps adéquat et de suivre l'avancement de la résolution d'un problème en temps réel. Cela réduit considérablement le coût de réalisation d'expériences multivariées en tenant compte des paramètres multicritères. Une expérience naturelle, dans ce cas, ne peut être utilisée qu'aux étapes finales de la recherche et du développement, comme vérification d'une solution obtenue numériquement et confirmation d'hypothèses individuelles.

Simulation informatique du processus de givrage

Une approche en deux étapes est utilisée pour simuler le processus de givrage. Dans un premier temps, les paramètres du débit de la phase porteuse (vitesse, pression, température) sont calculés. Après cela, le processus de givrage est calculé directement: modélisation du dépôt de gouttelettes de liquide sur la surface, calcul de l'épaisseur et de la forme de la couche de glace. Au fur et à mesure que l'épaisseur de la couche de glace augmente, la forme et la taille du corps profilé changent et les paramètres d'écoulement sont recalculés à l'aide de la nouvelle géométrie du corps profilé.

Calcul des paramètres de débit environnement de travail se produit en raison de la résolution numérique d'un système d'équations différentielles non linéaires décrivant les lois de conservation de base. Un tel système comprend l'équation de continuité, l'équation de moment (Navier-Stokes) et d'énergie. Pour décrire les écoulements turbulents, le package utilise des équations de Navier-Stokes (RANS) moyennées par Reynolds et la méthode LES grand tourbillon. Le coefficient devant le terme de diffusion dans l'équation de l'impulsion se trouve comme la somme de la viscosité moléculaire et turbulente. Pour calculer ce dernier, dans le présent travail, on utilise le modèle de turbulence différentielle à un paramètre de Spallart-Allmaras, largement utilisé dans les problèmes d'écoulement externe.

Le processus de givrage est simulé sur la base de deux modèles embarqués. Le premier est le modèle de fusion et de solidification. Il ne décrit pas explicitement l'évolution de l'interface glace liquide. Au lieu de cela, la formulation d'enthalpie est utilisée pour définir la partie du liquide dans laquelle se forme la phase solide (glace). Dans ce cas, l'écoulement doit être décrit par un modèle d'écoulement à deux phases.

Le deuxième modèle permettant de prédire la formation de glace est le modèle à couche mince, qui décrit le processus de dépôt de gouttelettes sur les parois d'un corps profilé, permettant ainsi d'obtenir une surface mouillante. Selon cette approche, la considération comprend un ensemble de particules liquides lagrangiennes qui ont une masse, une température et une vitesse. Interagissant avec la paroi, les particules, en fonction de l'équilibre des flux thermiques, peuvent soit augmenter la couche de glace, soit la diminuer. En d'autres termes, le givrage de surface et la fonte de la couche de glace sont simulés.

A titre d'exemple illustrant les capacités du boîtier à modéliser le givrage des corps, le problème du flux d'air autour d'un cylindre avec une vitesse de U \u003d 5 m / s et une température de T \u003d -15 0C a été considéré. Le diamètre du cylindre est de 19,5 mm. Pour diviser le domaine de calcul en volumes de contrôle, un type polyédrique de cellules avec une couche prismatique à la surface du cylindre a été utilisé. Dans ce cas, pour une meilleure résolution du sillage après le cylindre, un raffinement de maillage local a été utilisé. Le problème a été résolu en deux étapes. Dans un premier temps, en utilisant un modèle liquide monophasé, les champs de vitesses, pressions et températures pour l'air «sec» ont été calculés. Les résultats obtenus sont en accord qualitatif avec de nombreux travaux expérimentaux et numériques sur l'écoulement monophasé autour d'un cylindre.

Lors de la deuxième étape, des particules lagrangiennes ont été injectées dans le flux, simulant la présence de fines gouttelettes d'eau dans le flux d'air, dont les trajectoires, ainsi que le champ de vitesse absolue de l'air, sont illustrées sur la figure 2. La répartition de l'épaisseur de la glace sur la surface du cylindre à différents moments dans le temps est illustrée à la figure 3. L'épaisseur maximale de la couche de glace est observée près du point de stagnation de l'écoulement.

Fig. 2. Trajectoires des gouttelettes et champ scalaire de la vitesse absolue de l'air

Fig. 3. Épaisseur de la couche de glace à différents moments dans le temps

Le temps consacré au calcul du problème bidimensionnel ( temps physique t \u003d 3600c), s'élevait à 2800 heures de cœur, en utilisant 16 cœurs de calcul. Le même nombre d'heures de base est nécessaire pour calculer seulement t \u003d 600 s dans le cas tridimensionnel. En analysant le temps consacré au calcul des modèles de test, on peut dire que pour le calcul dans un cadre complet, où le domaine de calcul sera déjà constitué de plusieurs dizaines de millions de cellules, où un plus grand nombre de particules et une géométrie complexe de l'objet seront prises en compte, une augmentation significative de la puissance de calcul matérielle requise sera nécessaire. À cet égard, pour effectuer une modélisation complète des tâches de givrage tridimensionnel des corps, il est nécessaire d'utiliser des technologies HPC modernes.

L'intensité du givrage est influencée par les facteurs suivants:

Température de l'air . Le givrage le plus sévère se produit dans la plage de température de 0 ° à -10 ° С, la probabilité de formation de givre modérée se produit à des températures de l'air de -10 ° С à -20 ° С, faible - en dessous de -20 ° С.

Microstructure du cloud - la structure physique du cloud. Sur cette base, les nuages \u200b\u200bsont répartis comme suit:

- goutte-liquide, température jusqu'à -12 °;

- mixte, de -12 ° à - 40 °;

- cristallin, inférieur à - 40 °.

La probabilité la plus élevée de givrage se trouve dans les nuages \u200b\u200bde gouttelettes liquides. Ces nuages \u200b\u200bcomprennent des stratus de sous-inversion et des stratocumulus. Ils se distinguent par une teneur en eau élevée, car leurs précipitations ne tombent généralement pas ou sont faibles.

Dans les nuages \u200b\u200bmixtes, le givrage dépend du rapport entre les gouttelettes et les cristaux. Là où il y a plus de gouttelettes, la probabilité de givrage augmente. Ces nuages \u200b\u200bcomprennent les cumulonimbus. Dans les stratus, le givrage est observé en volant au-dessus de l'isotherme zéro et est particulièrement dangereux dans la plage de température de 0 ° à –10 ° C, où les nuages \u200b\u200bsont uniquement constitués de gouttes surfondues.

Dans les nuages \u200b\u200bde cristal, le givrage est généralement absent. Ce sont principalement des nuages \u200b\u200bde l'étage supérieur - cirrus, cirrocumulus, cirrostratus.

Teneur en eau des nuages . La teneur en eau d'un nuage est la quantité d'eau en grammes contenue dans 1m³ de nuage. Plus la teneur en eau des nuages \u200b\u200best élevée, plus le givrage est intense. Le givrage le plus fort est observé dans les cumulonimbus et les nimbus avec une teneur en eau supérieure à 1 g / m³.

Présence et type de précipitations... Dans les nuages, dont les précipitations tombent, l'intensité du givrage diminue, car leur teneur en eau diminue. Le givrage le plus lourd et le plus intense est observé lors du vol sous des nuages \u200b\u200bnimbostratus et altostratus dans la zone de pluie surfondue. Ceci est typique des saisons de transition, lorsque la température de l'air près du sol varie de 0 ° C à -3 ° C (-5 ° C). Le givrage le plus fort se produit dans pluie verglaçante... Dans la neige mouillée, le givrage est faible et modéré; dans la neige sèche, le givrage est absent.

Tailles des gouttes surfondues... Plus les gouttelettes sont grosses, plus leur trajectoire sera rectiligne, puisqu'elles ont une grande force d'inertie, par conséquent, plus les gouttelettes se déposeront et gèleront sur la surface saillante de l'aile par unité de temps. De petites gouttelettes de faible masse sont emportées par le flux d'air et, avec lui, se courbent autour du profil de l'aile.

Le degré de givrage dépend de heure du séjour en avion dans la zone de givrage. Sur les fronts atmosphériques, le givrage est dangereux en raison de la longue durée du vol dans sa zone, puisque les nuages \u200b\u200bet les précipitations associés au front occupent, en règle générale, de très grandes surfaces.

Profil d'aile d'aéronef... Plus le profil de l'aile est fin, plus le givrage est intense. Cela est dû au fait qu'un profil d'aile plus mince provoque la séparation du flux incident venant en sens inverse à une distance plus proche de l'aile qu'avec un profil d'aile épais. Un tel lieu (déplacement du lieu) de séparation des flux rend les lignes de courant circulant autour de l'aile plus raides, les forces d'inertie des gouttelettes sont importantes, de sorte que presque toutes les gouttelettes, grandes et petites, se déposent sur le bord fin de l'aile. Cela explique également le fait que la glace apparaît le plus rapidement sur des pièces telles que les jambes de force, le récepteur de vitesse, les antennes, etc.

Influence de la vitesse sur l'intensité du givrage de deux manières. D'une part, la vitesse de vol de l'aéronef augmente l'intensité du givrage, car à mesure que la vitesse augmente par unité de temps, plus de gouttelettes entreront en collision avec l'aéronef (jusqu'à 300 km / h). En revanche, la vitesse évite le givrage, car avec son augmentation se produit l'échauffement cinétique de l'aéronef (plus de 300 km / h). Le chauffage pousse le début du givrage vers le haut, vers plus basses températures... En dehors des nuages, un tel chauffage est grand, dans les nuages \u200b\u200bc'est moins. Ceci s'explique par le fait que les gouttelettes dans les nuages \u200b\u200blorsqu'elles entrent en collision avec la surface de l'avion s'évaporent partiellement, abaissant ainsi quelque peu la température provoquée par l'échauffement cinétique.

En fonction de la température de l'air, de la taille des gouttelettes surfondues, de la vitesse et du mode de vol de l'aéronef, on distingue les types de givrage suivants: glace, givre, gel.

La glace se forme dans les nuages \u200b\u200bou les précipitations à des températures de 0 ° à -10 ° C. Il s'accumule rapidement (2-5 mm / min) est fermement retenu et augmente considérablement le poids de l'avion. Par apparence la glace est transparente, terne, rugueuse, blanche, croupie.

Glace transparente (lisse) se forme à des températures de 0 ° à - 5 ° C. Dans les nuages \u200b\u200bou les précipitations, constitués uniquement de grosses gouttelettes surfondues. Des gouttes, frappant la surface de l'avion, se propagent le long du profil de l'aile, formant un film d'eau continu qui, en gelant, se transforme en une couche glace claire... C'est le glaçage le plus intense. Cependant, si l'épaisseur de la glace est faible, lorsque le temps de vol dans une zone givrante donnée est court, ce type de givrage n'est pas dangereux. En volant dans une zone de pluie surfondue, où la formation de glace se produit très rapidement, la glace transparente prend un aspect rainuré avec une surface cahoteuse et déforme considérablement le profil de l'aile, perturbant son aérodynamique. Un tel givrage devient très dangereux.

Glace rugueuse mate se forme dans les nuages \u200b\u200bou les précipitations, consistant en un mélange de flocons de neige, de petites et grandes gouttes surfondues, principalement à des températures comprises entre -5 ° C et -10 ° C. De grosses gouttes lors d'une collision avec la surface de l'avion se propagent et gèlent, les petites gèlent sans se propager. Les cristaux et les flocons de neige gèlent dans le film d'eau, formant de la glace rugueuse mate. Il se développe de manière inégale, principalement sur les parties saillantes de l'aéronef le long des bords d'attaque, déformant fortement la forme aérodynamique de l'aéronef. C'est le plus espèces dangereuses glaçage.

Glace pilée blanche se forme dans des nuages \u200b\u200bconstitués de petites gouttelettes d'eau uniformes à des températures inférieures à –10 ° С. De petites gouttelettes lors d'une collision avec la surface de l'avion gèlent rapidement, conservant leur forme sphérique. En conséquence, la glace devient non uniforme et devient blanche. Avec un vol prolongé et une densité de glace accrue, cela peut être dangereux.

Rime - plaque cristalline grossière blancqui se produit lorsqu'il y a de petites gouttelettes surfondues et des cristaux de glace dans les nuages \u200b\u200bà des températures inférieures à –10 ° С. Il pousse rapidement, uniformément, n'est pas tenu fermement, est secoué par les vibrations, parfois emporté par le flux d'air venant en sens inverse. Elle n'est dangereuse qu'avec un séjour prolongé dans des conditions favorables au dépôt de gel.

Gel - revêtement blanc finement cristallin. Il se forme à l'extérieur des nuages \u200b\u200ben raison de la sublimation de la vapeur d'eau à la surface de l'avion. On l'observe lors d'une forte diminution, lorsqu'un avion froid entre air chaud ou lors du décollage lorsque l'aéronef traverse la couche d'inversion. Disparaît dès que la température de l'avion et de l'air extérieur est égale. Ce n'est pas dangereux en vol, mais cela peut provoquer un givrage encore plus grave si l'aéronef couvert de givre pénètre dans des nuages \u200b\u200bhypothermiques ou des précipitations.

Par la forme du dépôt de glace et son emplacement sur la surface de l'aile, on distingue le givrage de profil, la glace rainurée et l'accumulation de glace en forme de coin (Fig. 65).

Fig. 65... Formes de dépôt de glace sur la surface de l'aile

a) profil; b, c) rainuré; d) en forme de coin

Méthode de prévision des zones de givrage possible des aéronefs

informations générales

Conformément au plan d'essais pour 2009, l'institution d'État «Centre hydrométéorologique de Russie» a effectué des essais opérationnels de la méthode de prédiction des zones de givrage possible des aéronefs (AC) à l'aide des modèles PLAV et NCEP pendant la période du 1er avril au 31 décembre 2009. La méthode est partie de technologies de calcul de la carte des phénomènes spéciaux (OY) aux niveaux moyens de l'atmosphère (Significant Weather at the Middle levels - SWM) pour l'aviation. La technologie a été développée au Département de météorologie aéronautique (OAM) en 2008 dans le cadre du projet de recherche 1.4.1 pour mise en œuvre dans le laboratoire de prévision de zone. La méthode est également applicable pour prédire le givrage aux niveaux inférieurs de l'atmosphère. Le développement de la technologie de calcul de la carte pronostique OY aux niveaux inférieurs (Significant Weather at the Low levels - SWL) est prévu pour 2010.

Le givrage des aéronefs peut être observé dans les conditions nécessaires de présence de gouttelettes de nuage surfondues dans la quantité requise. Cette condition n'est pas suffisante. Sensibilité différents types aéronefs et hélicoptères au givrage n'est pas la même chose. Cela dépend à la fois des caractéristiques du nuage et de la vitesse de vol et des caractéristiques aérodynamiques de l'aéronef. Par conséquent, seul un givrage «possible» est prédit dans les couches où sa condition nécessaire est remplie. Une telle prévision devrait être faite, idéalement, à partir de la prévision de la présence de nuages, de leur teneur en eau, de leur température ainsi que de l'état de phase des éléments des nuages.

Dans les premiers stades du développement des méthodes de calcul pour la prévision du givrage, leurs algorithmes reposaient sur la prévision de la température et du point de rosée, la prévision synoptique de la nébulosité et des données statistiques sur la microphysique des nuages \u200b\u200bet la fréquence du givrage des avions. L'expérience a montré qu'une telle prévision était inefficace à l'époque.

Cependant, même plus tard, jusqu'à présent, même les meilleurs modèles numériques de classe mondiale n'ont pas fourni de prévisions fiables de la présence de nuages, de leur teneur en eau et de leur phase. Par conséquent, la prévision du givrage dans les centres mondiaux (pour la construction de cartes de l'OB; nous n'abordons pas ici la prévision à ultra-court terme et le naucasting, dont l'état est caractérisé en) est actuellement toujours basée sur la prévision de la température et de l'humidité de l'air, ainsi que, si possible, les caractéristiques les plus simples de la nébulosité ( couches, convectives). Le succès d'une telle prévision s'avère cependant pratiquement significatif, car la précision du pré-calcul de la température et de l'humidité de l'air a fortement augmenté par rapport à l'état correspondant au moment de l'écriture.

Les principaux algorithmes des méthodes modernes de prévision du givrage sont présentés. Aux fins de la construction de cartes SWM et SWL, nous avons sélectionné celles qui sont applicables à nos conditions, c'est-à-dire basées uniquement sur la sortie de modèles numériques. Les algorithmes de calcul du «potentiel de givrage», combinant modèle et données réelles en mode naucasting, ne sont pas applicables dans ce contexte.

Développement de la méthode de prévision

Les éléments suivants ont été prélevés en tant qu'échantillons de données sur le givrage des aéronefs utilisés pour évaluer le succès comparatif des algorithmes énumérés dans, ainsi que précédemment connus (y compris la formule bien connue de Godske):
1) les données du système TAMDAR installé sur les aéronefs survolant le territoire des États-Unis dans les 20 mille pieds inférieurs,
2) une base de données d'aéronefs sondant le territoire de l'URSS dans les années 60. XXe siècle, créé en 2007 à l'OAM sous le thème 1.1.1.2.

Contrairement au système AMDAR, le système TAMDAR comprend des capteurs de givrage et de point de rosée. Les données TAMDAR ont été collectées pour la période d'août à octobre 2005, l'ensemble de 2006 et janvier 2007 à partir du site http: \\\\ amdar.noaa.gov ... Depuis février 2007, l'accès aux données est fermé à tous les utilisateurs à l'exception du gouvernement américain. Les données ont été collectées par les employés d'OAM et présentées sous la forme d'une base de données adaptée au traitement informatique en échantillonnant manuellement les informations suivantes sur le site ci-dessus: heure, coordonnées géographiques, altitude GPS, température et humidité de l'air, pression, vent, givrage et turbulence.

Arrêtons-nous brièvement sur les caractéristiques du système TAMDAR compatible avec système international AMDAR et opérant sur des avions de l'aviation civile américaine depuis décembre 2004. Le système est développé conformément aux exigences de l'OMM, ainsi que de la NASA et de la NOAA des États-Unis. Les capteurs sont lus à des intervalles de pression prédéfinis (10 hPa) dans les modes de montée et de descente et à des intervalles de temps prédéfinis (1 min) en mode de vol horizontal. Le système comprend un capteur multifonctionnel monté sur le bord d'attaque d'une aile d'avion et un microprocesseur qui traite les signaux et les transmet à un centre de traitement et de distribution de données situé au sol (système AirDat). Une partie intégrante est également le système de satellite GPS, qui fonctionne en temps réel et fournit le référencement des données spatiales.

Compte tenu de l'analyse plus approfondie des données TAMDAR en conjonction avec l'OA et les données de prévision numérique, nous nous sommes limités à l'extraction des données uniquement dans le voisinage de ± 1 heure à partir des heures 00 et 12 UTC. L'ensemble de données ainsi collecté comprend 718417 échantillons individuels (490 dates), dont 18633 échantillons avec givrage. Presque tous se rapportent à 12 UTC. Les données ont été regroupées par carrés de la grille latitude-longitude d'une taille de 1,25x1,25 degrés et par hauteur au voisinage des surfaces isobares standard de 925, 850, 700 et 500 hPa. Les quartiers étaient considérés comme des couches de 300 à 3000, 3000 à 7000, 7000 à 14000 et 14000 à 21000 livres, respectivement. L'échantillon contient 86185, 168565, 231393, 232274 coups (cas) au voisinage de 500, 700, 850 et 925 hPa, respectivement.

Pour analyser les données de givrage TAMDAR, il est nécessaire de prendre en compte la caractéristique suivante. Le capteur de givrage détecte la présence de glace avec une couche d'au moins 0,5 mm. À partir du moment où la glace apparaît jusqu'au moment de sa disparition complète (c'est-à-dire pendant toute la période de présence de glace), les capteurs de température et d'humidité ne fonctionnent pas. La dynamique des gisements (taux de hausse) n'est pas reflétée dans ces données. Ainsi, non seulement il n'y a pas de données sur l'intensité du givrage, mais il n'y a pas non plus de données sur la température et l'humidité pour la période de givrage, ce qui prédétermine la nécessité d'analyser les données TAMDAR avec des données indépendantes sur ces valeurs. À ce titre, nous avons utilisé les données OA de la base de données de l'institution d'État «Centre hydrométéorologique de Russie» sur la température de l'air et l'humidité relative. Un échantillon qui comprend des données de prédicteur TAMDAR (givrage) et des données de prédicteur OA (température et humidité relative) sera appelé dans ce rapport l'échantillon TAMDAR-OA.

Tous les échantillons contenant des informations sur la présence ou l'absence de givrage, ainsi que sur la température et l'humidité de l'air, indépendamment de la présence de nuages, ont été inclus dans l'échantillon de données de sondage d'aéronefs (SP) au-dessus du territoire de l'URSS. Comme nous ne disposons pas de données de réanalyse pour la période 1961 - 1965, il était inutile de se limiter au voisinage de 00 et 12 UTC ou au voisinage des surfaces isobares standard. Les données de détection aéroportées ont donc été utilisées directement comme mesures in situ. L'échantillon de données SZ comprenait plus de 53 000 échantillons.

Les champs prédictifs du géopotentiel, de la température de l'air (T) et de l'humidité relative (HR) avec un délai de 24 heures des modèles globaux: semi-lagrangien (aux points de grille 1,25x1,25 °) et modèle NCEP (aux points de grille 1x1 ° ) pour les périodes de collecte de données et de comparaison des modèles en avril, juillet et octobre 2008 (du 1er au 10e jour du mois).

Résultats d'importance méthodologique et scientifique

1 ... La température et l'humidité de l'air (humidité relative ou température du point de rosée) sont des prédicteurs importants des zones de givrage possible des aéronefs, à condition que ces prédicteurs soient mesurés in situ (Fig. 1). Tous les algorithmes testés, y compris la formule de Godske, sur un échantillon de données de sondage aéroporté ont montré un succès pratiquement significatif dans la séparation des cas de présence et d'absence de givre. Cependant, dans le cas des données de givrage TAMDAR, complétées par une analyse objective de la température et de l'humidité relative, le succès de la séparation est réduit, en particulier aux niveaux de 500 et 700 hPa (Fig.2-5), en raison du fait que les valeurs des prédicteurs sont moyennées dans l'espace (dans le carré grilles 1,25x1,25 °) et peuvent être respectivement éloignées de 1 km et 1 h de l'heure d'observation; de plus, la précision de l'analyse objective de l'humidité relative diminue considérablement avec l'altitude.

2 ... Bien que le givrage des aéronefs puisse être observé dans une large gamme de températures négatives, sa probabilité est maximale dans des plages relativement étroites de température et d'humidité relative (-5 ... -10 ° C et\u003e 85%, respectivement). En dehors de ces intervalles, la probabilité de givre diminue rapidement. Dans le même temps, la dépendance à l'humidité relative semble être plus forte: à savoir, à HR\u003e 70%, 90,6% de tous les cas de givrage ont été observés. Ces conclusions ont été obtenues à partir d'un échantillon de données de sondages aériens; ils trouvent une confirmation qualitative complète sur les données TAMDAR-OA. Le fait que les résultats de l'analyse de deux échantillons de données obtenus par des méthodes différentes dans des conditions géographiques très différentes et à des périodes de temps différentes soient en bon accord montre que les deux échantillons utilisés sont représentatifs pour caractériser les conditions physiques de givrage des aéronefs.

3 ... Sur la base des résultats des tests effectués sur divers algorithmes de calcul des zones de givrage et en tenant compte des données disponibles sur la dépendance de l'intensité de givrage sur la température de l'air, l'algorithme le plus fiable a été sélectionné et recommandé pour une utilisation pratique, qui avait déjà fait ses preuves dans la pratique internationale (l'algorithme développé au NCEP). Cet algorithme s'est avéré être le plus abouti (les valeurs du critère de qualité Pircey-Obukhov étaient de 0,54 sur l'échantillon de données de sondage aéroporté et de 0,42 sur l'échantillon de données TAMDAR-OA). Conformément à cet algorithme, la prévision des zones de givrage possible des aéronefs est un diagnostic des zones indiquées en fonction des champs prédits de température, T ° C et humidité relative, HR%, sur des surfaces isobares de 500, 700, 850, 925 (900) hPa aux nœuds de la grille du modèle ...

Les nœuds du maillage, appartenant à la zone de givrage possible des aéronefs, sont les nœuds dans lesquels les conditions suivantes sont remplies:

Les inégalités (1) ont été obtenues dans le NCEP dans le cadre du RAP (Research Application Program) sur un large échantillon de données de mesure utilisant des capteurs aéronautiques pour le givrage, la température et l'humidité de l'air et sont appliquées en pratique pour calculer des cartes de prévision de phénomènes spéciaux pour l'aviation. On montre que la fréquence de givrage des aéronefs dans les zones où les inégalités (1) sont satisfaites est d'un ordre de grandeur plus élevé qu'en dehors de ces zones.

Spécificité des tests opérationnels de la méthode

Le programme de tests opérationnels de la méthode de prévision des zones de givrage possible des aéronefs utilisant (1) présente certaines caractéristiques qui le distinguent des programmes de test standard pour des méthodes de prévision nouvelles et améliorées. Tout d'abord, l'algorithme n'est pas un développement original de l'institution d'État "Centre hydrométéorologique de Russie". Il a été raisonnablement testé et évalué sur différents ensembles de données, voir.

De plus, le succès de la séparation des cas de présence et d'absence de givrage d'aéronef ne peut pas faire l'objet de tests opérationnels dans ce cas, en raison de l'impossibilité d'obtenir des données opérationnelles sur le givrage d'aéronef. Des rapports uniques et irréguliers de pilotes arrivant à MC ATC ne peuvent pas constituer un échantillon représentatif de données dans un avenir prévisible. Les données objectives de type TAMDAR sur le territoire de la Russie sont absentes. Il est impossible d'obtenir de telles données sur le territoire des États-Unis, car sur le site à partir duquel nous avons obtenu les données qui constituaient l'échantillon TAMDAR-OA, les informations sur le givrage sont désormais fermées à tous les utilisateurs, à l'exception des organisations gouvernementales américaines.

Cependant, étant donné que la règle de décision (1) a été obtenue sur une grande archive de données et mise en œuvre dans la pratique du NCEP, et que son succès a été confirmé à plusieurs reprises sur des données indépendantes (y compris dans le cadre du thème 1.4.1 sur les échantillons SZ et TAMDAR-OA), il est possible de supposer que, au sens diagnostique, la relation statistique entre la probabilité de givrage et le respect des conditions (1) est suffisamment proche et suffisamment fiable pour une utilisation pratique.

La question de savoir dans quelle mesure les zones de réalisation des conditions (1), identifiées selon les données d'analyse objective, sont correctement reproduites dans la prévision numérique reste floue.

En d'autres termes, l'objet du test doit être une prévision numérique des zones dans lesquelles les conditions (1) sont satisfaites. Autrement dit, si la règle de décision (1) est efficace dans le plan de diagnostic, alors il est nécessaire d'évaluer le succès de la prévision de cette règle par des modèles numériques.

Les tests de l'auteur dans le cadre du thème 1.4.1 ont montré que le modèle SLAV prédit avec succès les zones de givrage possible de l'aéronef, déterminées par les conditions (1), mais est inférieur à cet égard au modèle NCEP. Étant donné qu’à l’heure actuelle, les données opérationnelles du modèle NCEP parviennent assez tôt à l’institution nationale du «Centre hydrométéorologique de Russie», on peut supposer que, pour autant qu’il y ait un avantage significatif en termes de précision des prévisions, il est conseillé d’utiliser ces données pour calculer les cartes OO. Par conséquent, il a été jugé opportun d'évaluer le succès de la prévision des zones de satisfaction des conditions (1) en utilisant à la fois le modèle SLAV et le modèle NCEP. En principe, le modèle spectral T169L31 doit également être inclus dans le programme. Cependant, de sérieuses lacunes dans la prévision du champ d'humidité ne nous permettent pas encore de considérer ce modèle prometteur pour prédire le givrage.

Méthode d'évaluation des prévisions

Les champs de résultats de calcul sur chacune des quatre surfaces isobares indiquées dans les variables dichotomiques ont été enregistrés dans la base de données: 0 signifie non-respect des conditions (1), 1 - respect. En parallèle, des champs similaires ont été calculés à partir des données d'analyse objective. Pour évaluer la précision de la prévision, il est nécessaire de comparer les résultats de calcul (1) aux points de la grille pour les champs prédictifs et pour les champs d'analyse objectifs sur chaque surface isobare.

Les résultats des calculs de ratios (1) basés sur les données d'analyse objective ont été utilisés comme données réelles sur les zones de givrage possible de l'aéronef. Tels qu'appliqués au modèle SLAV, ce sont les résultats des calculs (1) aux nœuds de la grille avec un pas de 1,25 degré, tels qu'appliqués au modèle NCEP - aux nœuds de la grille avec un pas de 1 degré; dans les deux cas, le calcul est effectué sur des surfaces isobares de 500, 700, 850, 925 hPa.

Les prédictions ont été évaluées à l'aide de la technologie de notation des variables dichotomiques. Les évaluations ont été effectuées et analysées dans le laboratoire d'essai et d'évaluation des méthodes de prévision de l'institution d'État «Centre hydrométéorologique de Russie».

Pour déterminer le succès des prévisions de zones de givrage possible des aéronefs, les caractéristiques suivantes ont été calculées: la précision des prédictions de la présence du phénomène, l'absence du phénomène, la précision générale, l'avertissement de la présence et de l'absence du phénomène, le critère de qualité de Pearcy-Obukhov et le critère de fiabilité Haidke-Bagrov. Les estimations ont été effectuées pour chaque surface isobare (500, 700, 850, 925 hPa) et séparément pour les prévisions à partir de 00 et 12 UTC.

Résultats des tests opérationnels

Les résultats des tests sont présentés dans le tableau 1 pour trois zones de prévision: pour l'hémisphère nord, pour le territoire de la Russie et son territoire européen (RTE) avec un délai prévisionnel de 24 heures.

Le tableau montre que la récurrence du givrage selon l'analyse objective des deux modèles est proche, et elle est maximale à la surface de 700 hPa, et minimale à la surface de 400 hPa. Lors du calcul sur l'hémisphère, le deuxième givrage le plus fréquent est la surface de 500 hPa, suivie de 700 hPa, ce qui s'explique évidemment par la contribution importante de la convection profonde sous les tropiques. Lors du calcul pour la Russie et l'ETR, la deuxième place en termes de fréquence de givrage est la surface de 850 hPa, et à la surface de 500 hPa, la fréquence de givrage est déjà deux fois plus basse. Toutes les caractéristiques de performance des prévisions se sont avérées élevées. Bien que les taux de réussite du modèle PLAV soient quelque peu inférieurs à ceux du modèle NCEP, ils sont également assez significatifs dans la pratique. Aux niveaux où la récurrence du givrage est élevée et où elle constitue la plus grande menace pour l'aéronef, les taux de réussite doivent être considérés comme très élevés. Ils diminuent sensiblement à la surface de 400 hPa, en particulier dans le cas du modèle SLAV, restant significatif (le critère de Pearcey pour l'hémisphère nord diminue à 0,493, en Russie - à 0,563). Pour l'ETP, les résultats des tests au niveau de 400 hPa ne sont pas donnés en raison du fait qu'il y a eu très peu de cas de givrage à ce niveau (37 nœuds de la grille du modèle NCEP pour toute la période), et le résultat de l'évaluation du succès de la prévision est statistiquement non significatif. Aux autres niveaux de l'atmosphère, les résultats obtenus pour l'ETR et la Russie sont très proches.

conclusions

Ainsi, des tests opérationnels ont montré que la méthode développée pour prédire les zones de givrage possible des aéronefs, qui implémente l'algorithme NCEP, offre un succès de prévision suffisamment élevé, y compris sur la sortie du modèle global SLAV, qui est actuellement le principal modèle prédictif. Par décision de la Commission méthodologique centrale pour les prévisions hydrométéorologiques et héliogéophysiques de Roshydromet en date du 1er décembre 2009, la méthode a été recommandée pour mise en œuvre dans la pratique opérationnelle du Laboratoire de prévisions de zone de l'institution d'État «Centre hydrométéorologique de Russie» pour construire des cartes de phénomènes spéciaux pour l'aviation.

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Intensité du givrage avion en vol (I, mm / min) est estimé par le taux de croissance de la glace sur le bord d'attaque de l'aile - par l'épaisseur du dépôt de glace par unité de temps. Par intensité, on distingue un givrage faible - I moins de 0,5 mm / min; givrage modéré - I de 0,5 à 1,0 mm / min; givrage sévère - I plus de 1,0 mm / min.

Pour évaluer le risque de givrage, le concept du degré de givrage peut être utilisé. Le degré de givrage correspond à l'accumulation totale de glace pendant tout le temps où l'aéronef se trouve dans la zone de givrage.

Pour une évaluation théorique des facteurs affectant l'intensité du givrage, la formule suivante est utilisée:

où I est l'intensité du givrage; V est la vitesse anémométrique de l'aéronef; ω est la teneur en eau du nuage; E est le coefficient de capture intégral; β - coefficient de congélation; ρ est la densité de la glace en croissance, qui varie de 0,6 g / cm 3 (glace blanche) à 1,0 g / cm 3 (glace transparente).

L'intensité du givrage des aéronefs augmente avec l'augmentation de la teneur en eau des nuages. Les valeurs de la teneur en eau des nuages \u200b\u200bvarient considérablement - de quelques millièmes à plusieurs grammes pour 1 m3 d'air. Lorsque la teneur en eau du nuage est de 1 g / m 3 ou plus, le givrage le plus sévère est observé.

Les coefficients de capture et de congélation sont des quantités sans dimension qui sont pratiquement difficiles à déterminer. Le coefficient de capture intégral est le rapport de la masse d'eau effectivement déposée sur le profil de l'aile à la masse qui se déposerait en l'absence de courbure des trajectoires des gouttelettes d'eau. Ce coefficient dépend de la taille des gouttelettes, de l'épaisseur du profil de l'aile et de la vitesse de l'aéronef: plus les gouttelettes sont grosses, plus le profil de l'aile est fin et plus la vitesse est élevée, plus le coefficient de capture intégral est élevé. Le facteur de congélation est le rapport de la masse de glace qui s'est développée à la surface de l'aéronef à la masse d'eau qui s'est déposée sur la même surface pendant le même temps.

Une condition préalable au givrage des aéronefs en vol est une température de surface négative. La température de l'air ambiant à laquelle le givrage des aéronefs a été observé varie considérablement - de 5 à -50 ° C. La probabilité de givre augmente lorsque la température de l'air est comprise entre -0 et -20 ° C dans les nuages \u200b\u200bsurfondus et les précipitations.

Avec une augmentation de la vitesse anémométrique de l'aéronef, l'intensité du givrage augmente, comme le montre la formule. Cependant, à des vitesses élevées, un échauffement cinétique de l'avion se produit, ce qui empêche le givrage. L'échauffement cinétique se produit en raison de la décélération du flux d'air, ce qui conduit à la compression de l'air et à une augmentation de sa température et de la température de la surface de l'avion. En raison de l'influence de l'échauffement cinétique, le givrage des aéronefs se produit le plus souvent à des vitesses d'air inférieures à 600 km / h. Les aéronefs subissent généralement du givrage au décollage, en montée, en descente et en approche lorsque les vitesses sont lentes.

En volant dans des zones de fronts atmosphériques, le givrage des aéronefs est observé 2,5 fois plus souvent qu'en vol dans des masses d'air homogènes. Cela est dû au fait que les nuages \u200b\u200bfrontaux sont, en règle générale, plus puissants verticalement et plus étendus horizontalement que les nuages \u200b\u200bintramass. Un givrage sévère dans des masses d'air homogènes est observé dans des cas isolés.

L'intensité du givrage des aéronefs lorsqu'ils volent dans des nuages \u200b\u200bde formes diverses est différente.

Dans les cumulonimbus et les cumulus puissants à des températures de l'air négatives, un givrage sévère des aéronefs est presque toujours possible. Ces nuages \u200b\u200bcontiennent de grosses gouttelettes d'un diamètre de 100 microns ou plus. La teneur en eau des nuages \u200b\u200baugmente avec la hauteur.

Le givrage est le dépôt de glace sur les parties aérodynamiques des aéronefs et des hélicoptères, ainsi que sur les centrales électriques et les parties externes des équipements spéciaux lors de vols dans les nuages, le brouillard ou le grésil. Le givrage se produit lorsqu'il y a des gouttelettes surfondues dans l'air à l'altitude de vol et que la surface de l'avion a une température négative.

Les processus suivants peuvent entraîner le givrage des aéronefs: - dépôt direct de glace, de neige ou de grêle à la surface de l'aéronef; - gel des gouttes de nuage ou de pluie au contact de la surface de l'aéronef; - sublimation de la vapeur d'eau à la surface de l'avion. En pratique, plusieurs méthodes assez simples et efficaces sont utilisées pour prédire le givrage. Les principaux sont les suivants:

Méthode de prévision synoptique. Cette méthode est basée sur les matériaux dont dispose le prévisionniste pour déterminer les couches dans lesquelles la nébulosité et les températures de l'air négatives sont observées.

Les couches avec un givrage possible sont déterminées par le diagramme aérologique et vous, cher lecteur, connaissez assez bien la procédure de traitement du diagramme. De plus, on peut dire une fois de plus que le givrage le plus dangereux est observé dans la couche où la température de l'air varie de 0 à -20 ° C, et pour la survenue de givrage sévère ou modéré, le plus dangereux est la chute de température de 0 à -12 ° C. Cette méthode est assez simple, ne nécessite pas beaucoup de temps pour effectuer les calculs et donne de bons résultats. Il n'est pas pratique de donner d'autres explications sur son utilisation. Méthode Godske.

Ce physicien tchèque a proposé de déterminer la valeur de Tn.l. à partir des données de sondage. - température de saturation au-dessus de la glace selon la formule: Тн.л. \u003d -8D \u003d -8 (T - Td), (2) où: D - déficit de température du point de rosée à tout niveau. S'il s'avère que la température de saturation au-dessus de la glace est supérieure à la température ambiante, alors il faut s'attendre à du givrage à ce niveau. Les prévisions de givrage utilisant cette méthode sont également données à l'aide d'un diagramme en altitude. Si, selon les données de sondage, il s'avère que la courbe de Godske dans une couche se trouve à droite de la courbe de stratification, alors le givrage doit être prédit dans cette couche. Godske recommande d'utiliser sa méthode pour prévoir le givrage des aéronefs uniquement jusqu'à une altitude de 2000 m.

Comme information additionnelle Lors de la prévision du givrage, la relation établie suivante peut être utilisée. Si dans la plage de température de 0 à - 12 ° С le déficit de point de rosée est supérieur à 2 ° С, dans la plage de température de -8 à - 15 ° С le déficit de point de rosée est supérieur à 3 ° С, et à des températures inférieures à - 16 ° С, le déficit de point de rosée est plus grand 4 ° C, alors avec une probabilité de plus de 80% de givrage ne sera pas observé dans de telles conditions. Et, bien sûr, une aide importante pour le prévisionniste dans la prévision du givrage (et pas seulement) est l'information transmise au sol par les équipages de vol, ou les équipages décollant et approchant pour l'atterrissage.