A jégkristályok falnak történő becsapódása után három lehetséges viselkedési mód figyelhető meg, melyek a becsapódási körülményektől és a fal anyagi, illetve termikus jellemzőitől függenek. Ezek az ún. tapadás, visszapattanás és széttöredezés (fragmentáció) rezsimjei. A tapadás során a részecske teljes egészében a falhoz rögzül. A visszapattanás esetén a részecske visszaverődik, de sebessége módosul, miközben alakja és mérete változatlan marad. A széttöredezés során több apró fragmentum keletkezik: egy részük visszakerül az áramlásba, más részük a falon marad, különösen, ha a falon folyékony vízfilm van jelen, vagy a jégkristály belsejében víz található.

A másodlagos részecskék jellemzőinek modellezése – mint például az új részecskék átmérője, olvadási aránya, magjának sűrűsége, gömbszerűsége és mozgási sebessége – elengedhetetlen a pontos szimulációkhoz. Ezen paraméterek közül kiemelten fontos a mozgási energia megmaradását leíró ún. visszaverődési együttható, mely a kinetikus energia becsapódás utáni arányát fejezi ki. A különböző viselkedési módok közötti átmenetet elsősorban a jégkristály normál irányú kinetikus energiája határozza meg. Ennek kvantitatív mérésére szolgál a Vidaurre és Hallett által bevezetett ℒ szám, amely a kinetikus és a felületi energia arányát fejezi ki. Az ℒ érték alacsony tartománya az elasztikus visszapattanást, középtartománya a plasztikus deformációt és részleges törést, míg magas ℒ érték esetén teljes fragmentáció lép fel. E küszöbértékeket Hauk kísérletei alapján határozták meg.

A visszapattanási rezsim esetében a tangenciális és normál visszaverődési együtthatókat külön kezelik. Kísérleti adatok hiányában a tangenciális komponensre (ξBt) értéke egységnyinek tekinthető, analóg módon a jégszemcsékkel végzett megfigyelések alapján. A normál visszaverődési együtthatóra (ξBn) a HAIC projekt keretében végzett mérések alapján ONERA modellt alkalmaznak, mely jól illeszkedik a T. Hauk és Pan & Render által közölt eredményekhez.

A fragmentációs rezsimnél három együttható különböztethető meg: a tangenciális kinetikus energia visszaverődését jellemző ξFt, valamint a normál és tangenciális komponensek közötti momentumátalakulást leíró ξFnt és ξFnn. A ξFt ismét egységnyi, míg a ξFnt-t a Guégan-féle nagy sebességű jégdarab-becsapódási vizsgálatok alapján határozták meg. A ξFnn modellt a korábban alkalmazott ξBn függvény alapján definiálták. A különböző modellek és kísérleti eredmények közötti összevetések (ONERA, AGI, Pan & Render) széles ℒ tartományban kielégítő egyezést mutatnak a másodlagos részecskeátmérő tekintetében is.

A Darmstadti Műszaki Egyetem kutatói alternatív modellt fejlesztettek a HAIC programban, amely a jégrészecske belső feszültségeloszlását veszi alapul a törés és a széttöredezés előrejelzéséhez. Ez a megközelítés figyelembe veszi a jégrészecske méretét, alakját és becsapódási sebességét is, s hatékonyan előrejelzi a fragmentáció valószínűségét száraz, merev felület esetén.

Külön említést érdemel, hogy míg a nem fűtött felületek esetén a fal és a részecske közötti hőcsere elhanyagolható hatással bír, addig fűtött felületeknél a becsapódó részecske részben megolvad, és egy kis mennyiségű víz a falon marad. Ez elősegítheti a jég akkumulációját. Ugyanakkor fűtött felületekre vonatkozóan még nem létezik általánosan elfogadott modell, ezért ezek vizsgálata a jövő kutatási irányai közé tartozik (pl. az európai MUSIC-haic projekt keretében).

Fontos megé

Milyen hatással van a szintetikus sugárhajtómű aktív működtetése a jéglerakódás csökkentésére a szárnyfelületeken?

A szintetikus sugárhajtóművek (SJA) alkalmazása az aerodinamikai rendszerekben, különösen a jégvédelem terén, egyre nagyobb figyelmet kap. A szárnyfelületeken kialakuló jéglerakódás mértékét számos tényező befolyásolhatja, mint például a dőlésszög, a levegő áramlásának sebessége, a vízcseppek eloszlása és az alkalmazott hőmérséklet. A szintetikus sugárhajtóművek működtetése és az aktív fűtési rendszerek együttes hatása különböző szcenáriókban vizsgálható, hogy csökkentsék a jégképződést és javítsák az anti-icing teljesítményét.

A szintetikus sugárhajtóművek által alkalmazott aktív működtetési sebesség, amely csak egy adott időpontban szükséges elemzésre, a jéglerakódás egyik kulcseleme. Az ilyen rendszerek esetében, amelyek különböző paraméterekre reagálnak, mint a vízcseppek eloszlása, mérete, illetve a freestream hőmérséklete, különböző modelleket kell vizsgálni, hogy pontos képet kapjunk a jégfelhalmozódás mértékéről.

A vizsgálat első lépése a vízcseppek eloszlásának típusai. A monodiszperz eloszlás és a Langmuir-D eloszlás összehasonlításával kezdjük. A monodiszperz eloszlás azt jelenti, hogy minden csepp azonos méretű, jelen esetben 20 mikron átmérőjű. Ezzel szemben a Langmuir-D eloszlás egy statisztikai súlyozást alkalmaz, amely a cseppek átmérőjét 20 mikronra helyezi, de lehetővé teszi nagyobb cseppek jelenlétét is. Ez az eloszlás a felhőkben gyakran előforduló jégképződési körülményekhez hasonló spektrumot eredményez. A nagyobb cseppek könnyebben hatnak a felületre, és jelentősebb jégképződést eredményezhetnek.

A szintetikus sugárhajtómű (SJA) bemeneti hőmérséklete kulcsfontosságú szerepet játszik. Ha a bemeneti hőmérséklet túl magas, például 100 °C, akkor a kisebb vízcseppek már a felület elérését megelőzően elpárolognak, és ezáltal nem fognak hozzájárulni a jégképződéshez. 75 °C hőmérsékletnél a vízcseppek még nem párolognak el teljesen, és ez segíthet növelni a jéglerakódást, különösen a nem védett felületeken. A hőmérséklet növekedésével a víz visszafolyhat, és a felületre ütköző jégdarabok, amelyek egyébként lepattannának, inkább megolvadnak, majd újra lelassulnak és leülepednek.

A jéglerakódás szempontjából a freestream hőmérsékletének hatása is fontos tényező. Ha a feláramló levegő hőmérséklete magasabb, akkor kevesebb hő szükséges a szintetikus sugárhajtóműből származó áramlásból ahhoz, hogy a vízcseppek elpárologjanak, így hatékonyabbá válik a jégmentesítés. Ez különösen fontos lehet a rime (fagyott) és glaze (jeges) jégképződési körülmények esetén.

A kutatás során különböző forgatókönyveket vizsgáltak, hogy megértsék, hogyan hatnak a szintetikus sugárhajtóművek az élettartamra, miközben figyelembe kell venni a jégképződés különböző jellemzőit. A változó bemeneti sebesség és a szintetikus sugárhajtómű működése, együtt a hőmérsékleti különbségekkel, alapvetően módosíthatják a jégképződést és a jéglerakódás mintázatát. A hőmérséklet és a cseppek eloszlásának különböző kombinációi más és más hatásokkal járnak, amelyeket mindig a megfelelő modellezési paraméterek és pontos időpontok szerint kell értékelni.

Az aktív fűtési rendszerek és a szintetikus sugárhajtóművek közötti kölcsönhatás alapos vizsgálata segíthet abban, hogy hatékonyan csökkentsük a jégfelhalmozódást a légijárművek szárnyfelületein, ezáltal javítva a biztonságot és a teljesítményt a jeges körülmények között. Az ilyen kutatások figyelembevételével új módszerek fejleszthetők ki a repülőgépek jégvédelmére, amely lehetővé teszi a gyorsabb és hatékonyabb alkalmazásokat a jövőben.

Milyen tényezők befolyásolják a vízcseppek becsapódását és megfagyását aerodinamikai körülmények között?

A nagy sebességgel történő vízcsepp-becsapódás és az azt követő jégképződés vizsgálata kulcsfontosságú a repülésbiztonság szempontjából, különösen a túlhűtött nagycseppek (SLD – Supercooled Large Droplets) viselkedésének megértésében. A numerikus szimulációk révén lehetővé válik az olyan komplex kölcsönhatások feltérképezése, mint a vízkoronák kialakulása, a részecskeszám-hatások, a vízfilm vastagságának szerepe, valamint a fagyás mechanizmusa különböző hőmérsékleti és áramlási körülmények között.

A szimulációk során különböző számú folyadékrészecskéket (5, 11, 22 és 31 millió) alkalmazva figyelték meg a vízkoronák dinamikáját a becsapódást követő nemdimenzionált időpillanatban (t* = 2.23). A koronaátmérő és -magasság története alapján megállapítható, hogy 22 millió részecskétől kezdve a szimulációk eredményei konvergálnak, azaz további részecskeszám-növelés nem eredményez lényegesen eltérő koronastruktúrát. Ezért a további szimulációkban a 22 milliós konfigurációt tekintették optimálisnak.

A vízfilm vastagságának hatását is elemezték, három eltérő értéket alkalmazva: 0.075D, 0.15D és 0.3D, ahol D a becsapódó csepp átmérője (0.05 mm). A számítások kimutatták, hogy a vízfilm vastagságának csökkenésével a koronaátmérő növekedett, miközben a kialakuló korona belső geometriája laposabb lett. Ez azt jelzi, hogy vékonyabb vízfilm esetén a becsapódó csepp energiája kevésbé oszlik szét függőleges irányban, inkább laterálisan terjed.

A túlhűtött cseppek fázisátalakulásának szimulálásához egy speciális SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) megközelítést alkalmaztak, amely figyelembe veszi a látens hő hatását. A fagyási folyamatot két szakaszra bontották. Az elsőben a becsapódás dinamikája dominál, ahol a tehetetlenségi erők és felületi feszültség meghatározóak. A második szakaszban, a fagyás idején, a hővezetés és a fázisváltás szerepe kerül előtérbe, míg a részecskék mozdulatlanok maradnak.

A valós kísérletek alapján ellenőrzött szimulációban egy 2.62 mm átmérőjű, 25 °C-os cseppet lőttek egy -30 °C-os izoterm felületre 0.44 m/s sebességgel. A becsapódást követően létrejövő cseppalap-átmérő (3.56 mm) és magasság (1.58 mm) szolgált kiindulási állapotként a fagyási szakaszhoz. A szimulált és kísérleti jégfront-pozíciók jó egyezést mutattak az idő függvényében.

Gyorsabb becsapódási sebességek (pl. 100 m/s) esetén a fagyási és becsapódási időskálák közötti különbség még kifejezettebb. Míg 5 m/s sebességnél a becsapódás és fagyás rendre 0.640 ms és 2.890 ms alatt zajlik, 100 m/s esetén ezek az értékek 0.032 ms és 2.105 ms. Ez alátámasztja, hogy a fagyási folyamat lassabb, különösen repülési körülmények között, mivel a csepp látens hőtartalmának elvonása időigényes. A gyors becsapódás emellett jelentős fröccsenést is eredményez, amely másodlagos cseppek képződését és azok visszacsapódását hozza magával, így jelentősen növeli a jéglerakódás komplexitását.

A jégrészecskék térbeli eloszlásának tanulmányozása során a becsapódási tartományt koncentrikus zónákra osztották, és vizsgálták a jég eloszlását ezekben. Az alacsonyabb sebességű eseteknél a jég hajlamos a peremen vastagabb rétegben lerakódni, míg nagy sebesség esetén az eloszlás lineárisabb marad, egészen addig, míg a szétfröccsent részecskék túllépik a kezdeti cseppátmérő négyszeresét is.

Fontos, hogy a fázisváltási modellek a jövőben figyelembe vegyék az anyagsűrűség változását és a felületi feszültség okozta alakváltozásokat is a fagyási szakaszban. Ezt egy adaptív részecskerészletességű modell alkalmazásával lehetne elérni, amely képes nagyobb időlépések kezelésére és valósághűbb viselkedés szimulálására a repülési jegesedési folyamatok során.

A Piros Rózsa Merészségei: A Titkos Kalandok Története
Hogyan segíti a matematikai fogalmak fejlődését a dinamikus geometriai környezet?
Hogyan alakíthatók ki hasznos földalatti „kémények” nukleáris robbanással és milyen következményekkel kell számolni?
Mi a tartósítás és befőzés lényege, és hogyan biztosítható a biztonságos otthoni konzerválás?
MDÓ 83. SZ. ÓVODA GYERMEK SPORTPÁLYÁJÁNAK TERVEZÉSI PROJEKTJE
Barinova I. I., helyettes igazgató Ajánlások pedagógusoknak a projekt- és kutatómunkák szervezéséhez Fejlessze minden gyermek egyéni hajlamait és képességeit Fókuszáljon inkább a kutatási folyamatra Tanítsa meg felismerni az összefüggéseket tárgyak, események és jelenségek között Segítse a gyerekeket információgyűjtésben, valamint az adatok elemzésében, szintetizálásában és osztályozásában Ne végezze el helyettük azt, amit maguk is meg tudnak csinálni Tanítsa meg az iskolásoknak a helyzetek elemzését és a kutatási problémák megoldását Értékeléskor emlékezzen arra: jobb dicsérni hiányosan, mint kritizálni indokolatlanul
A Nara folyónál: Hősiesség, áldozat és a kozákok emlékezete
A "Negyedéves jelentés szövegének módosítása"
A Csuvash Köztársaság Elnökének 2009. évi Üzenete tanulmányozásának cselekvési terve: „Csuvashföld a jövőből és a jövőért” – a társadalom szociális-gazdasági és erkölcsi fejlődésének koncepcionális alapja