Hogyan befolyásolja a jégszennyezés az aerodinamikai áramlás instabilitását és hogyan vizsgálható numerikus módszerekkel?

A jégszennyezés hatása az aerodinamikai áramlásra komplex és dinamikusan változó jelenség, amely komoly kihívásokat támaszt mind a kísérleti, mind a numerikus vizsgálatok számára. Az áramlás jellemzőinek megértése, különösen az instabil, szeparált áramlási zónák és a mögöttük kialakuló örvények dinamikája, kritikus a repülőgépek biztonságos működése szempontjából, hiszen a jég jelenléte jelentős légellenállás-növekedést és felhajtóerő-csökkenést okozhat, ami veszélyezteti a repülés stabilitását és hatékonyságát.

A numerikus szimulációk során a nagy felbontású, alacsony disszipációjú kompresszibilis Navier-Stokes megoldók alkalmazása lehetővé teszi az áramlás részletes, időben változó jellemzőinek leképezését. A különböző hálószövetek, turbulencia modellek és numerikus sémák használatával a szimulációk hitelesítése és validálása biztosítja az eredmények megbízhatóságát, különös tekintettel azokra az instabil jelenségekre, mint a vortex párosodás, leválás, szétesés és feltekeredés.

Az aerodinamikai jellemzők összehasonlítása különböző jégrétegek, például a kürt jég és a hosszirányú jéggerinc esetében, tovább mélyíti a megértést. Az egyes jéktípusokhoz kapcsolódó áramlási mintázatok és azok instabilitási frekvenciái a Proper Orthogonal Decomposition (POD) és a Dynamic Modal Decomposition (DMD) módszerek segítségével elemezhetők, amelyek feltárják az örvényleválás domináns módusainak fejlődését, valamint az áramlásban megjelenő koherens szerkezetek frekvenciatartományát.

Az áramlás instabilitása jelentősnek bizonyul mind alacsony, mind magas frekvenciájú hullámokban, amelyek összefüggésben állnak az örvénydinamikával és az áramlás időbeli változásaival. Ezek a fluktuációk nem csupán a statikus légellenállás növekedését eredményezik, hanem a szerkezeti rezgések, zaj és akár a repülőgép irányíthatóságának romlását is okozhatják.

Az aerodinamikai áramlás jégszennyezéssel érintett területeinek pontos modellezése és megértése ezért kulcsfontosságú a repülésbiztonság növelésében, és lehetőséget ad a jég elleni védekezési rendszerek fejlesztésére, valamint a repülőgépek tervezésének optimalizálására.

Hogyan befolyásolja a hőmérséklet és a cseppméret az JET alapú jégvédelmet?

A hővel aktivált szintetikus jet aktorok (SJA) alkalmazásának egyik legfontosabb kutatási területe a jegesedés elleni védekezés, amely különféle paraméterek hatását vizsgálja. Az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja az ilyen típusú rendszerek hatékonyságát, az a vízcsepp eloszlása, a cseppátmérő, valamint a szabad áramlás és az SJA kamra hőmérséklete. Az alábbiakban bemutatott kutatás azt vizsgálja, hogyan befolyásolják ezen paraméterek a jegesedés mértékét a szintetikus jet aktorokkal ellátott felületeken.

A kutatás során különböző vízcseppeloszlásokat hasonlítottak össze, például a monodiszperz és a Langmuir-D eloszlást, melyek mindkettő ugyanazon 20 mikronos közepes térfogatú átmérővel rendelkeztek. A kísérletek során a SJA kamra hőmérsékletét 75 °C és 100 °C között variálták, miközben a szabad áramlás hőmérséklete –20 °C volt. Az eredmények azt mutatták, hogy a két eloszlás között alig volt különbség a jégképződés mértékét illetően, azaz a vízcsepp eloszlása nem gyakorolt jelentős hatást a jegesedés mértékére. Mindkét esetben csak elenyésző jéglerakódás volt tapasztalható, amit az aktorok hője nem tudott befolyásolni.

Egy másik fontos tényező, amelyet a kutatásban vizsgáltak, az az SJA kamra hőmérsékletének hatása. Az alacsonyabb, 75 °C-os hőmérséklet esetén a vízcseppek gyorsabban fagyottak meg közvetlenül a felületre érkezésük után, míg a magasabb, 100 °C-os hőmérsékletnél a cseppek futása (runback) miatt a víz egy része messzebb fagyott meg, ami különböző jégtípusokat eredményezett. Az előbbi esetben a kisebb vízcseppek reggelező jeget (rime ice) képeztek, míg a nagyobbak síkos jeget (glaze ice) hoztak létre a futó víz következtében.

A vízcsepp átmérőjének hatása szintén érdekes megállapításokkal szolgált. Az 100 mikronos átmérőjű, szuperhűtött vízcseppek esetében a jegesedés mértéke alig volt nagyobb, mint a kisebb, 20 mikronos cseppek esetén. Azonban a nagyobb cseppek miatt a jégréteg formájában kis eltérések figyelhetők meg, például a jégfoltok mérete a vízfilm futása miatt. Ez arra utal, hogy a nagyobb cseppek esetében csak egy része fagy meg azonnal a felületen, míg a többi víz továbbhalad és később fagy meg, ami nagyobb jégtáblákat eredményezhet.

A kutatás kiterjedt a szabad áramlás hőmérsékletének hatására is. Az alacsonyabb, –20 °C-os hőmérséklet esetén nagyobb mennyiségű jég rakódott le a felületen, mivel a vízcseppek közvetlenül fagyottak meg anélkül, hogy elegendő idő lett volna a szintetikus jet aktoroknak a jég eltávolítására. Ezzel szemben a magasabb, –10 °C-os hőmérséklet esetén a vízcseppek nem fagytak meg azonnal, így elegendő idő maradt arra, hogy a szintetikus jetek eltávolítsák a jégréteget a felületről.

Végül a kutatás foglalkozott a szinguláris hővel aktivált szintetikus jet aktorok alkalmazásával is, amelyek egyes típusú felületeken, például a szegmensekbe épített jégvédelmi rendszerekben alkalmazhatók. Az elemzés azt mutatta, hogy egyetlen aktor beépítése is képes jelentős jégvédelmi hatást biztosítani, különösen akkor, ha megfelelően van elhelyezve, hogy csökkentse a jégképződést a felületen. Az optimális elosztás és elhelyezés további kutatásokat igényelhet, amely hozzájárulhat a szintetikus jet aktorok hatékonyságának maximalizálásához, miközben minimalizálja az energiaköltségeket.

Fontos figyelembe venni, hogy a szintetikus jet alapú jégvédelmi rendszerek különböző paraméterekre reagálnak, mint például a vízcsepp eloszlása, az áramlás hőmérséklete és a cseppméret. Az optimális rendszert az adott környezeti körülményekhez és a kívánt védelem mértékéhez kell igazítani. A további kutatások során érdemes lesz a különböző hőmérsékleti paraméterek, a különböző szintetikus jet konfigurációk és azok kölcsönhatásainak részletesebb vizsgálata, hogy a jégvédelmi rendszerek hatékonyságát még inkább javítani lehessen.

Hogyan szimuláljuk a nagy sebességű megfagyott cseppek ütközését és szilárd testekhez történő szilárdítását?

A cseppek különböző száraz, nedves, jeges vagy bevont felületeken történő ütközése és részleges megfagyása összetett fizikai jelenség, amely különböző numerikus módszereket igényel a pontos modellezéshez. A jelenlegi számítógépes folyadékdinamika (CFD) szimulációk, amelyek a felületi problémák kezelésére követési vagy felületet rögzítő technikákat alkalmaznak, a hálózatok frissítésére kényszerülnek a folyamat evolúciója során. Ennek következtében ezek a módszerek a felületek közepes mozgásainál nem alkalmazhatók, mivel a mesh frissítésével járó számítási költségek jelentősek (Tezduyar, 2002). Azok a felületet rögzítő technikák, mint a Volume of Fluid (VOF) módszer (Hirt és Nichols, 1981) vagy a Level-Set (LS) módszer (Sussman et al., 1994), amely egy aláírt távolsági függvényt használ a felületek rekonstruálásához, több rugalmasságot mutatnak, és képesek komplex felületek kezelésére. Azonban ezek a módszerek nem garantálják a tömeg megőrzését, különösen akkor, ha a cseppek becsapódása mellett fröccsenő cseppek és részleges szilárdulás történik.

Bár a jelenlegi ismeretek szerint nincs olyan nyilvános szakirodalom, amely egyszerre modellezné a megfagyott nagy sebességű cseppek ütközését és szilárdítását, a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) módszer különleges lehetőségeket kínál. Az SPH képes az evolváló felületek kezelésére, a tömeg megőrzésére és a fázisváltások, keverékek komplex fizikájának modellezésére, így kiválóan alkalmas a nagy sebességű megfagyott cseppek ütközésének és szilárdításának szimulálására.

Az SPH módszert először Gingold és Monaghan (1977) javasolták asztrofizikai problémák megoldására, ahol a fizikai mezők térbeli deriváltjait a szomszédos részecskék integrálása révén közelítettek. Az asztrofizikai siker után Monaghan a szabadfelületi áramlások (Monaghan, 1994) és felületi áramlások (Colagrossi és Landrini, 2003; Grenier et al., 2009) modellezésére is alkalmazta, így a módszer gyorsan népszerűvé vált a folyadékdinamika alkalmazásában. Az eredeti SPH séma, amelyet numerikus instabilitások és nem fizikai zajok jellemeztek, több numerikus technikát indított el a problémák megoldására.

A túlzott részecske-oscillációk csökkentésére egy mesterséges viszkozitási tagot javasoltak (Monaghan és Gingold, 1983), amely később a szabadfelületi áramlásoknál is alkalmazásra került. Ezen kívül a folyamatos egyenlethez diffúziós tagot vezettek be a nyomásban jelentkező magas frekvenciájú zajaik csökkentésére (Molteni és Colagrossi, 2009). Továbbá egy részecske-eltolási technikát is kidolgoztak az inkompresszibilis SPH módszer numerikus instabilitásának kezelésére (Xu et al., 2009), amely később az SPH-ra is kiterjedt (Sun et al., 2017).

Az SPH alkalmazása a falakhoz kötött áramlások esetén (Monaghan, 1994) repulziós erőket alkalmazott a szilárd falak reprezentálására, de a szilárd határok közelében előforduló nem kívánt részecske-oszcillációk miatt a módszert továbbfejlesztették. A ghost particle módszert (Colagrossi és Landrini, 2003) és a fix ghost particle módszert (Marrone et al., 2011) alkalmazták a komplex geometriájú szilárd falak hatékony kezelésére. E fejlesztések révén az SPH sikeresen alkalmazható a cseppek ütközésének szimulálására (Zhang et al., 2008; Nishio et al., 2010; Yang et al., 2017).

A hővezetés és a szilárdítás problémáinak SPH alkalmazásával történő vizsgálatára (Cleary és Monaghan, 1999; Monaghan et al., 2005) szintén sor került. Az energiaegyenlet diszkrétizálásának legnagyobb kihívása a másodrendű deriváltak rossz becslésében rejlett, amit végül egy integrált energiaegyenlet alkalmazásával sikerült megoldani. Ezt az megközelítést több Stefan-probléma megoldására alkalmazták, és az analitikus megoldásokkal való jó egyezést mutattak.

A különböző csepp- és felületinterakciók szimulálása során az SPH sikeresen kezeli a különböző határokat, mint például a nem-wetting felületeket. A szilárd felületek nem nedvesítő tulajdonságait olyan érintkezési szög modell segítségével kezelték, amely folyamatos felületi feszültségmodellen alapul (Hu és Adams, 2006). Az érintkezési szögek és a háromfázisú interakciók pontos modellezésére olyan fejlesztések történtek, amelyek képesek voltak figyelembe venni a dinamikus háromfázisú pontot, különösen a cseppek hidrofób felületeken történő ütközésének szimulálása során.

A jelenlegi munka tehát a több szempontból kifejlesztett SPH keretrendszert alkalmazza a repülési sebességek melletti megfagyott cseppek ütközésének és szilárdításának szimulálására. A modell integrálja az egyes fejlesztéseket, beleértve a levegő és víz fázisokat is, és alkalmazza a különböző technikákat, mint a ghost particle metódust, az érintkezési szög modellt és a nem nedvesítő hatások kezelését. Ezáltal egy új, robusztus módszert kínál a repülési sebesség melletti jegesedési problémák megoldására.

Hogyan modellezhető a repülés közbeni jégképződés részecske-alapú morfogenezis segítségével?

A repülés közbeni jégképződés numerikus szimulációja egy összetett, többlépcsős folyamat, amely a légáramlás, a cseppek mozgása és a jég vastagodásának kölcsönhatásait vizsgálja. A folyamatot modulárisan kezeljük, ahol az egyes modulok kimenete szolgál bemenetként a következőhöz. Elsősorban a morfogenezis-modellre koncentrálva, először csak röviden tekintjük át az azt megelőző lépéseket és azok paramétereit, amelyek alapul szolgálnak a jég alakváltozásának szimulációjához.

A CFD (Computational Fluid Dynamics) modul számítja ki a jégképződés tárgyának körüli légáramlást és a hőátadási eloszlást a felületen. Ez a sebességmező alapul szolgál a Lagrange-féle csepppálya-számítónak, amely feltételezi, hogy a cseppek gömb alakúak és nem zavarják a légáramlást. A cseppek kezdeti pozíciója egy sík felület a szárny élétől egy chord hosszal előrébb, ahol sebességük megegyezik a levegő sebességével ezen a ponton. Érzékenységi elemzések igazolták, hogy a kezdeti távolság növelése nem befolyásolja jelentősen az ütközési hatékonyság eloszlását.

A csepppályák kiszámítása lehetővé teszi az ütközési hatékonyság és a becsapódási szög eloszlásának meghatározását, amelyet a morfogenezis-modell használ fel. Ez a modell a becsapódó cseppek tömegáramát fluid részecskékre bontja, amelyek mérete a számítási hatékonyság érdekében általában egy rácselem méretével egyezik meg. Ezek a részecskék valójában több felhőcseppet foglalnak magukban, azonos történettel.

A morfogenezis-modell egy háromdimenziós kockarácsot alkalmaz, amelyen a jég vastagodását részecskénként építi fel, ezáltal valósághűen utánozza a jégképződés időbeli változását és a fizikai törvényszerűségeket. A részecskék véletlenszerűen csapódnak be a tárgy vagy a kialakult jég felületére, az ütközési hatékonyság eloszlásának megfelelően. A becsapódás után a részecske véletlenszerű járást végez a felületen, mozgása az energia- és tömegmegmaradás szabályain, valamint a légáramlás irányába történő áramlási hajlam miatt alakul ki.

A jégképződés helyi fizikai folyamatait állandósult hőegyensúly írja le, amelynek egyenlete a következő: a fagyáshoz szükséges rejtett hő (Q_F) egyenlő a konvekciós (Q_C), párolgási (Q_E), aerodinamikai (Q_A) és a cseppek által közvetített érzékelhető hő (Q_S) összegével. Ezek az értékek az adott légköri és felületi körülményektől függnek, például a levegő és felület hőmérsékletétől, a folyadék víztartalmától, a légáramlás sebességétől és a hőátadási tényezőktől.

A jégfajta meghatározásakor két esetet különböztetünk meg: a gleccserjég (glaze ice), amikor a felület hőmérséklete 0°C, és a fagyási tömegáramot számítjuk, valamint a hó/jegesedési jég (rime ice), amikor a fagyási tömegáram megegyezik a becsapódó víztömeggel, és a felületi hőmérséklet az ismeretlen. A jégképződés helyi tömegáram egyensúlyát úgy fejezzük ki, hogy a felületről kifelé áramló víz mennyisége egyenlő a beáramló víz és a helyileg becsapódó víz mennyiségének különbségével.

Fontos megérteni, hogy bár a légáramlás, a csepppályák és a hőátadás számítása alapvetően egyszeri, jégmentes állapotra korlátozódik, bizonyos esetekben lépésenkénti újraszámítás is alkalmazható, ami lehetővé teszi a jégképződés dinamikus evolúciójának még pontosabb modellezését. Az alkalmazott morfogenezis megközelítés nem pusztán geometriai, hanem fizikailag is alátámasztott, így reálisabbá teszi a jég formájának és eloszlásának előrejelzését, amely kritikus az aerodinamikai tulajdonságok és a repülésbiztonság szempontjából.

Mindezek mellett a modell a jégképződés több fizikai folyamatát integrálja, mint a konvekció, párolgás, aerodinamikai fűtés és a cseppek hőcseréje, így a szimuláció mélyebb betekintést ad a jég kialakulásának összetett mechanizmusába. Az alkalmazott morfogenezis-modell a jégképződés időbeli és térbeli változásait finoman leképezi, lehetővé téve a jég vastagodásának és alakváltozásának pontosabb előrejelzését különböző légköri és repülési körülmények között.