Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
A modell különféle definíciókat igényel, amelyeket a felületre érkező cseppek jellemeznek, nevezetesen: Ohnesorge-szám (Oh), Reynolds-szám (Rep), Mundo fröccsenési paraméter (K), LEWICE fröccsenési paraméter (KL) és a normál LEWICE fröccsenési paraméter (KL,n). Az Ohnesorge-szám a következőképpen van meghatározva:
A Reynolds-szám (Rep) és a Mundo fröccsenési paraméter (K) is alapvetően fontosak a fröccsenési modell meghatározásában, hogy a folyamatok dinamikáját helyesen modellezzük:
Miután meghatároztuk, hogy a fröccsenés egy adott helyen bekövetkezik-e, kiszámíthatók az összes utólagos fröccsenési érték (x)s a becsapódás előtti értékek (x)i függvényében. Ekkor a gyűjtési hatékonyságot korrigáljuk annak figyelembevételével, hogy mennyi víz nem ragad a falhoz a becsapódás után. Az olyan másodlagos cseppeket, amelyek fröccsenéssel vagy visszapattanással keletkeznek, elhanyagolhatjuk, vagy újra nyomon követhetjük, hogy további gyűjtési hatékonyságot számoljunk ki.
A szuperhűtött nagy csepp (SLD) területén a fröccsenési korrekció létfontosságú a kísérleti adatokkal való jó egyezés eléréséhez. Az impingálási határok sokkal pontosabban kerülnek meghatározásra, miközben a csúcs viszonylag állandó marad. A becsapódás utáni modellezés egy másik fontos tényezője, hogy a másodlagos cseppeket figyelembe kell venni az újrafeldobás során, amikor a kezdeti cseppek elérik a falakat, vagy továbbhaladnak az eredeti helyükről.
Az Euler-féle impingálás szimuláció befejezése után, miután a fröccsenési korrekciók alkalmazásra kerültek, a másodlagos cseppeket nyomon követhetjük annak meghatározására, hogy hány csepp ütközik újra a hátsó felületekhez, vagy a fő felület mögötti területeken. Ehhez az Euleri megoldót használjuk az elsődleges cseppek nyomon követésére, míg a szilárd falakon történő becsapódáskor keletkező másodlagos cseppeket a Lagrange-i megoldóval követjük nyomon. E két különböző megközelítés alkalmazása a két módszer erősségeinek és gyengeségeinek figyelembevételével történik.
Az Euleri megoldás nagyon robusztus, és ideális homogén cseppekhez, mint amilyenek a szabadáramlatban találhatók, de nem képes kezelni a nagyon heterogén cseppeket, amelyek sok keresztirányú pályát mutatnak. Ezzel szemben a Lagrange-i megoldás képes nyomon követni a cseppeket bárhol a rácson, de sokkal nehezebb beállítani egy ilyen szimulációt.
Amikor a másodlagos cseppeket az Lagrange-i megoldóval követjük, a számított jellemzőket át kell alakítani a megfelelő formátumba, hogy az Euleri szimulációban szerzett eredmények alapján végezhesse el a gyűjtési hatékonyság számításait. Az egyes rácselemekre vonatkozó tömegcsepp-fluxust az alábbi képlettel konvertáljuk:
Miután nyomon követtük a másodlagos cseppeket, és azok ütköztek a felületekkel vagy elvesztek a hátsó területeken, a végső gyűjtési hatékonyságot az alábbi képlettel számíthatjuk ki:
A szimulációban az Euleri megoldásból származó cseppek csak egyetlen szettként kerülnek újra befecskendezésre a felületi rács egyes elemein, ami azt jelenti, hogy a Lagrange-i szimuláció nem feltétlenül éri el a rács konvergenciáját, mivel nem elegendő mennyiségű csepp kerül újra befecskendezésre. Ennek érdekében célszerű a másodlagos cseppeket „tömbökbe” szétválasztani, amelyek azonos jellemzőkkel és teljes tömeggel rendelkeznek, de kisebb távolságra vannak egymástól, hogy növeljük az újra befecskendezett cseppek számát. A re-injektálás célja, hogy jobb egyezést érjünk el a kísérleti adatokkal bonyolult geometriákban, több stagnálási ponttal rendelkező konfigurációk esetén, mint például a nagy emelőerejű szárnyformák.
Az egyik ilyen példa egy három elemből álló szárny konfiguráció, amelyen a szárnyak és a kormányfelület a fő elemről nyúlnak ki. Az eredmények azt mutatják, hogy a re-injektálás milyen mértékben növeli a gyűjtési hatékonyságot a három elem felszínei között.
Miután a különböző cseppátmérőkkel rendelkező cseppeket figyelembe vettük, fontos megérteni, hogy a cseppek eltérő viselkedést mutatnak a különböző átmérők esetén. A kisebb cseppek gyorsabban reagálnak a légáramlás változásaira, míg a nagyobb cseppek ballisztikus módon, egyenesebb pályákon haladnak. A cseppek eltérő viselkedésének megértése kulcsfontosságú a szimulációs modellek pontosításában.
Az ilyen heterogén cseppfelhők viselkedésének modellezésére alkalmazható a több bin-számolás, ahol a cseppátmérőket meghatározott számú „albuborékra” bontjuk. Ezt az eljárást arra használjuk, hogy figyelembe vegyük a különböző cseppek méretének eltéréseit, és minden egyes „bin”-ben külön-külön végezzük el a számításokat.
Az átmérők és víztartalom szempontjából végzett elemzés azt mutatja, hogy a megfelelő többszörös elosztási modell alkalmazása nagymértékben javíthatja a gyűjtési hatékonyság becsléseit és a kísérleti adatokkal való összhangot.
A rotorlapát jegesedésének numerikus szimulációja és a kvázi-statikus megközelítés alkalmazása
A rotorlapátok jegesedésének vizsgálata különböző oszcillációs frekvenciák és stabil állapotok mellett, különböző légsebességek, támadási szögek és LWC (liquid water content, azaz vízcsepp koncentráció) értékek mellett történt. Az ilyen típusú kísérletek célja annak megértése, hogy a különböző üzemeltetési körülmények között hogyan változik a jégformálódás a rotorlapátokon, különös tekintettel a frekvenciák és az oszcilláló mozgások hatására. Az egyik fontos eredmény, amelyet Reinhart és társai (2011) jelentettek, hogy a jégformák nem változnak jelentősen az oszcillációs frekvencia függvényében. Az oszcilláló mozgásokat egy rendkívül lassan mozgó lapátnak tekintették, és ezt kvázi-statikus események sorozataként modellezték.
Ez az elképzelés a numerikus szimulációs modellekben is alkalmazásra került, ahol a rotorlapát dőlésszögét és sebességét egy nagyon lassú oszcilláló mozgásra cserélték le. A modellezés során a sinusoidális funkciók és azok diszkrét lépésekre bontása vált alapvetővé. A kvázi-statikus megközelítés az azimutális pozíciók függvényében biztosítja az aerodinamikai adatok kiértékelését a CFD eredményekből, amelyeket a LEWICE3D program segítségével alkalmaznak a jegesedés előrejelzésére.
A rotorlapát jegesedésének előrejelzése a loose coupling technikával történt, amely az aerodinamikai adatokat a rotorlapát tiszta konfigurációjának teljesítménye alapján számította ki. Az elemzés során a rotorlapát jégformája előrejelzésre került az oszcilláló mozgások alapján, és a leolvasható eredményeket összevetették a kísérleti adatokat tartalmazó mérésekkel. Az ilyen típusú szimulációs módszerek az egész légkörben a rotorlapátok jegesedésének modellezésére szolgálnak.
A CFD alapú szimulációk alkalmazása során az egyes lépéseken végrehajtott iterációk segítségével a jegesedési időszak végén a rotorlapátok jégformáját újra- és újra generálták, a szimulált adatokkal összhangban. Az eredmények a mért jégformákkal való összevetés során figyelemre méltóan pontosnak bizonyultak, különösen a jégmenyiség eloszlásának előrejelzése során. Azonban a kis sugárhelyeken, különösen az 50%-os körüli helyeken, az előrejelzett jégformák nem mindig voltak pontosak.
A rotorrepülés során alkalmazott jégtakarók előrejelzése külön figyelmet igényel, mivel az ilyen típusú szimulációk során gyakran figyelmen kívül hagyják a jég apró részleteit, például a jégszálakat és a felületi érdességet. A kis jégtakarók az aerodinamikai fűtés következményeként jelenhetnek meg a rotorlapát csúcsán, de a modellezés során az ilyen apró jégformák nem minden esetben kerülnek előrejelzésre.
A kvázi-statikus megközelítés az oszcilláló rotorlapátok jegesedésekor hasznos, de korlátozott a jégtakarók precíz előrejelzésében, különösen az olyan esetekben, amikor az oszcilláló mozgás gyorsasága jelentős hatással van a jégformálódásra. Az ilyen típusú előrejelzéseket tehát tovább kell finomítani, figyelembe véve a 3D áramlás jellemzőit, mivel a rotorok működése háromdimenziós áramlási környezetben történik.
A legfontosabb megjegyzés, hogy a rotorlapátok jegesedése több tényező kölcsönhatása, és a numerikus szimulációk során a kvázi-statikus megközelítés alkalmazása bár sok esetben alkalmazható, nem minden körülmény között nyújt pontos eredményeket. A háromdimenziós áramlás modellezése és az unsteady (időben változó) mozgások figyelembevétele elengedhetetlen a precíz előrejelzéshez. A rotorlapátok jegesedésének teljeskörű modellezése során a különböző aerodinamikai és fizikai feltételek, mint például a hőmérséklet, légsebesség és az esőcseppek koncentrációja, szoros kapcsolatban állnak a jégformálódás dinamikájával.
Hogyan modellezhetjük a helikopterek jegesedését és jégleválását a számítógépes szimulációk segítségével?
A Helicopter Icing Spray System (HISS) által generált mesterséges felhő mérete elsősorban a rotoros repülőgépek komponenseinek jegesedésére lett kifejlesztve, nem pedig a teljes repülőgép jégverésére. Továbbá, a Chinook helikopterek repülési sebessége korlátozott, ami megnehezíti a magas sebességgel rendelkező rotoros repülőgépek, mint az AW609, tesztelését. Az általános kinti jegesedési tesztek is függnek a nulla alatti külső hőmérséklettől, ami azt jelenti, hogy ezek a tesztek évente csak korlátozott hónapokban végezhetők el. Azonban a kísérleti jégtakaró kutatóhelyek segítettek a jegesedési környezet szigorúbb kontrollálásában. Bár a helikopterek jegesedésére vonatkozó kutatóközösség legjobb erőfeszítései ellenére még a legnagyobb jegesedési kutató szélcsatornák sem képesek teljes méretű rotorlapátok jégképződési kísérleteit végezni. Ennek következtében bevezették a jégképződés mértékének skálázási módszereit, de még mindig nincs egyetértés a legjobb gyakorlatokban a rotorlapátokon történő jégskálázási törvények tekintetében. Ezt a problémát tovább súlyosbítja a kísérleti modellek kicsinyített mérete.
A NASA Icing Research Tunnelban végzett kísérletek során a Power Force Model alkalmazott 0.175-ös méretarányú UH-60 fő rotorlapátokat (Flemming et al., 1991; Flemming és Saccullo, 1991). A közelmúltban a NASA áttért arra, hogy egy teljes méretű Bell 206 farokrotort használjon, amelynek átmérője 65 inch, hogy kezelje ezt a problémát (Wright és Aubert, 2014). Ezen kívül a Université du Québec à Chicoutimi egy 1/18-as méretarányú modellt alkalmazott a jégvédelmi rendszerek tesztelésére (Fortin és Perron, 2009). A legnagyobb rotor jegesedési kísérletek az Adverse Environmental Rotor Icing Test Stand körül zajlottak, ahol 9 láb átmérőjű rotorokat is bemutattak (Palacios et al., 2012). Ezen kísérleti létesítményekben olyan rotorokat használtak, amelyek a teljes méretű helikopterlapátokkal megegyező húrmérettel rendelkeztek, de a méretarányos rotor átmérők továbbra is szükségesek maradtak.
A numerikus modellezés tehát egy alternatív megközelítés a rotoros repülőgépek jegesedési jelenségeinek megértésére, amely képes leküzdeni ezeket a gyengeségeket. Azonban a numerikus rotoros jegesedési előrejelzések annyira hitelesek, amennyire a modellek megbízhatók. Így a modellezési feltételezéseket korlátozni kell a modellek előrejelzéseinek pontossága érdekében.
A rotoros repülőgépek jegesedési szimulációs technikáinak megvitatása előtt érdemes megérteni a szimulációs struktúrát, amelyet a fix szárnyú repülőgépek jegesedésének előrejelzésére használnak. A hagyományos fix szárnyú jegesedési szimulációs struktúra rutinszerűen egy háromlépcsős folyamatot alkalmaz, amely iteratívan frissíti a jegesedés dinamikáját. Ez a szimulációs folyamat általában a többlépcsős jégfelhalmozódás néven ismert, és az alábbi diagram szerint működik.
Az első szakaszban áramlásmegoldót használnak, hogy meghatározzák az aerodinamikai áramlási mezőt azokon a területeken, amelyek jegesedésnek vannak kitéve, például a szárny, a törzs vagy akár a Pitot-cső körül. A második szakaszban cseppmegoldót alkalmaznak, amely kiszámítja a túlhűtött vízcseppek mozgásait a folyadékáramlatban, hogy meghatározzák azok ütközési helyeit és gyűjtési hatékonyságát. A harmadik szakaszban egy jégszimulációs megoldót alkalmaznak a jégalakzatok számítására, figyelembe véve a jegesedési modelleket, amelyek a felületi hőmérséklettől és a gyűjtési hatékonyságtól, valamint más befolyásoló tényezőktől függnek. A többlépcsős jégfelhalmozódás aztán bevezeti a negyedik szakaszt, amely frissíti a jégmegtartó hálózatot, gyakran hálódeformációs technikák alkalmazásával.
A rotoros repülőgépek jegesedésének szimulálására kifejlesztett legújabb technikák rövid története következik. A különböző numerikus modellezési technikák összefoglalója, amelyek a rotoros repülőgépek jegesedésének szimulálására szolgálnak, az alábbi táblázatban látható. Az időszakok és a feltételezések bemutatásán túl az is nyilvánvalóvá válik, hogy az idő előrehaladtával az alkalmazott szimulációs módszerek is egyre pontosabbá váltak.
1991 és 1994 között Britton, Bond és Flemming fejlesztette és vizsgálta a LEWICE jégszimuláló kódot a rotoros repülőgépek számára. Munkájuk kulcsszerepet játszott a rotoros repülőgépek jegesedésének kutatásában (Britton és Bond, 1991; Flemming et al., 1994). Ők voltak a Helicopter Icing Consortium tagjai, amely jégtakaró kísérleteket végzett a NASA Lewis Icing Research Tunnelban. Kísérleteik során begyűjtött adatokat használták a kód validálásához elméleti modellekkel. Britton azzal is hozzájárult, hogy analitikai módszert dolgozott ki a helikopter fő rotorjának teljesítményének előrejelzésére jegesedési körülmények között. Flemming emellett a szélcsatornák és számítógépes kódok fontosságát is kiemelte a helikopterek jegesedési körülmények közötti minősítésében és tanúsításában.
A 2000-es évek közepén a numerikus modellezés újra fókuszba került, különösen a szimulációs szoftverek fejlődésével. A 2009-2011 közötti időszakban a kutatók egy csoportja, köztük Sankar, Flemming és Kreeger, új megközelítést dolgozott ki a rotoros repülőgépek jegesedésének modellezésére, amely magában foglalta a hibrid CFD szimulációt, amely pontosan modellezte a rotorra ható háromdimenziós áramlásokat.