Hogyan modellezzük a jégkristályok képződését és felhalmozódását turbina motorokban?

A jégkristályok viselkedésének és felhalmozódásának megértése kritikus az olyan turbina motorok működésének biztonsága szempontjából, melyek repülés közben jégképződésnek vannak kitéve. A jégkristályok szállítására, falra való becsapódására és felhalmozódására szolgáló modellek különösen fontosak a jégképződés mechanizmusainak feltárásában és a jég okozta problémák előrejelzésében. Ezek a modellek lehetővé teszik a 2D és 3D jégképződési szimulációk integrálását, amelyek kezdetben a klasszikus, túlhűtött vízcseppeken alapuló jégképződés vizsgálatára lettek kifejlesztve.

Az alkalmazott modellek lehetővé teszik a jégkristályok pályáinak és méretének számítását a légáramlatban, különösen a turbina beszívó részén és a ventilátor mögött. Az elhelyezett hálózatok – az IGV (inlet guide vane), a rotor, valamint az EGV (exit guide vane) – segítségével modellezik a részegységek közötti áramlási viszonyokat, amelyek a jégképződés feltételeit teremtik meg. A modellalkotás során nem végeztek aerodinamikai optimalizációt az egyes lapátokon, mivel a hangsúly a részecskék követésén és a hőmérséklet-nyomás viszonyok biztosításán volt, amelyek kedveznek a jégkristályok lerakódásának.

A hőmérsékleti és nyomásviszonyokat figyelembe véve, a jég olvadási arányának változását a kompresszor különböző szakaszain mérik. Ez az olvadási arány az EGV környékén egy úgynevezett plató szintre emelkedik, ami egyértelműen jelzi a jégképződés kezdetét. A jégfelhalmozódás vastagságának numerikus becslése szerint az EGV külső átmérőjén jelentős jégfelhalmozódás figyelhető meg, míg magán a lapátokon csak kisebb mennyiségű jég rakódik le.

Az utóbbi időkben a jégkristályok törésének modellezése is fejlődött, amely a részecskék darabokra törését elemzi, amikor azok áthaladnak egy kísérleti egylépcsős kompresszoron. A numerikus szimulációk és kísérleti eredmények összevetése biztató eredményeket mutatott a törési dinamikák tekintetében, azonban a jég részecskék hőmérsékletváltozásának, különösen az olvadás megindulásának pontos reprodukálása továbbra is kihívást jelent.

Hogyan modellezhetjük az elektrotechnikai fagyvédelmi rendszereket a hőátadási mechanizmusok figyelembevételével?

A hővezetés csak az áramlási irányban kerül figyelembevételre, mivel a fűtőelemek vékonyak, és az irányra merőleges vezetés elhanyagolható ebben az esetben. A különböző anyagrétegekből álló alapréteget egyetlen rétegként modellezzük, amelynek egyenértékű hővezető képessége, $k_{wall}$, meghatározható. Ez az érték az ellenállás elektromos analógiájával számítható ki, figyelembe véve a fűtőelem felett elhelyezkedő rétegeket párhuzamos kapcsolásban. Az alsóbb rétegek nem kerülnek figyelembevételre, mivel azok hővezető képessége alacsony. Feltételezzük, hogy a keletkező hő a külső felület felé áramlik, nem pedig a levegőcsepp belső terébe.

Ekkor az egyenértékű hővezető képesség könnyen kiszámítható. A következő energia-megmaradás egyenletet az összes hőáram figyelembevételével állíthatjuk fel a folyadékrétegre vonatkozóan, amely az áramlás minden szempontjából meghatározó tényező:

Ahol $\dot{Q}_{conv,air}$ és $\dot{Q}_{conv,H2O}$ a levegő és a víz konvektív hőátadási tényezői közötti hőáramokat jelölik, $\dot{Q}_{in}$ és $\dot{Q}_{out}$ pedig az érzékeny hőmennyiséget, amely a víz belépésekor és távozásakor jelentkezik. $\dot{Q}_{imp}$ az impingáló cseppek okozta hő, míg $\dot{Q}_{evap}$ és $\dot{Q}_{ice}$ az elpárolgás és a fagyás által okozott érzékeny és rejtett hő.

A párolgási tömeghányadot a Fick-féle diffúziós törvény alapján becsülhetjük meg, ami lehetővé teszi a vízgőz tömegszállításának meghatározását a folyadékréteg felett található szaturált gőz- és a freestream áramlás közötti régiók között:

Ahol $h_m$ a tömegszállítási együttható, és $\rho_{H2O}$ a freestream áramlás régiójában lévő vízgőz tömege. A tömegszállítási együtthatót a Chilton és Collburn analógiája szerint számíthatjuk ki, amely a Nusselt, Sherwood és Schmidt számokat alkalmazza:

A futó víz tömeghányadát a kenési elmélet alapján kiszámítható folyadékrétegmodell segítségével határozzuk meg. A réteg olyan vékony, hogy a sebesség csupán a folyadékréteg magasságától függ, az aerodinamikai nyírófeszültség pedig elsősorban a víz mozgását irányítja.

A fagyás tömeghányadát úgy számíthatjuk ki, hogy figyelembe vesszük a víz beáramló tömeghányadát az egyes kontrollvolumenekben. A fagyás akkor következik be, ha a víz hőmérséklete 273,15 K alá csökken, és minden beérkező víz megfagy. Ha a hőmérséklet a küszöbérték felett van, akkor minden víz folyékony marad. Ha a hőmérséklet a két határérték között van, akkor a fagyás üteme arányos a víz hőmérséklete és a fagyási határ közötti eltérés normálásával.

A végső ismeretlenek a víz hőmérséklete $T_{H2O}$ és a felület hőmérséklete $T_{surf}$. A hődinamikai megoldó program a CFD és részecskekövetés eredményei alapján működik. A minimális sebesség pontja a stagnálási pont, ahol a határréteg számításokat kezdjük el a levegő hőátadási tényezőjének és a bőrfeszültség együtthatójának meghatározásához fix víz- és felületi hőmérsékleten.

A MADS (Mesh Adaptive Direct Search) algoritmus keretében az optimalizálás történik, amely lehetővé teszi a nemlineáris és szingularitásokat tartalmazó függvények kezelését. Az algoritmus célja, hogy megtalálja azokat a megoldásokat, amelyek megfelelnek az optimalizálási kritériumoknak, miközben figyelembe veszi az összes szükséges hőátadási és hővédekezési paramétert.

A víz hőmérséklete és a felületi hőmérséklet közötti kölcsönhatás fontos szerepet játszik a rendszer teljesítményének meghatározásában, mivel a hőátadás és az optimális működés kulcsfontosságú tényezők a fagyvédelmi rendszerekben. Az optimalizálási folyamat során a hőátadási tényezők, a víz áramlása, és a felületi hőmérséklet együttes hatása kerül figyelembevételre, hogy elérjük a legjobb lehetséges működési hatékonyságot.

A szintetikus jet-aktivátorral történő jégtelenítés hatékonysága különböző időpontokban: A numerikus szimulációk elemzése

A szintetikus jet-aktívátor (SJA) alkalmazása az egyik leghatékonyabb megoldásnak számít a repülőgépek jegesedésének megelőzésére, különösen azokon a területeken, ahol a hagyományos jégtelenítő rendszerek nem elegendőek. A különböző időpontokban végzett numerikus szimulációk segítségével alaposan vizsgáltuk azokat a dinamikai és termikus hatásokat, amelyek az SJA alkalmazása közben a légáramlatok, a nyomás- és sebességkontúrok, valamint a hőmérsékleti eloszlások között kialakulnak.

A második pillanat, amikor az aktívátor áramlása a csúcs ejection fázisában van, szintén jelentős hatásokkal bír. A nyomás- és sebességkontúrok mellett a hőmérsékleti mező is jelentősen módosul, mivel a hőmérséklet-különbség erőteljesen befolyásolja a jégképződés folyamatát. Az SJA áramlásának és a külső áramlás keveredésének következményeként a jégképződés a szárny felületén szintén minimális marad, mivel a felület folyamatosan magas hőmérsékleten tartja az áramlást, megakadályozva a jégkristályok tapadását.

A harmadik pillanat, amelyet megvizsgáltunk, a szívó és ejection fázisok közötti átmeneti időpont, amikor az aktívátor áramlásának sebessége ismét nulla. A nyomás- és sebességkontúrok ebben az állapotban hasonlóak az előző esettanulmányhoz, de a hőmérsékleti eloszlás az aktívátor hőhatása miatt nem egyenletes, ami szintén hozzájárul a jégképződés megakadályozásához. Az áramlás folyamatosan melegen tartja a felületet, így a jégfelhalmozódás minimális marad.

A negyedik és egyben utolsó pillanatban az SJA áramlása teljesen a szívó fázisban van. A nyomáskontúrok az aktívátorok mögött is magasabb nyomást jeleznek, míg a hőmérsékleti mező a szívó fázisban mutatja a leglátványosabb módosulásokat. Az SJA az előzőleg ejected meleg levegőt is magával hozza, ami tovább növeli a felület hőmérsékletét és csökkenti a jég felhalmozódásának esélyét. Ez a megfigyelés arra utal, hogy a megfelelő hőmérséklet fenntartásával és az aktívátorok ciklikus működtetésével a jégtelenítés hatékonysága folyamatosan biztosítható.

Ezek az eredmények kiemelik, hogy a szintetikus jet-aktívátorok alkalmazása különböző működési fázisokban rendkívül hatékony lehet a jégtelenítésben, különösen ha a megfelelő hőmérsékleti és áramlási paraméterek figyelembevételével történik a működtetésük. Az ilyen rendszerek használata nemcsak a jégtelenítés folyamatát gyorsítja meg, hanem javítja a repülőgépek teljesítményét is, mivel csökkenti a jegesedés hatásait, amelyek gyakran hátráltatják a repülési hatékonyságot és biztonságot.

Ezeket az eredményeket felhasználva a jégtelenítő rendszerek optimalizálása érdekében célszerű további kutatásokat végezni a szintetikus jet-aktívátorok elrendezéséről és a szükséges számú aktívátorok meghatározásáról, hogy a kívánt jégtelenítési célt elérhessük a minimális energiafelhasználás mellett. A jégtelenítés hatékonyságának javítása érdekében az aktívátorok működési ciklusának pontos időzítése és a megfelelő hőmérsékleti szabályozás kulcsfontosságú tényezők, amelyeket nem szabad figyelmen kívül hagyni.