Hogyan működnek az elektrotermális jégvédelmi rendszerek: Modellezés és szimuláció

Az egyre szigorodó légiközlekedési előírások és a növekvő üzemanyag-hatékonysági követelmények miatt az új jégvédelmi rendszerek fejlesztése elengedhetetlen. Az egyik ilyen innovatív megoldás az elektrotermális jégvédelmi rendszer (ETIPS), amely a hagyományos „léghűtéses” rendszerekkel szemben jelentősen csökkenti az energiafelhasználást. Az elektrotermális rendszerek tervezésében és fejlesztésében a modellezés és szimuláció kulcsfontosságú szerepet játszik, mivel ezek segítségével hatékonyabban érhetők el a kívánt működési paraméterek és a légijárművek jégmentesítése.

Az elektrotermális jégvédelmi rendszerek működése rendkívül bonyolult, mivel számos fizikai jelenség összehangolt hatása révén működnek. Az ETIPS célja, hogy megakadályozza a jégképződést (anti-icing) vagy elolvasztja azt (de-icing) a jégképződés által veszélyeztetett felületeken. Az elektrotermális rendszer egy réteges anyagba beágyazott fűtőszőnyegekből áll, amelyek a jég elleni védekezéshez szükséges hőt biztosítják. E rendszerek esetén a hővezetés az alapvető fizikai jelenség, amelyet a hővezetési egyenletek szabályoznak, figyelembe véve az anyagok heterogén hővezetését és esetenként az anizotróp anyagok tulajdonságait.

Az ETIPS modelljének felépítése a következőképpen történik: a hőáramot az elektromos fűtőszőnyegek biztosítják, amelyek a szárny felületén helyezkednek el. Az egyes fűtőelemek aktívvá válásával az érintkező jégréteg megolvad, vízfilm keletkezik a felületen, és a jég tapadóképessége csökken, lehetővé téve a jég darabjainak leválását. A modell szimulációja tehát olyan fizikai összefüggéseket igényel, amelyek nem csupán a hőáramlást, hanem a jégrétegek képződését és leválását is figyelembe veszik.

A jégképződés és a jégvédelmi rendszerek szimulációja összetett feladat, mivel több fizikai jelenség együttes hatása érvényesül. Az aerodinamikai áramlás az egyik kulcsfontosságú tényező, amely a szuperhűtött vízcseppeket szállítja, és azok becsapódását eredményezi a szárny egyes részein. Ugyanakkor az áramlás hőátadást is generál a határréteg és a jég/airfoil között, amely szükséges a hatékony jégvédelmi működéshez. Az ilyen típusú rendszerek szimulációja gyakran több modult igényel, amelyek összekapcsolva működnek a számítások során.

A jégréteg-modellezés során az egyik leggyakrabban használt megközelítés az, hogy egy invazív áramlásoldót alkalmaznak a külső áramlási mező meghatározására. Ez az áramlási mező alapjául szolgál a csepppálya modulnak és a határréteg modulnak, amelyek további bemeneteket biztosítanak a jégképződést modellező modul számára. A jégképződési modul és a jégvédelmi rendszerek szimulációja közötti kapcsolódás szoros, mivel a védelmi rendszerek hőmérsékletet generálnak, ami befolyásolja a jégképződést.

Az elektrotermális jégvédelmi rendszerek hőszimulációs modellezése különösen bonyolult, ha figyelembe vesszük, hogy az alkalmazott hőforrások helye és típusa nagy mértékben meghatározza a rendszer teljesítményét. Az ETIPS esetében a hőforrás a szárny belsejében található fűtőelemek, amelyek közvetlenül a hővezetési egyenletbe beépíthetők, ellentétben például a hagyományos léghűtéses rendszerekkel, ahol a hőforrást a motorok biztosítják. A hőátadás során fontos a megfelelő hővezetési koefficiens és referenciahőmérséklet meghatározása a szárny belső határán.

A modellezés egyik legnagyobb kihívása, hogy figyelembe kell venni a hőmérséklet eloszlásának időbeli változásait is. Ehhez két különböző megközelítés használható: állandó állapotú (steady-state) és időben változó (unsteady) formulák. Az állandó állapotú modell azokat az eseteket kezeli, ahol a rendszer stabil hőmérsékleten működik, míg az időben változó modell a dinamikusan változó környezetekben hasznos. Ezen modellek kombinálása segít abban, hogy pontos szimulációkat végezhessünk különböző légiközlekedési környezetekben.

A jég leválásának szimulációja egy különálló modul, amely szorosan kapcsolódik a hőátadás és a jégképződés folyamataihoz. A megfelelő modell kiválasztása és az összes modul közötti kommunikáció lehetővé teszi a pontos előrejelzéseket és a jégvédelmi rendszerek hatékonyságának optimalizálását.

Hogyan befolyásolják a széláramlatok és a hővezetés a jég lerakódást és eltávolítást repülőgépeken?

A NACA0012 szárnyprofil esetében, amelyhez jégréteg van csatolva, az aerodinamikai feltételek az 3. táblázatban találhatók. Az esetet a 18. ábra illusztrálja. A jégréteg a x = 0,02 m-es pozíciótól kezdődik, és egy görbült távolságot, Lt = 0,0337 m-t ölel fel. Az elmélet lényege, hogy feltételezzük, hogy egy vékony folyadékfilm terjed el Lf távolságban. Minden fix Lf értéknél elvégezhetjük a törési mechanikai szimulációt annak megállapítására, hogy a jég eltörik-e vagy sem. Így változtathatjuk Lf-t addig, amíg a törés nem következik be, kezdve Lf = 0-val. A számításokhoz az alábbi mechanikai jellemzőket használták a jég esetében: E = 8,2 GPa, v = 0,325 és gc = 0,7 J/m² (ahol E a Young-modulus, v a Poisson-arány, gc pedig a kritikus energia kiadási sebesség). A külső nyomáseloszlás a 19a ábrán látható, és a nyomás csökkenést mutat a kiemelkedésen. Ennek megfelelően a feltételezett vízfilmben a nyomás 67 000 Pa-ra lett beállítva.

A 19b ábra a nyomásmezőt és a sérülésmezőt ábrázolja az LfL = 62%-os értéknél. Ezen a konkrét Lf értéknél a törési mechanikai megoldó azt jósolja, hogy egy repedés áthatol a jég teljes vastagságán. Ez az eredmény azt mutatja, hogy a modell képes rögzíteni a leválás jelenségét, mielőtt a felület teljesen megolvadna. Egy adott kritikus Lf értéknél a feszültségkoncentráció elegendő ahhoz, hogy repedés keletkezzen és terjedjen a jég teljes vastagságán, így leválasztva egy darabot a jégből. A repedés mindig a megolvadt terület belső csúcsából keletkezik.

A határréteg-megoldók széles körben használatosak a jéglerakódás közösségében a valódi jéglerakódás modellezésére. Ezeket a megoldókat egy alapvető viszkózus-inviszkózus interakciós megközelítéssel integrálják, amely általában egy egyszerű, egyirányú kölcsönhatás, ahol a határréteg-megoldó az invizkózus megoldó bemeneteit használja (lásd a 3. ábrát). A határréteg-megoldókat jégvédelmi rendszerek modellezésére is használják. Például egyszerűsített integrált módszereket alkalmaznak Morency és társai (1999), Al-Khalil és társai (1997), Silva és társai (2007), Wright (2008) és Bu és társai (2013). Az egyszerűsített integrált módszer a határréteg-egyenletek megoldásával jár, algebraikus megoldások segítségével, amelyek egyszerűsítő feltételezések (például 2D síkfelület nulla nyomásgradiense) alkalmazásával keletkeznek (Trontin és társai 2017; Kays és Crawford 1993). Ez a megközelítés egyszerű konfigurációk esetén hatékony, például egyenes szárnyak esetén, jégvédelmi rendszer nélkül. Azonban az egyre bonyolultabb konfigurációk miatt az ezen alapuló feltételezések egyre inkább elfogadhatatlanná válnak. Így pontatlanságok merülhetnek fel, ha ilyen egyszerű megközelítéseket alkalmazunk a fűtött falakra, ahogy azt Morency és társai (2000) is említik.

Ezeket a problémákat úgy lehet áthidalni, hogy a Navier-Stokes-egyenletek megoldásával javítjuk a fűtött határréteg felbontását, ahogy azt Croce és társai (2002), Wright (2008) vagy Bu és társai (2020) is javasolják. Ennek

Hogyan befolyásolja az elektrotechnikai jégvédelmi rendszer teljesítményét a rotoros repülőgépek tervezésénél alkalmazott számítógépes modellezés?

A jégtelenítés a jéglerakódások eltávolítását jelenti, amelyet mechanikai vagy hőmérsékleti eljárásokkal végeznek, hogy megtörjék a kapcsolatot a jég és a védett felület között. Ezzel szemben a jégvédelem megakadályozza a jég felhalmozódását a felületen úgy, hogy elpárologtatja a vízcseppeket vagy lehetővé teszi azok visszafolyását egy nem kritikus zónába, ahol megfagyhatnak. Ez történhet például szuperhűtött vízcseppek elpárologtatásával, vagy jégvédő folyadék porlasztásával a légcsavar szélén lévő pórusokba (Jung et al., 2020).

A rotoros repülőgépek jégvédelmi rendszerei kulcsfontosságúak a gépek az időjárási körülményekhez való alkalmazkodásában. Ezek a rendszerek nélkülözhetetlenek, ha a gépek olyan környezetben működnek, ahol téli időjárási körülmények, mentőmissziók vagy tengeri műveletek során jégképződés fenyegeti a repülőgépet. A Eurocopter AS332 Super Puma volt az első olyan rotoros repülőgép, amelyet a hivatalos jégvédelmi tesztekkel minősítettek, és amelyet a jégveszélyes környezetekben történő repülésre engedtek. Azonban a helikopterek jégvédelmi tanúsítványának megszerzése rendkívül erőforrás-igényes és időigényes folyamat, mivel a teszteléshez szükséges idő az átlagos téli szezonok során több mint három év, mint ahogy azt a Sikorsky UH-60 Black Hawk és az AgustaWestland EH1010 Merlin esetében is tapasztalták. Ezért intenzív kutatásokat végeznek annak érdekében, hogy csökkentsék a jégtelenítési tesztekhez szükséges időt a nagy pontosságú elemzési módszerek alkalmazásával, amelyek képesek a rotoros repülőgépek jégvédelmi rendszereinek teljesítményét pontosan értékelni.

A szimulációs módszerek egyes részei, mint a helyettesítő modellek (meta-modellek) vagy csökkentett rendű modellek (ROM), különösen fontosak a jégvédelmi rendszerek validálásában. Ezek a módszerek jelentősen csökkenthetik a szükséges számítási erőforrásokat, miközben megtartják a modell pontosságát. A ROM alapú megközelítések az áramlástani szimulációkat egy egyszerűsített, de pontosabb modellezéssel helyettesítik, amely képes kezelni a komplex rendszerek számos paraméterét, mint például a légáramlást és az időjárási feltételeket. A helyettesítő modellek alkalmazása lehetővé teszi a szimulációk gyorsabb elvégzését, amelyek elengedhetetlenek a repülőgépek gyors jégvédelmi tanúsításához.

A számítógépes modellezés fejlődésével egyre pontosabb képet kaphatunk a rotoros repülőgépek jégvédelmi rendszereinek viselkedéséről, ugyanakkor egyre inkább elengedhetetlenné válik a különböző adatgyűjtési és mérési módszerek alkalmazása is. A jégképződés valósághű előrejelzése, figyelembe véve a repülési körülményeket és a külső hőmérsékletet, elengedhetetlen a megfelelő jégvédelmi rendszerek kialakításához, amelyek a lehető legnagyobb mértékben csökkenthetik a veszélyes jégfelhalmozódást.