Hur skiljer sig isbildning från iskristaller från klassisk superkyld vattentillväxt i flygmotorer?

Isbildning orsakad av iskristaller är ett fenomen som har uppmärksammats inom flygindustrin sedan tidigt 1990-tal, då flera incidenter med motorstörningar inträffade i närheten av djupa konvektiva moln med höga koncentrationer av iskristaller. Detta har lett till nya certifieringskrav där flygplan måste bevisa sin operabilitet under dessa förhållanden. Till skillnad från traditionell isbildning från superkylt vatten, där droppar direkt fryser på ytor, innebär iskristallbildning komplexa processer som kräver särskilda modeller för korrekt förståelse och simulering.

Modelleringen av iskristaller inbegriper flera viktiga aspekter: transporten av partiklar, deras påverkan vid träff mot ytor samt själva ansamlingen av is i kristallära förhållanden. Dessa processer skiljer sig fundamentalt från de klassiska modellerna av superkylt vattendroppsbildning. Iskristaller transporteras annorlunda i flödet och interagerar med ytor på ett sätt som ofta leder till annan typ av isbildning, särskilt i turbofläktmotorer.

Numeriska simuleringsverktyg har utvecklats för att hantera dessa skillnader, där integration i både tvådimensionella och tredimensionella programvaror har gjorts för att skapa realistiska scenarier av isbildning på motorer. Dessa simuleringar inkluderar bland annat beräkningar av iskristallernas bana genom motorn, samt effekter på motorprestanda och komponenternas funktion. Resultaten från dessa modeller har validerats mot experimentella data i olika fasförhållanden, inklusive glaciära och blandade faser, vilket ger en god överensstämmelse och ökar förtroendet för de numeriska metoderna.

Viktigt är att förstå att isbildning från iskristaller kan ske på både uppvärmda och icke-uppvärmda ytor i motorn. Modeller har utvecklats för att beskriva värmeutbyte och fasförändringar som styr hur isen ackumuleras och eventuellt faller av genom erosion, vilket är avgörande för att bedöma motorns livslängd och säkerhet. För uppvärmda ytor har modeller justerats för att fånga komplexa termiska interaktioner som skiljer sig från kalla ytor.

Utöver det som beskrivs är det viktigt att ha insikt i de meteorologiska förutsättningarna som leder till höga koncentrationer av iskristaller, eftersom förståelse för atmosfärens dynamik och faser är nödvändig för att prediktera när och var riskerna är som störst. Likaså krävs det en djup förståelse för aerodynamik och termodynamik inom motorkomponenterna, då dessa påverkar isbildningens intensitet och konsekvenser.

Hur påverkar ispartiklars form, dynamik och smältning issamling i flygplansmotorer?

Ispartiklars beteende i atmosfären och deras interaktion med ytor, särskilt i jetmotorer, är ett komplext fenomen som påverkas av många faktorer såsom partiklarnas form, storlek, hastighet, samt de termodynamiska och aerodynamiska förhållandena vid impakt och smältning. Flera studier har belyst de fundamentala mekanismerna bakom isaccumulation, där icke-sfäriska partiklar uppvisar särskilda drag i sin dynamik och värmeöverföring.

Icke-sfäriska ispartiklar skiljer sig markant från ideala sfärer i hur de påverkas av luftmotstånd och hur de deponeras på ytor. Haider och Levenspiel (1989) samt Ganser (1993) har utvecklat korrelationer för att bättre förutsäga dragkoefficienter för sådana partiklar, vilket är avgörande för att modellera partiklars terminalhastighet och deras fördelning i flöden. Detta är särskilt viktigt i jetmotorers kylsystem, där partiklarnas rörelse avgör var och hur isen ackumuleras.

Experimentella undersökningar, såsom de som utförts av Currie och kollegor (2012–2015), har utvecklat impedansbaserade mätinstrument för att mäta vätskefraktion och tjocklek på isskikt som byggs upp genom ispartikelackretion. Deras arbete har också belyst mekanismerna för blandfasiskt issamling – där både superkylda droppar och ispartiklar samverkar – vilket är avgörande i hög höjd, låg temperatur, hög turbulensmiljö som förekommer i atmosfären.

Kollision och fragmentering av ispartiklar vid påverkan mot ytor är ytterligare en kritisk aspekt. Guégan och medarbetare (2011, 2012) har undersökt kritiska hastigheter för isfragmentering och kinematiken hos isfragment efter påverkan, vilket har direkt relevans för hur motorblad och andra komponenter påverkas och slits. Hauk och medarbetare (2014–2016) har dessutom teoretiskt och experimentellt studerat smältprocessen för ispartiklar, inklusive effekterna av partikelns form och ytspänning, vilket påverkar hur snabbt och var isen smälter och därmed hur ackumulationen fortlöper.

Den termiska och dynamiska komplexiteten i issamling kräver också avancerade numeriska metoder för att simulera spridda tvåfasflöden och partikelbeteende. Desjardins et al. (2008) och Murrone och Villedieu (2011) har utvecklat momentmetoder och flödesmodeller för att hantera dessa komplexa system, vilka inkluderar hydrodynamiska och termiska processer vid ytor med varierande temperatur och fuktighet. Kintea och kollegor (2014–2016) har vidare utvecklat modeller för isackretion och bortfall på värmda ytor, med särskilt fokus på jetmotorapplikationer.

Mikrofysiken kring smältning och formförändring hos snöflingor och ispartiklar, såsom beskrivs av Matsuo och Sasyo (1981) samt Fukuta et al. (1982), visar hur smältning sker under atmosfäriska förhållanden. Detta är relevant för att förstå hur ispartiklar förändras under färd och hur detta påverkar deras fysiska egenskaper vid påverkan.

Sammantaget visar forskningen att förståelsen av issamling kräver en interdisciplinär ansats där aerodynamik, termodynamik, materialvetenskap och numerisk simulering samverkar. Det är viktigt att inse att ispartiklars beteende inte kan reduceras till enkla modeller med sfäriska partiklar och konstanta parametrar. Faktorer som partikelns form, hastighetsvinkel vid påverkan, smältprocessens dynamik och ytan konditioner är avgörande för att korrekt kunna prediktera issamling och därmed för att utveckla säkrare och mer effektiva motordesigner.

Att kunna integrera dessa insikter i avancerade numeriska modeller och experimentella metoder är nyckeln för att utveckla teknologier som kan motverka issamlingens skadliga effekter, säkerställa driftsäkerhet och minska underhållskostnader inom flygindustrin.

Endast genom en holistisk förståelse av partiklars dynamik, deras interaktioner med ytor samt de termofysiska processerna vid smältning och fragmentering kan man fullt ut adressera utmaningarna med issamling i komplexa aerodynamiska miljöer.

Hur deformeras och bryts en vattendroppe i olika strömningsregimer under påverkan av aerodynamiska krafter?

Tidsmomentet $t_c$, då en vattendroppe uppnår sin maximala deformationsgrad $L_{max}$, visar ett tydligt beroende av Weber-talet (We). Ju högre We, desto längre icke-dimensionell tid krävs för att uppnå maximal deformation. Detta är intuitivt: vid högre We deformeras droppen mer, vilket förlänger tiden till dess att tvärsnittsdiametern når sitt maximum. Den empiriska korrelationen mellan $t_c$ och We är given som ett polynom, vilket fångar upp förhållandets icke-linjära karaktär.

Numeriska simuleringar visar god överensstämmelse med ovan nämnda modeller, men med nyanserade skillnader beroende på värdet av We. Vid höga We tenderar simuleringarna att bättre följa Caos modell, medan vid lägre We är överensstämmelsen bättre med Chou och Zhaos resultat. Detta understryker vikten av att korrekt identifiera det dominerande strömningsregimet för att kunna förutsäga droppens beteende.

För att förstå mekanismerna bakom deformation och sönderdelning analyseras droppens hastighets- och tryckfält i detalj. I vibrationsregimen, där We är lågt, utvecklas symmetriska virvlar bakom droppen samtidigt som ett stagnationsområde bildas på den vindvända sidan. Tryckskillnaden över droppen orsakar en initial deformation, men ytkrafterna är tillräckliga för att återställa dess sfäriska form. Här spelar den interna viskosa kraften en stabiliserande roll och droppen upprätthåller sin struktur trots yttre påverkan.

I övergångsregimen, med måttligt höga We, förstärks den aerodynamiska kraften och tryckskillnaden över droppen ökar markant. En lågtrycksregion bildas nedströms och droppen tänjs ut till en skivliknande form. Även om ytkrafterna tillfälligt lyckas återställa sfärisk form, fortsätter deformationen med ökande intensitet och blir periodisk. Luftflödets recirkulation intensifieras, vilket förbereder för en övergång till ett mer instabilt tillstånd.

I sönderdelningsregimen, då We är högt, accelererar deformationen snabbt. Den recirkulerande virveln växer i omfattning, tryckdifferensen över droppen ökar konstant och nedströmsturbulens blir framträdande. Droppen pressas samman i flödesriktningen och sträcks ut i tvärriktningen. En trappa-liknande pyramidform uppstår, och en isolerad toroidal virvel identifieras vid droppens kant. Denna virvel förstärks och expanderar till den grad att ytkrafterna inte längre kan balansera den aerodynamiska belastningen – droppen brister.

En djupare förståelse för dessa processer förutsätter en