Hur modelleras isackumulering på uppvärmda ytor i flygplansmotorer och luftfarkoster?

Den teoretiska modellen för poröst is-/vattenlager som byggs upp på uppvärmda ytor, såsom flygplansmotorer eller uppvärmda sonder, utgör en komplex multiphysikalisk problematik där fasövergångar mellan fast, flytande och gasformig fas samverkar med värmeflöden i både underlaget och det porösa is-/vattenlagret. Tidigare numeriska simuleringar har inkluderat detaljerade metoder som Volume Of Fluid (VOF) för att beskriva individuella iskristaller och droppar, men dynamiken vid partikelslag mot ytan har inte fullt ut beaktats. För att modellera isackumuleringen på uppvärmda väggsektioner krävs därför en sofistikerad accretionssolver som kan kopplas ihop med termiska lösare i väggmaterialet och beakta temperaturgradienter i islager, vilket går bortom traditionella modeller som Messingerbalansen.

I beräkningarna förväntas att vätskans volymfraktion styr vätskans rörelse över ytan: när den är fullt flytande används en tunnfilm-lubrikeringsmodell för hastighetsfältet, men vid närvaro av fast is sätts rörelsehastigheten till noll. Valet av smältpunktstemperaturen som referensnivå för entalpierna möjliggör en entydig relation mellan energi och temperatur i de olika faserna — is, flytande vatten och ånga — där även smält- och förångningsvärmen inkluderas.

Inuti luftfarkostens material beskriver en värmeledningsekvation temperaturen och tar hänsyn till eventuella inbäddade värmemattor som kan påverka isackumuleringen. Vid gränssnittet mellan material och is-/vattenblandning säkerställs kontinuitet i temperatur och värmeflöde genom att lösa kopplade gränsvillkor. Lösningen av dessa ekvationssystem sker numeriskt, med en uppdelning i kontrollvolymer längs strömningsriktningen för is-/vattenblandningen och med triangulära element i materialdomänen.

Denna modell är inte bara teoretiskt stringent utan implementeras även i numeriska verktyg för simulering av in-flight icing. Dessa verktyg inkluderar ett nätgeneratorverktyg för den dynamiskt föränderliga isformen, en aerodynamisk solver för gaskretsen runt isen, och en partikelslöjningssolver för att spåra droppar och iskristaller. För applikationer inom anti-icing och de-icing kan ackretionssolvern kopplas direkt till termiska lösare som hanterar väggens uppvärmning och därmed möjliggör simulering av aktiv isbekämpning.

För att förstå den här typen av modellering är det viktigt att beakta att isackumulering är en starkt icke-linjär process som påverkas av såväl de termodynamiska egenskaperna hos vatten i olika faser som av den mekaniska interaktionen mellan vätska, is och underlagets termiska tillstånd. Temperaturgradienter och flödeshastigheter i det porösa is-/vattenlagret har avgörande betydelse för både isens tillväxt och smältning, vilket gör det nödvändigt att använda multidomänmodeller med kopplade partiella differentialekvationer och avancerade numeriska metoder. Dessutom är dynamiken vid partikelslag mot ytan kritisk för den initiala ackretionsprocessen och kan påverka både formen och densiteten hos det uppbyggda islager.

Utöver den rent fysikaliska förståelsen är det av vikt att betrakta de praktiska aspekterna av modellimplementering i simuleringsverktyg, där grid-generering, anpassning av mesh vid växlande isformation och effektiv lösning av stora ekvationssystem är avgörande för både precision och beräkningseffektivitet. Denna integration av fysik, matematik och numerik utgör grunden för pålitliga prediktioner av isbildning och därmed för utveckling av säkra och effektiva metoder för isbekämpning i luftfart och andra tekniska tillämpningar.

Hur iskristaller bildas och ackumuleras i turbinmotorer

Ytvattenskiktet på en turbinmotor är mycket tunt, vilket gör att filhastigheten är direkt relaterad till luftflödets skjuvspänning på ytan. Denna dynamik är grundläggande för att förstå hur is uppstår och ackumuleras på ytor inom motorer som utsätts för blandad fas-is (som ispartiklar och vattendroppar). Den mängd is som samlas på en yta beror till stor del på interaktionen mellan luftflödet och ytan, samt på hur partiklar från omgivningen påverkar motorstrukturer.

Isackumulering på rörliga och icke-rörliga system är ett komplicerat och ofta ostadigt fenomen. För att uppnå en acceptabel noggrannhet används ibland en stationär metod genom att beakta flödesdynamikens tidsperiodiska karaktär i de geometriska segmenten av motorn. I rörliga komponenter, som turbinblad, tillkommer centripetala och Coriolis-accelerationer som påverkar både partiklar och isbildning. Dessa termer beaktas vid övergången mellan roterande och icke-roterande komponenter, där egenskaperna vid dessa gränssnitt genomsnittas och appliceras på angränsande delar av motorerna.

Validering av iskristallbildning i turbomotorer sker genom experiment på enkla geometriska objekt som NACA0012, cylindrar och krönta cylindrar. I dessa experiment används miljöer som simulerar blandad fas för att undersöka isbildning på rotorblad och andra motorstrukturer. I experiment från NRC (National Research Council) simuleras ispartiklar genom nyligen fallen snö för att efterlikna naturliga miljöförhållanden, och foton visar att ispartiklar kan variera i storlek från 100 till 500 μm.

För att säkerställa realistiska resultat används numeriska simuleringar för att jämföra den förväntade isbildningen med experimentella data. Ett exempel är Cox-tunneltester som genomfördes på en NACA0012-vinge under en 10-minuters testperiod. Simuleringarna av denna icing-situation med hjälp av IS3D och TSIICE visar god överensstämmelse med experimentella resultat, vilket gör det möjligt att bättre förstå och förutsäga isbildning under olika driftsförhållanden.

För att testa isbildning under verkliga motorförhållanden har NRC utvecklat ICE-MACR, en test rigg som simulerar ispartiklar under roterande förhållanden. Denna rigg används för att utvärdera modellernas noggrannhet i relation till rörliga system. Resultaten visar att det är möjligt att uppnå god noggrannhet vid simulering av tryck och temperatur längs bladets framkant, med ett maximalt relativt fel på mindre än 5 % över alla testområden.

När man arbetar med modeller för iskristallackumulering är det avgörande att förstå den roll som både partikelstorlek och flödeshastighet spelar i isbildningsprocessen. Även den specifika typen av ismiljö, som kan variera från snöpartiklar till mer finkorniga kristaller, påverkar hur isen ackumuleras på motorstrukturer. För att bättre förutsäga dessa processer behövs omfattande experimentella data och avancerade numeriska modeller för att kunna verifiera och kalibrera simuleringsresultaten.

I denna process är det också viktigt att beakta hur de fysikaliska egenskaperna hos isen förändras beroende på temperatur och tryckförhållanden i motorerna. För att simulera realistiska isbildningseffekter behöver vi förstå hur isens smältpunkt påverkas av externa faktorer, som exempelvis luftfuktighet och temperaturer vid höga höjder. Smältprocenten för isen kan variera beroende på mängden fukt i luften, vilket kan påverka både ackumuleringshastigheten och den totala mängden is som byggs upp på motorytor.

I de senaste forskningsrönen har också fokus lagts på att optimera anti-icing-system och säkerställa att motorer fungerar effektivt trots närvaron av isbildning. Detta kräver noggranna simuleringar och experimentella tester för att förutsäga hur olika isbildningsförhållanden påverkar turbiners effektivitet och säkerhet på lång sikt.

Hur påverkar temperatur och rotordynamik isuppbyggnad och -avkastning på helikopterblad?

SRB-II-modellen använder en 1/18-dels skala av en helikopterrotor och konstrueras av extruderad 6066-T6 aluminium. Bladen är 315 mm långa och sitter 75 mm från rotorns nav. De har en ackordlängd på 69,75 mm, vilket ger en rotor med en diameter på 780 mm. Bladen är otvistade och har en NACA0012-profil. Vid alla temperaturberoende tester är rotorens kollektivvinkel inställd på 6°, utan att någon cyklisk rörelse introduceras.

Enligt experimentella resultat kan man notera att när temperaturen minskar, tenderar isuppbyggnaden att bli mer massiv, särskilt vid bladets spets, där isen tenderar att vara tjockare. Denna dynamik är mycket beroende av rotorns specifika geometri och de omgivande förhållandena. Vid lägre temperaturer bildas ofta rime-is på bladens inre delar, medan glaze-is bildas vid bladspetsarna. Detta skifte mellan rime-is och glaze-is beror delvis på rotorns rotation och hur hastigheten ökar från bladets rot till spets.

För att förutsäga isuppbyggnad används en simuleringsmetod som spårar 6x10^6 superkylda vattendroppar inom den rörliga flödesfältet kring rotorn. Simuleringen ger en tre-dimensionell bild av hur partiklarna beter sig när de interagerar med rotorn under flera varv. Partiklar nära rotorens vak kan förflyttas bort från bladet, vilket har störst inverkan nära bladspetsen. Det ger en viktig förståelse för hur turbulens och dynamiska krafter påverkar partiklarna som samlas på bladets yta.

De numeriska resultaten från isuppbyggnad och islossning som presenteras i tabellerna ger insikt i de radiala variationerna av isens form längs bladet. För de lägre temperaturerna dominerar rime-is upp till ett radieavstånd på cirka 0.8, varefter glaze-is tar över. Detta mönster observeras i testdata för de lägre temperaturerna T253 och T258. Vid de högre temperaturerna, såsom T263 och T268, är glaze-is den dominerande formen över hela bladets radie.

Simuleringarna för isuppbyggnad och lossning erbjuder en viktig inblick i den komplexa interaktionen mellan rotorns rörelse, vätskedropparnas rörelse och de resulterande isformationerna. Denna information är avgörande för att förstå och förutsäga hur helikoptrar kan påverkas av isbildning under verkliga flygförhållanden.

Vid analysen av isens modellering vid olika radiepositioner kan man även se hur påverkan av inertialtermer i vätskeskiktet är signifikant, särskilt vid högre radieavstånd där glaze-is dominerar. Vid lägre temperaturer och vid bladets inre delar är dessa effekter inte lika framträdande, eftersom rime-is är mer dominant och påverkas inte av tröghet på samma sätt.

För att fördjupa förståelsen av dessa fenomen är det avgörande att notera att olika istyper (rime och glaze) inte bara beror på temperaturen utan också på dynamiken i rotorflödet, såsom hastighet och turbulens. Det betyder att när vi försöker förstå isuppbyggnad på helikopterblad, måste vi ta hänsyn till flera faktorer, inklusive rotorens specifika geometri, bladets rörelse och de omgivande väderförhållandena, för att få en fullständig bild av isens utveckling.