Hur påverkar droppars stöt på superhydrofoba ytor deras beteende och kontakttid?

Numeriska simuleringar av droppars stöt på superhydrofoba ytor belyser komplexiteten i fenomenet där droppar deformeras, sprider sig och ibland studsar eller splittras. En tredimensionell modell med domänmåtten 4D × 5D × 4D och en fin rutupplösning på 50 celler per droppdiameter har visat sig tillräcklig för att korrekt fånga droppens rörelser vid kontakt med ytan. Den fasta bottenytan antas vara no-slip, medan övriga ytor är tryckutsläpp, vilket skapar realistiska randvillkor.

Den superhydrofoba ytan karakteriseras av en intrinsisk kontaktvinkel på 156°, i linje med experimentella data. Temperaturen är en viktig parameter som påverkar vätskans egenskaper. Vid temperaturer under 0 °C betraktas droppen som en superkyld vätska, utan att fasövergångar till fast form inkluderas i simuleringen. Viskositet och ytspänning beräknas via empiriska funktioner som tar hänsyn till temperaturens inverkan, där viskositeten ökar och ytspänningen minskar med högre temperatur.

Fingerevolutionen, där droppen bildar utlöpare vid maximal spridning, följer tydliga mönster där antalet fingrar ökar fram till maximal spridning och sedan minskar när fingrarna smälter samman. Storleken och separationen av fingrarna korrelerar med Reynolds-talet (Re), vilket beskriver tröghetskrafter i förhållande till viskösa krafter. En analytisk modell, där antalet fingrar är proportionellt mot kvoten mellan Weber-talet (We) och Reynolds-talet (Re), visar god överensstämmelse med numeriska resultat.

Splashing-tröskeln, som definierar när en droppsplittring inträffar, är central för många tekniska tillämpningar. Den kan beskrivas som en funktion av We och Re, där högre Re leder till att tröskeln för We sjunker. Detta beror på att tröghetskrafterna vid höga Re blir dominerande och ytspänningen inte längre kan hålla samman droppens periferi, vilket resulterar i breakup.

För superhydrofoba ytor med utstickande strukturer, såsom triangulära, fyrkantiga eller cirkulära protrusioner, används en tredimensionell pseudopotential Lattice Boltzmann-metod för att hantera krökta gränser och undvika massförlust i simuleringarna. Droppen placeras initialt ovanför protrusionen för att uppnå jämvikt innan den frigörs med en given hastighet. Kontakttiden mellan droppen och ytan delas upp i tre faser: fall, spridning och återdragning samt lyftning.

Studier visar att för Weber-tal under cirka 5,2 ökar kontakttiden jämfört med en plan yta, vilket beror på att droppen måste röra sig både upp och ned förbi protrusionerna samt att spridningshastigheten på den fasta ytan minskar. När We ökar mellan 5,2 och 35,3 minskar däremot tiden för de första och sista faserna signifikant, och vid We över 7,5 försvinner den lyftande fasen helt på grund av droppens breakup. Vid ännu högre We sker en övergång från dubbla till enkla återdragningar, vilket resulterar i markanta steg i minskad kontakttid, konsistent med experimentella observationer.

Förutom det som framgår av studierna är det avgörande att inse att komplexiteten i droppinteraktionen med ytor inte enbart styrs av makroskopiska parametrar som hastighet och temperatur, utan även av detaljerade ytegenskaper och dynamiken i vätskans fasövergångar, vilket kan kräva mer avancerade modeller för att fullt ut beskriva verkliga förhållanden. Vidare kan de aerodynamiska förhållandena runt droppen och variationer i omgivande gas påverka både spridning och breakup, något som inte alltid fångas i grundläggande numeriska studier.

Hur kan numerisk simulering förbättra förståelsen och förutsägelsen av isbildning under flygning?

Numerisk simulering av isbildning på flygplan under flygning har under senare år blivit ett avgörande verktyg för att förstå och förutse komplexa fysikaliska processer som uppstår när superkylda vattendroppar fryser och ackumuleras på flygplanets ytor. Fenomenet isbildning är mångfacetterat och kräver en integrerad lösning av aerodynamiska flödesfält, partikelbanor för droppar, samt värme- och massbalanser på ytan där isen växer. Dessa olika fysikaliska aspekter måste samverka i en sammanhängande simuleringsmodell för att ge realistiska och pålitliga prediktioner.

Ett centralt problem i simuleringar av in-flight icing är att isens form och utbredning kontinuerligt förändras under flygningens gång, vilket påverkar både luftflödet runt planet och dropparnas impakt. För att hantera denna dynamik används ofta en så kallad multi-step-metod, där hela exponeringstiden för isbildning delas upp i flera små tidssteg. Efter varje steg beräknas aerodynamiken och samlingseffektiviteten hos dropparna på nytt, vilket gör det möjligt att fånga den fortlöpande förändringen i isens geometri och dess påverkan på flödet. Denna metod är mer precis än tidigare enklare modeller, som antingen utför en enda beräkning för hela processen eller använder enklare förutsägelser och korrigeringar, men den kräver betydligt mer beräkningsresurser och medför tekniska utmaningar.

En av de största svårigheterna med multi-step-simuleringar är att korrekt följa gränssnittet mellan luft och is när isen växer, samt att skapa en numerisk grid (beräkningsnät) som anpassar sig till den föränderliga isytan. Detta är avgörande för att kunna lösa de partiella differentialekvationer som beskriver flödet och frysprocessen med hög noggrannhet. Traditionella metoder har ofta haft problem med att bevara masskonservationen, vilket innebär att mängden ackumulerad is inte alltid stämmer överens med den fysiskt förväntade.

För att möta dessa problem har en innovativ metod baserad på level-set-tekniken utvecklats. Denna teknik möjliggör en noggrann beskrivning av isens komplexa och ofta mycket oregelbundna morfologi. Genom att använda level-set-metoden kan isytan representeras som en implicit nivåyta, vilket förenklar hanteringen av föränderliga och ibland mycket komplexa former. Dessutom införs korrektioner för kroppens krökning i simuleringen för att säkerställa lokal masskonservation av den pålagda ismassan. Det innebär att simuleringen både kan bevara isens volym och ge en realistisk formutveckling.

Utöver de tekniska aspekterna kring simuleringens uppbyggnad är det viktigt att förstå att in-flight icing är ett multidisciplinärt problem där termodynamiska, hydrodynamiska och materialvetenskapliga processer samverkar. Den termiska balansen på ytan, inklusive värmeöverföring och fasövergångar, är lika kritisk som den aerodynamiska analysen för att korrekt förutsäga isens tillväxt och struktur. Det är också väsentligt att beakta tidskalorna för dessa processer; medan isens tillväxt är relativt långsam jämfört med flödesdynamiken, måste simuleringen kunna koppla samman dessa olika skalor på ett konsekvent sätt.

För att öka simuleringsmetodernas praktiska värde behövs även avancerade tekniker för partikelspårning, där dropparnas banor beräknas exakt i ett flöde som hela tiden förändras till följd av isens påverkan. Denna återkoppling mellan isens geometri, flödesfältet och dropparnas dynamik är avgörande för att kunna prediktera samlingseffektiviteten och därmed den verkliga isbildningshastigheten.

Slutligen bör läsaren beakta att simuleringar, trots deras ökande sofistikering, fortfarande kräver validering mot experimentella data och verkliga flygförhållanden för att säkerställa tillförlitlighet. Resultaten är därför ofta en del av en iterativ process mellan teori, numerik och experiment. Att ha insikt i dessa samspel och begränsningar är nödvändigt för att kunna tillämpa och tolka simuleringar av in-flight icing korrekt i praktiska sammanhang.