Hur påverkar isackumulering flygplans aerodynamiska prestanda?

Isackumulering på flygplan kan orsaka allvarliga försämringar i både deras prestanda och säkerhet. För att förstå och förhindra dessa negativa effekter är det viktigt att ha en grundlig förståelse för de fysikaliska processerna bakom isens bildning och dess inverkan på flygplans aerodynamik. Forskning inom detta område är avgörande för att säkerställa flygsäkerhet, och teknologier för numerisk simulering har blivit en viktig del av processen att uppnå och bibehålla certifiering för flygplansdesign.

Simulering av isackumulering under flygning, särskilt de metoder som använder computational fluid dynamics (CFD), är en central komponent för att förstå hur isen påverkar både ytstrukturen och flygplanets prestanda. Metoder för att simulera vattendroppars impingering, där vattendropparna träffar flygplansytan och fryser, är avgörande för att exakt förutsäga isackumuleringens effekter. Det är viktigt att förstå att inte alla typer av isaccumulation är lika, och olika droppar och förhållanden kan resultera i olika typer av isbildning, vilket påverkar aerodynamiska egenskaper som lyftkraft, drag och stabilitet.

Denna komplexitet förklaras genom att simulera olika metoder för isackumulering och konvektion. För att kunna göra detta effektivt används hybridmetoder som kombinerar Lagrange- och Eulerian-simuleringar. Dessa metoder gör det möjligt att beskriva hur vattendroppar deformeras och fryser när de träffar flygplansytan och därmed kan en mer exakt bild av isens bildning och fördelning skapas. Därmed blir det möjligt att identifiera vilka områden på flygplanet som är mest utsatta för isbildning, vilket är av största vikt för att optimera flygplansdesign och isförsvarssystem.

För att på bästa sätt kunna förhindra problem orsakade av isbildning används numera flera olika metoder för att simulera både isackumulering och dess effekter på prestanda. En metod som har fått ökad uppmärksamhet är den s.k. multi-step level-set-metoden, som tillåter simulering av olika faser av isackumuleringen under flygning och ger detaljerad information om isens form och fördelning. Genom att använda denna metod kan man även simulera isbildning under osäkra eller föränderliga väderförhållanden, vilket är en stor fördel när det gäller att förstå och förhindra farliga situationer i realtid.

Vidare krävs en noggrann förståelse för aerodynamiska förändringar orsakade av isackumulering, eftersom även små förändringar i isens form eller fördelning kan ha dramatiska effekter på flygplans prestanda. Detta inkluderar förändringar i lyftkraft, ökat drag och förändrad stabilitet. För att få en fullständig bild av isens effekter är det också viktigt att använda numeriska simuleringar för att förstå hur flygplanets aerodynamik förändras i realtid under de förhållanden som råder under flygning.

Det är också viktigt att notera att trots den långsamma utvecklingen i början, har användningen av CFD för isackumulering ökat dramatiskt under de senaste åren. Tidigare var dessa verktyg något av en nationell tillgång i de ledande länderna för flygindustri, men numera är fler akademiska och kommersiella koder tillgängliga, vilket gör att fler aktörer kan ta del av denna teknologi och tillämpa den på sina specifika behov. Detta har lett till en bredare tillgång till avancerad simuleringsteknik och bidrar till att öka förståelsen för hur is

Hur påverkar isbildning och avfrostning på UAV:er prestanda och design?

Vid simulering av isbildning på UAV:er (Obemannade Aerial Vehicles) uppstår unika utmaningar som inte finns för bemannade flygplan. UAV:er, som ofta opererar vid lägre hastigheter och mindre storlek, är mer benägna att drabbas av isbildning under flygning. Denna typ av isbildning kan påverka både aerodynamik och den totala prestandan, vilket gör det avgörande att förstå de faktorer som styr isaccumulation och anti-icing-systemens effektivitet.

Ett exempel på en sådan simulering kan tas från tester som genomfördes med en rektangulär vinge RG-15, där man undersökte den erforderliga värmeflödet för att förhindra isbildning. Denna vinge hade en ackordlängd på 45 cm och ett spann på 65 cm och testades i en isvindtunnel vid Tekniska Forskningscentralen i Finland (VTT). I experimenten användes ett värmesystem (IPS) som bestod av flera uppvärmningszoner, totalt täckande 15 % av vingens framkant. Målet var att hitta det minsta värmeflöde som krävdes för att förhindra att is bildades på vingens framkant. Experimenten utfördes vid tre olika temperaturer och upprepades tre gånger för att säkerställa noggrannhet i resultaten.

Resultaten visade att det värmeflöde som behövs för att förhindra isbildning varierar beroende på vingens position relativt den inkommande luftströmmen. När luftströmmen träffar framkanten av vingen, där dropparna av överkyld vätska kolliderar, krävs ett högt energiutflöde för att förhindra omedelbar frysningsprocess. Detta område representeras av en hög värmeförlust i de allra första delarna av vingens framkant, en kritisk zon där de högsta värmekraven förekommer.

Vidare kunde resultaten delas in i tre distinkta zoner:

1. Den första zonen omfattar stagnationspunkten vid vingens framkant, där de inkommande dropparna kräver ett högt värmeflöde.

2. Den andra zonen uppstår när dropparna skapar en tunn vattenfilm på vingens yta som, genom aerodynamiskt friktion, transporteras nedströms.

3. Den sista zonen är när ytan är torr och värmeflödet sjunker betydligt, där värmekravet reduceras och endast konvektiv värmeöverföring krävs.

Det är också viktigt att notera att denna modell inte korrekt återskapar den övergång från laminar till turbulent flöde, vilket är en betydande aspekt när man simulerar luftflöden och värmeöverföring på högre hastigheter. Skillnader i simuleringsresultaten mellan två programvaror, LEWICE och FENSAP-ICE, visar att FENSAP-ICE inte korrekt kan förutsäga denna turbulensövergång, vilket kan leda till mindre precisa resultat vid högre hastigheter.

Simuleringarna visade på ett konstant linjärt samband mellan temperatur och det minsta nödvändiga värmeflödet för att förhindra isbildning. För en större förståelse av detta resultat är det relevant att notera att den omgivande luftens temperatur är den största drivkraften bakom det nödvändiga värmeflödet. Då alla test kördes med samma LWC (Liquid Water Content) värde, påverkade temperaturen i sig inte förångningshastigheten eller latent värme, vilket i sin tur påverkade resultaten.

I experimenten visade det sig att LEWICE och FENSAP-ICE, även om de gav liknande resultat, hade vissa skillnader. LEWICE visade en bättre överensstämmelse med experimentella data vid lägre temperaturer, medan FENSAP-ICE förutsåg något annorlunda värmekrav i de torra delarna av vingen. Den största skillnaden mellan de två programmen låg i hur de modellerade övergången mellan laminar och turbulent flöde, vilket påverkar den exakta beräkningen av värmeflödet.

För UAV:er är den största utmaningen att de ofta verkar i en låg Reynolds-tal-regim. Detta innebär att traditionella modeller för isbildning, som är anpassade för bemannade flygplan, inte alltid ger tillförlitliga resultat. De låga hastigheterna och den mindre storleken på UAV:er leder till att is kan bildas över ett större temperaturintervall, närmare fryspunkten, vilket kan påverka både säkerhet och prestanda. Dessutom innebär de mindre vingarna att en större andel av ytan kan bli täckt av is, vilket leder till ökade aerodynamiska förluster. Detta gör det nödvändigt att utveckla mer specifika och exakta modeller för UAV:ers isbildning för att förbättra både design och effektivitet.

Hur påverkar Weberg-talet och ytegenskaper deformation och nedslag av överkylda droppar?

Vid låga Weberg-tal, We < 1, behåller droppen sin ursprungliga sfäriska form vid påverkan av luftflöde. När We ökar till mellan 1 och 10 inträder en övergångsfas där droppen uppvisar periodiska deformationer. Vid We > 10 övergår droppen till ett så kallat "bag breakup"-läge, där dess form förändras radikalt och droppen börjar sönderdelas. Denna kritiska gräns för Weberg-talet är avgörande för att förutsäga droppens beteende under påverkan av olika hastigheter och diametrar.

För att undersöka droppars nedslag på ytor med varierande hydrofobicitet har två numeriska metoder använts: nivå-setsmetoden och Lattice Boltzmann-metoden (LBM). Särskilt LBM är fördelaktig vid komplexa, böjda ytor tack vare dess möjligheter att hantera 3D-områden och flödesinteraktioner med detaljerade geometrier.

I denna studie används en D3Q19 MRT-pseudopotentialmodell som möjliggör simulering av multiphaseflöden med hög densitetskvot. Modellen inför en intermolekylär kraft för fasseparation och kan justera ytans våthet via en adhesionskraft mellan vätska och fast yta. Gravitationskraften införs enligt Newtons andra lag, och speciella masskorrigeringar tillämpas för att förhindra icke-fysisk massaavdunstning och säkerställa masskonservering vid kontakt med böjda ytor. Dessa korrigeringar är avgörande för att bevara simuleringarnas fysikaliska relevans och stabilitet.

Den vanliga bounce-back-schemat för icke-slip villkor i LBM, trots sin enkelhet, orsakar ofta trappstegsapproximation av böjda väggar och massläckage. En förbättrad halvvägs bounce-back interpolation (HBI) har implementerats för att bättre approximera de verkliga kurvade gränserna och samtidigt korrigera massläckaget. Detta gör det möjligt att få mer realistiska simuleringar av droppens interaktion med superhydrofoba ytor som har protrusioner.

Experimentella valideringar med vatten-droppar som släpps på superhydrofoba ytor bekräftar att de numeriska metoderna reproducerar dropparnas dynamik med hög noggrannhet. Detta visar att kombinationen av nivå-setsmetoden och Lattice Boltzmann-metoden med de implementerade korrigeringarna är robust för att studera droppars beteende under varierande termodynamiska och geometriska förhållanden.

Det är viktigt att förstå att droppens deformation och nedslag styrs av ett komplext samspel mellan vätskans dynamik, temperaturberoende egenskaper, ytkontaktens natur och ytan i sig. Superkylning minskar inte bara deformering utan påverkar även fasövergångar, medan ytors hydrofobicitet och mikroroughness avgör hur mycket vätskan sprider sig eller rullar av. Simuleringar måste därför omfatta både makroskopiska rörelsemönster och mikroskopiska ytfenomen för att ge en fullständig bild.

Hur beräknas isbildning i flygning med hjälp av en flerstegetsmetod?

I moderna numeriska simuleringar av isbildning i flygning har en uppdelad, sekventiell strategi etablerats som bygger på en kvasi-stationär hypotes. Denna metodik innebär att flödesfältet kring flygkroppen först beräknas genom antingen enklare modeller som potentialflöde och Eulers ekvationer, eller genom mer avancerade modeller som Reynolds-medlade Navier–Stokes-ekvationer (RANS). I det viskösa fallet härleds värmeöverförings- och skjuvspänningskoefficienterna direkt från den aerodynamiska lösningen, medan de i det idealiserade fallet extraheras med hjälp av särskilda gränsskiktslösare.

Efter att det aerodynamiska fältet har etablerats, bestäms fördelningen och mängden av molndroppar som träffar ytan genom antingen en Lagrange-formulering – där varje droppes bana spåras individuellt – eller en mer modern Eulerformulering, där vattendroppar behandlas som en utspädd fas i en kontinuerlig luftfas och deras fördelning löses direkt från flödesfältet.

En av de största utmaningarna uppstår vid uppdateringen av geometrin efter varje tidssteg, eftersom isbildningen förändrar ytans form. Den nya geometrin måste rekonstrueras, och ett nytt volymnät måste skapas för vidare CFD-beräkningar. Detta steg är särskilt känsligt och ofta den mest kritiska fasen i flerstegetssimuleringar. Problem uppstår i synnerhet vid konkava områden eller komplexa isformer, där nodförskjutning – det vanligaste tillvägagångssättet – kan leda till geometriska överlappningar och icke-fysiska strukturer. I tvådimensionella fall kan man i viss mån hantera detta med avkänningsalgoritmer och utjämning, men i tredimensionella simuleringar blir det snabbt oöverblickbart, ofta med krav på manuell korrigering.

En särskilt viktig aspekt i dessa simuleringar är masskonservering: den ackumulerade ismängden måste överensstämma med de fysikaliska lagarna, annars uppstår gradvisa fel i simuleringen. För att säkerställa detta krävs ofta validering genom testfall. Dessutom är det avgörande att noggrant kunna beräkna dropparnas ansamlingsförmåga – s.k. collection efficiency – på icke-släta ytor, vilket är särskilt komplext när isen har byggts upp i flera lager och ger upphov till ytgeometrier med skarpa kanter och mikroskala-ojämnheter.

Resultaten från tvådimensionella fall för vanliga istyper – rimfrost, glasyr och blandad is – visar på tydliga skillnader i uppbyggnadsmönster och känslighet för ytförhållanden och aerodynamiska parametrar. Dessa resultat bekräftas genom konvergensstudier både i tid och gitterupplösning. I tredimensionella fall, såsom rimfrostbildning på ett rakt vingeprofil, uppstår ytterligare utmaningar i form av meshtrassel och behov av adaptiv gitterhantering.

Det är också av betydelse att förstå de olika tidsskalorna i spelet: medan aerodynamiken reagerar direkt på minsta förändring i geometri, sker isackumuleringen mycket långsammare. Denna asymmetri möjliggör det kvasi-stationära antagandet och är grunden för effektiviteten i flerstegsmetoden.

Vidare måste det påpekas att meshkvaliteten direkt påverkar simuleringens noggrannhet. Särskilt i närheten av gränsskiktet krävs högupplösta element för att korrekt fånga de termodynamiska utbytesprocesserna. Strukturerade nät kan erbjuda stabilare resultat, men är svårare att generera automatiskt i närvaro av oregelbunden isgeometri. Ofta måste hybridnät eller mesh-refinements införas lokalt för att undvika numeriska artefakter.