Sub-grid length scale i IDDES-metoden definieras för att representera både de lokala egenskaperna hos beräkningsnätet och avståndet till väggen. Detta påverkar sub-grid-skalan genom att dämpa den och skapa branta variationer, vilket i sin tur stimulerar instabiliteter och förstärker den upplösta Reynolds-spänningen. I IDDES införs flera empiriska funktioner för att hantera modellens övergångszoner, och den justerade transportekvationen för turbulent kinetisk energi (där ekvationen för specifik dissipationshastighet lämnas oförändrad) möjliggör en mer flexibel och korrekt simulering av turbulenta flöden. Den nya längdskalan FIDDES baseras på RANS turbulenslängd, LES nätlängd och väggavstånd, vilket gör metoden särskilt lämpad för aerodynamik med stora flödesseparationer.

I denna studie används IDDES för att undersöka aerodynamiken hos en CRM65-vinge med istäckt leading edge vid anfallsvinklar på 6°, 8° och 10°. Jämförelser görs även med DES och konventionell RANS, där alla metoder använder k-ω SST-modellen som grund. Beräkningarna utförs i ANSYS Fluent, och den tidsupplösta simuleringen använder ett implicit dual-tidsstegschema med ett steg på 0,0005 s för att fånga de stora turbulenta strukturerna korrekt.

Nätgenereringen sker med anisotropisk tetraedrisk extrusion (T-Rex), vilket möjliggör en unstructured mesh som anpassas till vingens komplexa yta och istäcka. Ytnätet är initialt isotropt med cellstorlekar anpassade för att uppnå y+ ≈ 1, vilket säkerställer korrekt fångst av gränsskiktsfenomenen. Volymnätet växer sedan utifrån ytan med en 15 % tillväxtfaktor, begränsat till max 50 lager. För att förbättra noggrannheten används två nätvarianter: ett baseline-nät med cirka 28 miljoner noder och ett förfinat nät med 36 miljoner noder, där det förfinade har en minskad cellstorlek särskilt nära isens kontur och långt ut i närfältet. Detta är avgörande för att korrekt representera flödesseparation och återfånga de turbulenta strukturernas storlek och placering.

Visualisering av flödet sker med hjälp av Q-kriteriet, som är ett etablerat mått för att identifiera virvlar och rotationsdominerade flödesregioner. Värdet sätts till Q(c/U1)^2 = 100 för att balansera detaljrikedom och läsbarhet. Vid 6° anfallsvinkel syns tydliga virvelstråk från den separerade flödeszonen vid vingroten, medan vid 8° ökar både antal och storlek på virvlar över vingens spännvidd. Den finare nätupplösningen visar dessutom tydligare sammanhängande turbulenta grupper jämfört med baseline-nätet, vilket understryker nätets betydelse för att fånga komplexiteten i flödet kring isen.

Det är av största vikt att förstå att hybridmetoder som IDDES och DES kombinerar fördelarna med RANS för närliggande väggflöden och LES för att fånga stora turbulenta strukturer, vilket gör dem särskilt lämpade för komplexa aerodynamiska problem med separation och yttre störningar som isbildning. Nätets kvalitet och anpassning, inklusive dimensionering och gradvis celltillväxt, är avgörande för att simuleringen ska ge tillförlitliga resultat. Den valda tidssteget och lösningsmetoden måste också vara noggrant kalibrerade för att korrekt återge de transienta flödesfenomenen.

Vidare är det viktigt att beakta att simulering av iskristaller på vingar inte bara påverkar det aerodynamiska beteendet genom ändrad ytgeometri utan också kraftigt påverkar flödets turbulensstruktur och separationsmönster. Därför kräver tillförlitliga prediktioner en kombination av avancerade turbulensmodeller, noggrann nätgenerering och dynamisk lösningshantering.

Endast med en helhetsförståelse för dessa element kan man korrekt bedöma effekterna av is på flygplansvingars aerodynamik, vilket är kritiskt för säkerhet och prestanda inom flygindustrin.

Hur kan tredimensionell modellering förbättra isbildningsprediktioner på rotorblad?

Isbildning på rotorblad är ett komplext fenomen som påverkas av många faktorer, däribland tredimensionella aerodynamiska effekter och rotorns rörelser i rymden. Traditionellt har analyser av isbildning ofta baserats på tvådimensionella tvärsnitt av rotorbladet, vilket begränsar förmågan att fullt ut förstå och förutsäga isbildningens spatiala variationer, särskilt vid spetsarna där centrifugalkraften är stark.

Moderna metoder har utvecklats för att integrera tredimensionella simuleringar som kan ta hänsyn till såväl den aerodynamiska strömningen runt hela rotorbladet som vattendropparnas komplexa rörelsemönster i tre dimensioner. Detta har möjliggjorts genom användning av lös koppling (loose coupling) mellan CFD-solvern för luftflödet och Euleriska modeller för vattendroppsfältet. Sådana modeller behandlar dropparna som en form av pseudovätska och löser kontinuitets- och rörelseekvationer i volymetriska diskreta former, vilket förbättrar precisionen i beräkningarna av dropparnas bana och ackumulation.

En betydande förbättring är införandet av termodynamiska modeller som inkluderar effekterna av centrifugalkraft på vattnet som rinner på bladytan, vilket är centralt för att beskriva vattnets filmrörelse mot rotorns spets. I modellen ingår även vattenfilmens höjd och hastighet, som påverkas av både aerodynamiska skjuvkrafter och centrifugalkraften, vilket ger en dynamisk och realistisk bild av isbildningsprocessen. När isbildningen blir tillräckligt omfattande för att påverka luftflödet, genereras ett nytt grid som tar hänsyn till isens form, och beräkningarna upprepas med den uppdaterade geometrin, vilket möjliggör simulering av isens tillväxt över tid.

Jämförelser mellan dessa tredimensionella modeller och experimentella data visar att inkluderingen av centrifugalkraft och tredimensionella effekter leder till bättre överensstämmelse med verkliga isbildningsmönster än äldre 2-D metoder. Speciellt vid rotorbladets spetsar, där isens tjocklek och form starkt påverkas av rotationen, ger denna metod förbättrade prediktioner som överensstämmer väl med experiment. Dessutom har forskning visat att den tredimensionella modellen kan förutsäga skillnader i isens tjocklek längs bladets längd, där tjockleken tenderar att öka mot spetsen, något som är viktigt för förståelsen av aerodynamiska och strukturella påfrestningar.

Utöver rotationsrörelsen måste man beakta rotorbladets pitch-rörelse, som påverkar aerodynamiska egenskaper och droppfältets dynamik. Pitch-rörelsen förändrar bland annat värmeöverföringen och påverkar hur och var droppar träffar bladet, vilket gör simuleringarna ännu mer komplexa. Förenklingar av pitch-rörelsen i tredimensionella modeller är därför nödvändiga för att göra beräkningarna hanterbara, men ändå realistiska.

Viktigt att förstå är att isbildning på rotorblad inte bara är en fråga om statiska förhållanden utan en starkt dynamisk process där luftflöde, droppars rörelser, termodynamik och mekaniska krafter samverkar. För att korrekt förutsäga isbildning krävs avancerade numeriska metoder som kan fånga dessa samverkande effekter i tre dimensioner och över tiden. Att ignorera sådana tredimensionella och dynamiska faktorer kan leda till underskattningar av isens påverkan på rotorbladens aerodynamik och strukturella integritet.

För att fördjupa förståelsen kan läsaren också dra nytta av kunskap inom flerfysikaliska simuleringar där fluiddynamik, värmeöverföring och fasförändringar modelleras tillsammans. Sådana integrerade metoder är avgörande för att utveckla säkrare och mer effektiva rotorcraft-system som kan hantera de utmaningar som isbildning innebär i verkliga flygsituationer.

Hur olika faktorer påverkar isbildning och frysningsprocessen av droppar

Frysning av droppar på kalla ytor är en komplex process som påverkas av flera faktorer, såsom temperatur, storlek på dropparna och ytans vätbarhet. Vid simulering av droppars frysningsbeteende vid en temperatur på -20°C och en kontaktvinkel på 90°, observerades att isen initialt bildades vid droppens botten och gradvis bildade en nästan platt form. När volymen ökade, pressade den den flytande vattnet uppåt. Efterhand som frysningsprocessen utvecklades, blev vatten-isen gränsen mer konkav, vilket innebar att isen frös snabbare vid ytan än vid droppens centrum. Detta fenomen är ett resultat av den kontinuerliga nedkylningen från ytan, vilket tillslut ledde till att hela droppen frös till is och en bulge bildades på toppen. Under hela processen släpptes latent värme ut, vilket påverkar omgivningens temperatur.

Temperaturfördelningen i droppen vid olika faser av frysningsprocessen visar att temperaturen på symmetrilinjen för droppen kontinuerligt sjönk medan luftens temperatur ökade för att senare sjunka tillbaka till yttemperaturen. Detta sker på grund av konvektion och ledning mellan droppen och luften. Eftersom den nedre ytan på droppen konstant kyls av plattans yta, omger den kalla luften den ännu inte frysta vätskan. När droppen är tillräckligt kall ökar frysningen i de yttre lagren snabbare än i de inre delarna.

I simuleringar där plattans kyltemperatur varierade från -10°C till -20°C, visade sig kyltemperaturen ha en stark inverkan på frysningsprocessen. En högre temperatur på plattan resulterade i att frysningsprocessen tog längre tid, medan lägre temperaturer ledde till snabbare frysning. För droppar som frös vid lägre temperaturer upptäcktes att frysningshastigheten i mitten var långsammare än vid högre temperaturer. Det är också viktigt att notera att den latenta värmen som frigörs från droppen inte är tillräcklig för att snabbt höja temperaturen i luften runt droppen. Denna effekt är särskilt märkbar när kyltemperaturen är låg, då större mängder latent värme behövs för att uppnå fryspunkten.

En annan faktor som påverkar frysningsprocessen är ytan som droppen landar på. När dropparna fryser på ytor med olika vätbarhet, varierar frysningsformen. Om ytan är hydrofil (kontaktvinkeln är låg), tenderar isens framkant att vara platt i början, för att sedan övergå till en konkav form. För superhydrofoba ytor med högre kontaktvinklar tenderar isfronten att vara konvex innan den blir platt och slutligen konkav. Detta sker på grund av skillnader i värmeöverföring mellan isen i mitten av droppen och vattnet som fortfarande är flytande vid kanterna. Förhållandet mellan isens tillväxt och temperaturfördelning är mer ojämnt på superhydrofoba ytor, där frysningsprocessen är långsammare i de övre delarna av droppen.

Frysningens hastighet är också starkt relaterad till den temperaturgradient som uppstår i droppen. För droppar som fryser snabbare, kommer den övergripande effekten av latent värmefrigörelse att vara mindre märkbar för den omgivande luften, vilket leder till en långsammare temperaturförändring i luften omkring droppen. Detta fenomen understryker vikten av att förstå hur värmeöverföring och vätbarhet påverkar hela frysningsdynamiken.

Sammanfattningsvis visar de numeriska simuleringarna att frysningsprocessen för droppar påverkas av flera nyckelfaktorer. Den största inverkan har kyltemperaturen på plattan och yttemperaturen, medan droppens storlek har en sekundär effekt på frysningsbeteendet. Det är också uppenbart att ytan där droppen landar har en väsentlig påverkan på frysningsformen och det slutliga resultatet av frysningsprocessen. För att fullt ut förstå dessa processer är det avgörande att överväga både den fysiska processen för värmeöverföring och de mikrostrukturella egenskaperna hos de material som dropparna interagerar med.

Hur kan morfogenetiska modeller förutsäga komplexa iskonstruktioner på flygplansvingar under olika isbildningsförhållanden?

Morfogenetiska modeller har visat sig vara ett ovärderligt verktyg för att förstå och förutsäga isbildningens komplexa dynamik på flygplansvingar, särskilt under varierande förhållanden där både rime- och glaze-is förekommer. En särskild styrka hos dessa modeller är deras förmåga att simulera diskret partikelbeteende, vilket ger en unik inblick i bildandet av ojämn och komplex isstruktur såsom frusna rännilar och isåsar, fenomen som traditionella kontinuerliga modeller har svårt att återge.

När en uppvärmd yta utsätts för isbildande förhållanden, påverkar en intrikat samverkan mellan uppvärmning, avrinning av vätska, förångning och frysning den slutliga iskonstruktionen. Vid en viss värmeflödesnivå kan t.ex. fullständig avdunstning av vattenstänk ske, vilket eliminerar isbildning helt, medan en något lägre värmeflödesnivå kan resultera i ansamling av is bakom den uppvärmda ytan. Dessa icke-intuitiva resultat understryker modellens betydelse för att optimera anti-iseringssystem.

Särskilt intressant är hur modellen hanterar 3D-isbildning på svepta vingar, där komplexa former som ”hummerstjärtar” eller ”fläckar” ofta uppstår. Dessa strukturer kännetecknas av vågiga variationer i isens form längs vingens bredd, med ett typiskt avstånd mellan toppar på några millimeter. Morfogenetiska simuleringar lyckas reproducera dessa mönster, även om vissa skillnader mot experimentella data kvarstår, såsom variation i regelbundenhet och orientering. En möjlig orsak till dessa skillnader är att modellen för närvarande inte tar hänsyn till förändringar i luftflöde och droppbanor som isen i sig orsakar när den växer.

Vid högre lufttemperaturer förlängs området där glaze-is bildas, eftersom dropparna rör sig längre längs ytan innan de fryser till is. Detta leder till en mer kompakt och ibland porös isbildning som modellen också fångar väl. Dock kan modellens prediktion av luftfickor och håligheter skilja sig från experimentella observationer, delvis på grund av begränsningar i mätmetoder eller modellens antaganden.

En viktig aspekt som morfogenetiska modeller hanterar naturligt är ytråhetens utveckling. Denna egenskap är kritisk eftersom en ökad ytråhet höjer den konvektiva värmeövergångskoefficienten, vilket påverkar isbildningens dynamik och därmed vingens aerodynamik. Modellen behöver inte förlita sig på uppskattningar av ytråhet som indata utan genererar denna egenskap som en naturlig konsekvens av isens struktur.

Vidare validering av modellen med hjälp av avancerad CFD och Lagrange-baserade droppbaneberegningar, där verkliga droppstorleksfördelningar används, visar på modellens robusthet och potential att hantera komplexa isbildningsscenarier, inklusive effekten av vingens svepvinkel och varierande lufttemperatur.

Det är av största vikt att förstå att isbildningens komplexitet på flygplansvingar inte enbart beror på enskilda faktorer som temperatur eller droppstorlek, utan på den dynamiska och ömsesidiga påverkan mellan flera fysiska processer. Effektiv anti-iseringsdesign kräver därför en holistisk förståelse av dessa interaktioner, där morfogenetiska modeller erbjuder ett kraftfullt verktyg för både forskning och praktisk tillämpning.

Vikten av att kontinuerligt uppdatera beräkningar av luftflöde och droppbanor under pågående isbildning kan inte underskattas, då detta kan avsevärt förbättra modellens precision. Vidare är det avgörande att ha tillgång till experimentella data med hög detaljnivå och minimala mätfel för att kunna kalibrera och verifiera modellens prediktioner.

Hur hanteras fel och användarupplevelse i moderna webbtjänster med FastAPI?
Vad betyder "Indianens tecken" för en vit kvinna bland Apacherna?
Hur lyckas man med tårtor och bakverk? Tips för smak, textur och hållbarhet