När ispartiklar träffar en yta under flygförhållanden med blandad fas – det vill säga när både iskristaller och underkylda vattendroppar är närvarande – uppstår en komplex interaktion mellan termiska, mekaniska och hydrodynamiska krafter. En avgörande parameter för att beskriva detta fenomen är fastklistringseffektiviteten, ϵs, som ännu inte har en heltäckande modell för situationer där smälta iskristaller samexisterar med underkylt vatten. Detta beror bland annat på att det ännu är oklart hur mycket av det tillgängliga flytande vattnet som bidrar till adhesionen – vare sig det kommer från iskristallen själv (via ηm), från de underkylda dropparna (via LWC) eller från ett befintligt vätskefilm på väggen (via fl).

I scenarier där LWC eller TWC är noll, alltså när inga flytande droppar finns i atmosfären, är det enda tillgängliga vattnet det som redan finns som en tunn film på ytan. Denna vätskefilm möjliggör fastklistring av iskristaller även i frånvaro av droppar i luften. Modellen för detta, kallad LWRmixed stick, introducerar en justerbar parameter Kd och en funktion av vätskefilmen fl. Trots detta återstår många oklarheter kring hur dessa bidrag växelverkar i verkliga flygsituationer.

När en uppvärmd väggyta exponeras för impakterande iskristaller, uppstår olika typer av respons beroende på ytans temperatur och ispartiklarnas egenskaper. I experiment utförda av TsAGI undersöktes både torra och vätskebelagda uppvärmda ytor. Ett spiralformat vatteninjektionssystem användes för att generera ett kontrollerat vätskefilm, vilket visade sig påverka partiklarnas fastklistringströskel. Genom att variera temperatur eller partikelstorlek kunde man observera hur känsliga dessa processer är för små förändringar i de termodynamiska parametrarna.

Ackumulationen av is vid sådana förhållanden involverar flera samtidiga processer. Först träffar partiklar av olika former och hastigheter ytan. Vissa fastnar – beroende på mängden flytande vatten – vilket definieras av ϵs. När dessa partiklar väl fastnat bildar de ett poröst islager. Vätska kan då ansamlas i porerna, vilket kräver en omformulering av den klassiska runback-modellen: det vill säga hur mycket av vattnet som rinner vidare och hur mycket som stannar kvar.

För att modellera detta används en utvidgad version av den klassiska Messinger-balansen, som innefattar både massa- och energibalanser. Viktiga komponenter i denna modell är de ingående massflödena av impakterande partiklar, den deponerade massan, förluster via avdunstning och sublimering, samt erosion – det vill säga bortslitning av ackumulerad is genom nya kollisioner. Den deponerade ismassan, ṁ_dep, härleds från de impakterande partiklarna och bidrar till det porösa lagret. Ett nytt element i modellen är termen ṁ_Lacc, som representerar vätska instängd i islagret – i motsats till ṁ_rbo, som beskriver vatten som rinner bort.

Porositeten i islagret, Ψ, påverkar i hög grad fördelningen mellan dessa två flöden. Ju porösare is, desto mer vätska kan ansamlas. Funktionen G(Ψ) i modellen ökar därför med ökande porositet, medan funktionen H(ηm) säkerställer att modellen degenererar till den klassiska Messinger-balansen i fallet av ren droppis.

Erosion utgör en ytterligare faktor som påverkar nettoackumulationen. Den empiriska modellen för erosionseffektivitet, ϵ_er, beaktar partiklarnas tangentiella hastighet, ytans vätskefraktion yl samt den lokala geometriska krökningen κ. En hög vätskefraktion (yl ≳ yl0) leder till att isen blir alltför "slushy" – det vill säga vattenrik och lös – och kan inte längre fästa vid ytan. Krökningen bidrar till ökad erosion, särskilt där geometrin koncentrerar krafter. Term ① i erosionsekvationen baseras på observationer av konformade isstrukturer och deras erosion vid ränderna av impaktzoner, medan ② och ③ beskriver kritiska förhållanden där vätska dominerar samt ytans jämnhetsutveckling över tid.

En nyare modell av erosion, framtagen av Charton m.fl., bygger på klassiska erosionsteorier från Finnie och Bitter. Den tar inte bara hänsyn till den tangentiella hastigheten utan också den normala impaktkomponenten samt partiklarnas diameter, vilket ger ett mer omfattande ramverk för att beskriva hur is ackumuleras – eller förloras – i verkliga förhållanden.

Det är viktigt att förstå att den porösa strukturen i islagret, tillsammans med graden av vätskeinnehåll, definierar inte bara hur effektivt iskristaller fastnar, utan också hur stabil isen är över tid. Slushy-is ackumuleras snabbt men eroderas lika lätt. Ren is fäster bättre, men kräver specifika termodynamiska betingelser. Den komplicerade balansen mellan impakt, ackumulation, vätskeretention och erosion utgör kärnan i de aktuella modellerna, och förståelsen av dessa processer är avgörande för att utveckla säkra och effektiva avvisningssystem i flygteknik.

Väsentligt att tillägga är betydelsen av impakterande partiklars storleksfördelning, deras inbördes samverkan vid kollisioner, samt de lokala aerodynamiska förhållandena nära ytan. Dessa påverkar inte bara impaktvinklar och hastigheter, utan

Hur fungerar syntetiska jetstrålar för isbildningsskydd på flygplansytor?

Studier med hjälp av FENSAP-ICE-programvara visar att aktiveringen av syntetiska jetstrålar (SJA) har en betydande effekt på isbildningsprocessen, även utan tillsatt värme. Genom att aktivera jetstrålarna förändras flödet uppströms, vilket leder till att dropparna i luften avleds bort från ytan på flygplansdelen, till exempel en kilformad kant. Detta minskar dropparnas ansamling och därmed den direkta isbildningen. Effekten är mest påtaglig vid små droppars medelvolymdiameter (MVD), medan större droppar påverkas i mindre grad. Vid uppvärmda jetstrålar förstärks effekten ytterligare, eftersom den konvektiva värmetransporten från strålarna nästan helt kan förhindra isbildning på ytan.

I en parametristudie undersöktes hur faktorer som droppfördelning, temperatur i SJA-kammaren, dropparnas MVD och fri strömningstemperatur påverkar isbildningen. Resultaten visade att uppvärmda syntetiska jetstrålar konsekvent förhindrade betydande isansamling, vilket understryker metodens potential som en innovativ och effektiv teknik för iskontroll på flygplan. Vidare designoptimeringar av SJA-arrayer är nödvändiga för att anpassa tekniken till verkliga driftsförhållanden och maximera dess effektivitet i anti-icing-applikationer.

Syntetiska jetstrålar representerar en aktiv flödeskontrollmetod där impulser av luft, som genereras utan massflödesökning, styrs mot ytor som annars skulle utsättas för isbildning. Detta skapar en dynamisk barriär som förändrar det lokala aerodynamiska flödet och termiska förhållanden, vilket hämmar den klassiska processen där vattendroppar fastnar och fryser. Metoden skiljer sig från traditionella passiva system genom att den kan anpassas i realtid och kräver mindre energi än konventionella värmesystem.

Viktigt att förstå är att effektiviteten hos dessa system är beroende av flera sammanhängande faktorer: droppstorlek och distribution i atmosfären, temperaturgradienter, jetstrålarnas placering och termiska tillstånd. Den komplexa interaktionen mellan dessa parametrar gör att numeriska simuleringar och experimentell verifiering är centrala för utvecklingen. Dessutom måste tekniken integreras med flygplanets övriga system för att säkerställa både säkerhet och prestanda under olika flygförhållanden.

Den aktiva naturen hos syntetiska jetstrålar innebär också att de kan användas selektivt och adaptivt, vilket minskar energiförbrukningen jämfört med kontinuerliga värmesystem. Detta öppnar möjligheter för lättare och mer miljövänliga anti-icing-lösningar som är anpassade för moderna flygplan med höga krav på effektivitet och säkerhet.

Det är även av vikt att beakta hur den reducerade isansamlingen påverkar aerodynamiska egenskaper såsom lyft och drag. Mindre isbildning bidrar till bibehållen flygplansprestanda och manöverbarhet, vilket är avgörande för både säkerhet och ekonomisk drift. Syntetiska jetstrålar kan därmed betraktas som en multifunktionell teknologi som kombinerar termisk och aerodynamisk kontroll.

Slutligen är integrationen av dessa system i befintliga certifieringsprocesser en utmaning som kräver både numeriska metoder och praktiska flygtester. Den komplexa samverkan mellan flödesdynamik, termodynamik och materialegenskaper måste förstås i detalj för att säkerställa att tekniken är robust och pålitlig under alla förhållanden som flygplanet kan möta.

Hur kan man modellera värmeöverföring och övergången från laminärt till turbulent flöde vid isbildning på flygplansytor?

Konvektiv värmeöverföring är den dominerande mekanismen vid uppbyggnad av glaze-is, där vätskefasen ligger nära fryspunkten. Att exakt kunna modellera värmeöverföringen över ojämna, grova ytor samt övergången från laminärt till turbulent flöde är avgörande för att förutsäga den slutliga isbildningen på flygplansytor. Traditionellt har beräkningar av värmeöverföring i isbildningskoder baserats på en integrerad gränsskiktsanalys med antagandet om en abrupt övergång mellan laminärt och turbulent flöde vid en viss punkt, samt en sandkornsroughness (ks) som karaktäriserar ytans ojämnhet. Denna metod har dock visat sig ha begränsningar, då ks-begreppet är härlett från experiment i grova rörflöden och inte fullt ut representerar externa gränsskikt över komplexa ytor såsom flygplansprofilen.

Forskning har visat att sandkornsliknande integrerad analys ofta underskattar värme- och rörelsemängdsöverföringen över grova ytor, vilket kan leda till felaktiga prediktioner av isens utbredning och form. En mer nyanserad modellering inkluderar därför användningen av en intermittensfunktion som beskriver övergångsregionen mellan laminärt och turbulent flöde som en utsträckt zon snarare än en skarp punkt. Denna metod ger en bättre representation av hur flödet utvecklas och hur värmeöverföringen påverkas under övergången.

För att vidare förbättra beräkningarna införs ett ekvivalent sandkornsroughnessmått som används i korrelationer för den så kallade rough Stanton-talen, vilken beskriver värmeöverföringens intensitet vid grova ytor. En modifierad termisk väggfunktion (wall function) tar hänsyn till roughnessens roll som ett isolerande lager, vilket balanserar effekten av Reynolds talets förstärkning av värmeöverföringshastigheten. Detta innebär att trots högre turbulensnivåer på grova ytor kan värmeöverföringen vara begränsad på grund av isolerande egenskaper hos ytan.

Den lokala värmeöverföringskoefficienten beräknas för grova cylindrar och isbildande vingprofiler. Resultaten har jämförts med experimentella data och öppna numeriska simuleringar, där denna förbättrade modell ger mer exakt förutsägelse av isens form och utbredning. Detta är avgörande för att kunna optimera isskyddssystemen och minska flygplanssäkerhetsrisker i isbildningsförhållanden.

Isbildning påverkar flygplanets aerodynamiska prestanda negativt genom att öka vikt och minska manövrerbarhet, vilket kan leda till minskad säkerhetsmarginal. När ett flygplan flyger genom moln med superkylda vattendroppar, sker isbildning på ytor som inte är skyddade. För att hantera detta använder kommersiella flygplan olika typer av isskyddssystem, där numeriska simuleringsverktyg är viktiga för att analysera systemens funktionssäkerhet och planera skyddsåtgärder.

Att förstå de komplexa mekanismerna för värmeöverföring vid övergången mellan laminärt och turbulent flöde, och hur ytans grovhet påverkar detta, är fundamentalt för att utveckla robusta simuleringsmodeller. Dessa modeller möjliggör mer tillförlitliga prediktioner av isbildning och därmed säkrare och effektivare flygplansdesign och drift under isbildningsförhållanden.

Det är viktigt att inse att värmeöverföringen i isbildningsprocessen inte bara styrs av flödesdynamiken utan också av termiska egenskaper hos ytan, inklusive dess förmåga att fungera som en isolator. Grovhetens dubbla roll, både som en förstärkare av turbulens och som ett isolerande lager, skapar en komplex balans som måste hanteras korrekt i modellerna.

Den exakta representationen av övergångszonen och den modifierade väggfunktionen är därmed centrala innovationer för att förbättra simuleringsresultat och minska osäkerheter i prognoserna. Det innebär också att traditionella förenklingar måste ersättas med mer avancerade metoder som bättre reflekterar verkliga fysiska förhållanden vid isbildning.

Hur mycket kostar en tur på Nilen?
Hur gas- och ångturbinkraftverk kan spela en roll i hållbar energiproduktion
Hur metadata kan exponera känslig information och hur man skyddar sig från dataläckage
Hur kan avancerade metoder förbättra tillförlitlighetsanalys och prediktivt underhåll i komplexa system?