Hur simuleras isbildning i turbofanmotorer och vad påverkar dess noggrannhet?

Numerisk simulering av isbildning i turbofanmotorer är en komplex process som involverar flera fysikaliska fenomen och kräver sofistikerade modeller för att förutsäga isens tillväxt och dess påverkan på motorns prestanda. En viktig del av simuleringarna är hanteringen av partiklar – i detta fall iskrystaller – som rör sig genom flödet och interagerar med olika komponenter, såsom rotorblad och statorsegment. Partiklarnas dynamik och deras förmåga att fastna eller studsa tillbaka i flödet påverkar i hög grad ackretionen, det vill säga isens tillväxt på ytorna.

Exempelvis visar studier där partiklar med en medeldiameter på cirka 38 mikrometer och en formfaktor på 0,5 analyser av isbildning på turbofankomponenter. Simuleringar som inkluderar överföring av massa och energi, där vattenångans och partiklarnas termodynamiska tillstånd beräknas, ger en mer realistisk bild av hur isen bildas och utvecklas. Skillnader i simulerade och experimentella värden för smältfraktion indikerar acceptabla avvikelser med hänsyn till förenklingar som antagandet om en enda partikelstorlek.

Det är också värt att notera att simuleringar ofta inte inkluderar värmeledning genom metallkomponenterna, vilket i verkligheten kan påverka isens tillväxt genom smältning eller mekanisk borttagning av is. Därför kan simuleringarna underskatta isens tillväxt i vissa områden, vilket exemplifieras av underskattad isackretion vid rotorbladens främre kanter i vissa fall.

För att hantera den komplexa och tidsberoende naturen hos isbildning har en steady multi-stage multishot metod utvecklats. Denna metod delar upp total ackretionstid i flera mindre intervall ("shots") där flödes- och partikelberäkningar hålls konstanta under varje intervall medan själva isbildningen beräknas tidsberoende. Efter varje intervall uppdateras simuleringen för att ta hänsyn till den förändrade ytan på grund av isen, vilket möjliggör en mer robust och realistisk framställning av ackretionsprocessen.

De numeriska lösningarna bygger på avancerade turbulensmodeller, såsom kω-SST, och använda metoder som mixing-plane för att approximera flödet i komplexa geometrier med flera rörliga delar. Dessa metoder underlättar simulering av hela motorns isbildningsbeteende under realistiska flygparametrar – exempelvis vid höga höjder och specifika temperaturer där isbildning är kritisk.

Det är också av vikt att inse att verkliga motorer påverkas av många fler faktorer än vad som kan fångas i en enda simulering, inklusive metallens värmeledning, små variationer i partikelstorlek och form, dynamiska belastningar och luftflödets fluktuationer. En realistisk och användbar simulering måste därför balansera mellan modellkomplexitet och beräkningstider, samtidigt som den inkluderar så många relevanta fysiska processer som möjligt.

Endast genom att förstå och modellera dessa flera sammanlänkade fenomen kan man förutsäga motorernas isbildning på ett tillförlitligt sätt och därigenom förbättra både säkerheten och prestandan i turbofanmotorer.

Hur påverkar syntetiska jetdrivna iskyddssystem isackumulation på vingen?

Vid undersökning av de effekter som olika parametrar har på isackumulering på en vinge, är en av de viktigaste faktorerna den typ av droppfördelning och temperaturer i både flödet och det aktiverade systemet. I denna studie jämförs olika metoder för att minska isbildning genom att använda syntetiska jetdrivna aktuatorkammare (SJA) för att generera värme och påverka flödet över en vingytan. En specifik fallstudie som genomfördes involverar analysen av olika parametrar som påverkar isackumuleringen, såsom inloppstemperatur, droppstorlek och freestreamtemperaturer. Detta har betydande betydelse för att förstå hur dessa faktorer påverkar isformation under reala förhållanden.

En viktig aspekt av denna studie är droppfördelningens typ. Monodisperse och Langmuir-D fördelningar av droppar jämfördes för att fastställa deras effekt på isackumulationen på en vinge. Monodisperse droppfördelning innebär att alla droppar är av samma storlek (i detta fall 20 mikron i medelvolymdiameter). Langmuir-D droppfördelning, å andra sidan, har varierande diametrar med en statistisk viktning som är centrerad på ett specifikt medelvärde, som i denna studie också är 20 mikron. Denna fördelning representerar ett mer realistiskt spektrum av droppstorlekar som ofta förekommer i moln vid isbildning på hög höjd.

Det är viktigt att förstå att små droppar, som finns i Langmuir-D fördelningen, bärs lättare av flödet än större droppar. Detta innebär att de större dropparna kan inducera en mer effektiv isbildning genom att interagera mer direkt med ytan. För att säkerställa att denna jämförelse är giltig, valdes en inloppstemperatur på 75 °C, eftersom en högre temperatur skulle kunna avdunsta de små dropparna innan de når ytan och fryser, vilket skulle förvränga resultaten. Vid högre inloppstemperaturer som 100 °C, kan de mindre dropparna förångas helt innan de hinner slå sig ner på ytan.

I de analyserade fallen, där SJA-systemet var inaktiverat eller värmt, visade det sig att isackumulationen varierade beroende på de parametrar som justerades. För det första, i baslinjefallet, utan aktivering eller uppvärmning, resulterade en stabil temperatur utan ytterligare tillförsel av värme i att isbildning uppstod i form av rimfrost, vilket är en typ av is som bildas när små vattendroppar snabbt fryser på en yta.

I nästa scenario, där SJA-systemet var uppvärmt men inte aktiverat, observerades en viss minskning av isbildning på de bakre hörnen av SJA-orificeområdet. Detta berodde på att den uppvärmda luften som pressades ut ur orificen skapade ett temperaturskikt som hindrade isens utveckling, även om flödet inte påverkade isbildningen direkt. Det var dock fortfarande en märkbar ansamling av is på vingens yta, vilket indikerar att uppvärmningen inte var tillräcklig för att helt förhindra isbildningen.

Det är av stor betydelse att förstå att effekten av syntetiska jetdrivna aktuatorkammare på isackumulation inte bara beror på den temperatur och aktivering som tillämpas, utan också på hur flödet påverkas av de specifika droppstorlekar och fördelningar som är närvarande. Variationerna i droppstorlekar och deras samspel med flödet kan avgöra hur mycket is som bildas och var den samlas. Detta har en direkt koppling till det effektiva skyddet av strukturer mot isbildning.

För att ytterligare optimera dessa system måste man förstå den komplexa dynamiken mellan droppstorlekar, flödeshastigheter och de specifika värmeegenskaperna hos systemet som används. Studier som denna kan ge värdefull insikt för utveckling av mer effektiva metoder för att bekämpa isbildning på aerodynamiska ytor.

Hur beter sig superkylda droppar vid påverkan på superhydrofoba och isig ytor?

Vid mild superkylning, exempelvis droppar som är något under fryspunkten (–5 °C), sker ingen omfattande kristallisering vid initial kontakt. Istället kan en förenklad modell tillämpas där en initial isfraktion fördelas på partiklarna och temperaturen justeras till fryspunkten. Detta förenklar simuleringen utan att förlora den övergripande dynamiken. Resultaten visar att själva frysningsprocessen ofta är långsammare än spridningen och återstudsen, och att isen främst bildas vid kontaktpunkten mot ytan.

När droppar med högre grad av superkylning träffar en isig yta, blir isbildningsprocessen betydligt mer komplex. Dendritisk kristalltillväxt, där isen växer i grenade strukturer, påverkar flödet av vätskan och kan snabbt förändra den lokala geometri och dynamiken. Studier har visat att ökande upplösning i simuleringar leder till bättre överensstämmelse med experimentella mätningar vad gäller tjockleken på kvarvarande islager. Vid höga partikelupplösningar blir simuleringens resultat nästan oberoende av partikelantalet, vilket visar på numerisk konvergens.

Temperaturen hos droppen och målytan spelar en avgörande roll i isbildningen. Vid lägre temperaturer, exempelvis –16 °C eller ännu kallare, blir dendritisk tillväxt mer framträdande och bromsar vätskeflödet snabbare, vilket resulterar i tjockare residualt islager. Vid de första millisekunderna efter träff är flödesdynamiken likartad oavsett superkylning, men efterhand gör den snabba kristalliseringen stor skillnad.

Sammantaget visar dessa studier hur samverkan mellan vätska, värme och fasövergångar styr dynamiken vid impingement på både superhydrofoba och isiga ytor. Den superhydrofoba ytan kan reducera frysning genom att begränsa vätskans kontaktarea och möjliggöra återstuds, medan isig yta främjar snabbare isbildning och påverkar flödet mer dramatiskt. Det är av vikt att förstå hur partikelupplösning, kontaktvinklar, och initiala temperaturer samspelar för att förutsäga och kontrollera isbildningsprocesser, exempelvis inom flygindustrin där isbildning på vingar kan få allvarliga konsekvenser.

Förutom själva frysningen är det viktigt att uppmärksamma den roll som vätskeflödet spelar i isbildningen. Flödet kan transportera värme och material på ett sätt som antingen förstärker eller motverkar kristalltillväxten. Den dynamiska balansen mellan dessa fenomen avgör i praktiken hur snabbt och hur mycket is som bildas. Att modellera och förstå denna interaktion är grundläggande för att utveckla effektiva metoder för isbekämpning, och för att designa ytor med önskade egenskaper, som kan minska riskerna vid exempelvis flygning i kalla förhållanden.