Hur påverkar långsamma svängningar isbildning på rotorblad och dess numeriska simulering?

Isbildning på rotorblad är ett komplext fenomen som påverkas av många faktorer, såsom rotationshastighet, vinkel på anfallsvinkeln, luftfart och luftens innehåll av vätskedroppar. Experimentella studier har visat att isens form på ett rotorblad under rimfrostförhållanden inte påverkas nämnvärt av frekvensen på bladets svängningar. Detta beror på att rotorbladets svängningar ofta sker mycket långsamt, vilket kan betraktas som en serie av kvasi-statiska tillstånd. Denna insikt ligger till grund för numeriska simuleringar som modellerar bladets rörelse som långsamma sinusformade svängningar, vilket förenklar beräkningen av aerodynamiska krafter och isbildning.

I dessa simuleringar delas bladets rörelse upp i diskreta steg, där varje steg representerar en fast vinkel och ett aerodynamiskt tillstånd. Genom att kombinera resultaten från Computational Fluid Dynamics (CFD) med isbildningsprogram som LEWICE3D kan man iterativt beräkna isackumuleringen för varje steg. Denna så kallade löst kopplade metod gör det möjligt att förutsäga isens form och dess påverkan på rotorbladets prestanda över tid. Efter varje tidssteg genereras en uppdaterad tvådimensionell isprofil, som sedan interpoleras till en tredimensionell modell för vidare analys.

Denna metod har tillämpats på olika rotorblad, inklusive konventionella NACA 0012- och SC2110-profiler, och har validerats mot experimentella data från Helicopter Icing Flight Test (HIFT) programmet. Resultaten visar god överensstämmelse, särskilt vid högre radiala positioner på bladet. Vid lägre radier, under 50% av bladets längd, är dock förutsägelserna mindre precisa, vilket indikerar komplexiteten i isbildningsprocessen nära rotorn. En utmaning är att simuleringen inte fullt ut kan fånga upp vissa detaljer som isfjäll och ytråhet, vilka påverkar aerodynamiken.

Det är viktigt att förstå att dessa numeriska modeller bygger på antagandet att flödet kan beskrivas som tvådimensionellt i varje bladsektion och att rörelsen är tillräckligt långsam för att använda en kvasi-stationär approximation. Detta innebär att de tredimensionella och tidsberoende aspekterna av flödet, som är karakteristiska för rotorblad i verklig drift, inte fullt ut beaktas. Vidare är antagandet om mycket långsamma svängningar baserat på experiment med enkelbladiga, tvådimensionella profiler och behöver valideras under olika isförhållanden och flygparametrar.

För att förbättra noggrannheten i simuleringar av rotorbladisbildning krävs därför fullständiga tredimensionella modeller som kan hantera oförutsägbara och dynamiska rörelsemönster. Sådana modeller måste kunna ta hänsyn till både flödes- och termodynamiska fenomen i högupplösta och tidsberoende simuleringar. Detta är avgörande för att på ett tillförlitligt sätt förutsäga isens påverkan på rotorprestanda, särskilt i kritiska situationer där säkerheten är beroende av exakt kunskap om isbildningens dynamik.

Förutom den tekniska aspekten av simuleringarna är det viktigt att förstå de praktiska konsekvenserna av isbildning på rotorblad. Isbildning kan leda till betydande prestandaförsämringar, förändrade aerodynamiska egenskaper och i värsta fall mekanisk skada eller instabilitet i rotorsystemet. Därför är insikter från både experiment och simuleringar avgörande för att utveckla effektiva avisningsstrategier och förbättra flygsäkerheten under svåra väderförhållanden.

Hur påverkar droppens återstudsningstid dess rörelse över en superhydrofob yta med utbuktningar?

För att förstå återstudsningens dynamik hos en vätskefilm som träffar en superhydrofob yta med enstaka utbuktning, är det avgörande att införa ett kvantitativt mått på vertikal rörelse – den momentana dropphastigheten i z-led, vz, definierad som den massmedelvärda z-komponenten av hastigheten inom droppens domän. Detta gör det möjligt att beskriva den kinetiska utvecklingen från kontakt till fullständig separation från ytan. Det visar sig att vz, när droppen just vidrör ytan, i hög grad påverkas av det dimensionlösa Weber-talet (We), som karakteriserar förhållandet mellan tröghets- och ytspänningseffekter.

Vid ökande We minskar energiförlusten i kontaktögonblicket. Det observeras att vz närmar sig fallhastigheten vi, med förhållanden vz/vi på 0.85, 0.96 och 0.97 för We = 1.88, 16.93 och 47.01 respektive. Detta indikerar att droppens vertikala acceleration i återstudsfasen i stort sett är konstant och relaterad till We enligt ett kvadratiskt samband där accelerationen kan approximeras som k = -0.00006689We² + 0.008974We - 0.02469.

Simuleringar avslöjar tre distinkta typer av återstuds: obruten återstuds, två-droppar-återstuds och tre-droppar-återstuds. Vid låga We förlängs kontakttiden med ökad utbuktningens storlek eftersom droppen måste färdas längs dess kontur, vilket kräver extra tid både i kompressions- och återhämtningsfasen. Vid måttliga We orsakar ökad W en mer intensiv deformation av droppens flankfragment, vilket leder till en abrupt minskning i kontakttiden. Men vid högre We och W sker en övergång i återstudsningstyp – från två-droppar- till tre-droppar-återstuds – vilket åter ökar kontakttiden på grund av mer komplex energiomfördelning.

Formen på utbuktningen spelar en avgörande roll, särskilt vid höga We. Trots att de tre faserna i kontaktförloppet – spridning, kontraktion och återstuds – kan ha liknande varaktighet i låga och måttliga We-regimer, påverkar utbuktningens form kontakttiden drastiskt vid höga We. Fyrkantiga utbuktningar, som erbjuder både en horisontell och vertikal yta för vätskan att spridas på, möjliggör enklare formning av smådroppar på toppen, vilket främjar tre-droppar-återstuds. Denna komplexa dynamik gör att droppen stannar längre på ytan jämfört med cirkulära eller triangulära utbuktningar. Simuleringar visar att ordningen i återstudstid är: kvadrat > cirkel > triangel, och att en triangulär utbuktning kan reducera kontakttiden med upp till 48 % jämfört med en plan yta.

För att förs