I denna studie undersöks isbildning och isavlägsnande på rotorblädorna i en jetmotor, och deras inverkan på flödesdynamik och motorprestanda. Isbildningen koncentreras vid framkanten av rotorbladet, där temperaturen sjunker till fryspunkten och den lokala vattenfördelningen är tillräckligt hög. Den maximala istjockleken kan nå upp till 7,18 mm vid bladets framkant. Isavlägsnande inträffar när isen när en kritisk punkt där centrifugalkraften som verkar på den islagrade ytan blir tillräcklig för att den ska släppas av, vilket sker efter cirka 171 sekunder i simuleringen.

Vid isavlägsnande, som inträffar vid cirka 71% av rotorbladets spännvidd, är den centrala mekanismen den stora centrifugalkraften som drar bort de isiga lagren från framkanten av bladet. Denna process sker när isens tjocklek är som störst och orsakar ett flödesavbrott, vilket påverkar luftflödets hastighet. I experimentet skedde isavlägsnandet vid 179 sekunder, och även om det fanns små skillnader mellan simuleringen och experimentet, kan man säga att simuleringen gav en rimlig uppskattning av tidpunkten för isavlägsnandet. Det är dock viktigt att notera att simuleringen gav en något lägre återhämtning i flödet jämfört med experimentet. I experimentet återhämtade sig flödet efter isavlägsnandet till cirka 94,3% av det ursprungliga flödet, medan simuleringen endast återställde 10,6%.

Skillnaden mellan den experimentella återhämtningen och simuleringen kan bero på att det fanns större isbitar som föll bort i experimentet. Därmed kan den fysiska storleken och vikten på isen som släppte från bladet påverka den totala flödesåterhämtningen. I experimentet återhämtade sig flödet över flera cykler av isavlägsnande, medan simuleringen endast tog hänsyn till den första isavlägsnandet, vilket resulterade i en lägre total återhämtning. Detta är en viktig aspekt att förstå när man modellerar isbildning och isavlägsnande.

Isens påverkan på motorprestandan är betydande. Under perioden av isbildning minskade motorflödet med 27,6% innan det första isavlägsnandet, och efter att isen avlägsnades återhämtade sig flödet till 21,8%. Vid simuleringen var minskningen i flöde större, 34,4%, med en återhämtning på endast 10,6%. Detta är en betydande indikator på att isbildning inte bara påverkar den omedelbara aerodynamiska prestandan hos rotorbladet utan också den långsiktiga effektiviteten hos motorn.

När det gäller den faktiska påverkan på motorernas flöde visar figurerna i texten tydligt hur islagring på olika delar av bladet, särskilt framkanten vid rotorbladets centrum, leder till en kraftig minskning av massflödet genom motorkärnan (med cirka 9,2%). Efter isavlägsnandet, trots att det inte återhämtade sig helt, var massflödet förbättrat med 0,9% genom bypasskanalen. En intressant observation är att isen på spetsen av rotorbladet och FEGV (Fan Exit Guide Vane) var mycket tunnare än vid rotorns centrum, vilket påverkar det totala flödet i mindre utsträckning. Detta förhållande illustrerar vikten av att förstå var isen bildas på motorbladet, då det påverkar var och hur mycket flödet minskar och återhämtar sig.

En annan aspekt som inte får förbises är hur isens tillväxt påverkar aerodynamiken på mikroskopisk nivå. När isen har byggts upp på framkanten, vilket resulterar i en kraftig flödesnedgång vid bladets centrum, återhämtar sig flödet när isen avlägsnas och det aerodynamiska flödet i närheten av bladet liknar det som före isbildning. Detta återhämtning är inte fullständig eftersom en viss mängd is kvarstår, vilket innebär att motorprestandan inte helt återgår till det ursprungliga tillståndet.

Sammantaget visar dessa simuleringar och experiment på att isbildning och avlägsnande har en komplex men betydande effekt på både flödesdynamiken och den övergripande prestandan hos en jetmotor. För att optimera motorernas drift och effektivitet är det viktigt att förstå inte bara isens bildande och dess avlägsnande, utan också hur dessa processer påverkar flödesförluster och den långsiktiga livslängden på motorer.

För att ytterligare förstå och förbättra simuleringsmodeller bör arbetet fortsätta med att utveckla mer exakta adhesionsmodeller för is, som för närvarande baseras på antaganden som kan förbättras, särskilt i hur isen släpper från rotorbladet. Detta skulle kunna leda till mer realistiska simuleringar av hela isbildnings- och isavlägsnandeprocessen och därmed bättre förutsägelser om motorprestanda under verkliga förhållanden.

Hur säkerställs luftvärdigheten hos modifierade flygplan i isbildningsförhållanden?

Vid ombyggnation av civila flygplan till specialuppdrag, som hos Sabena technics i Frankrike, uppstår ofta omfattande externa modifieringar. Installation av sensorer, pods eller stora kåpor förändrar flygplanets yttre geometri påtagligt. När sådana modifieringar ska certifieras genom ett Supplemental Type Certificate (STC), kräver regleringsmyndigheter bevis för att säkerheten inte komprometteras – särskilt vid flygning i kända isbildningsförhållanden.

För att visa detta genomförs numera avancerade simuleringar av isackumulation med hjälp av CFD-programvara (Computational Fluid Dynamics). Detta gör det möjligt att exakt beräkna var och hur is kan byggas upp på nya ytor, samt hur stora massor som kan lossna under flygning. Dessa data jämförs sedan med flygplanets befintliga certifieringsnivåer för t.ex. fågelkollision. Om den kinetiska energin hos en eventuell isblocklossning understiger den hos en fågel av samma vikt som certifieringsfallet, kan man dra slutsatsen att det inte finns någon risk för strukturell skada. I ett typfall för en infraröd sensor monterad på en Beech 200 visade simuleringen att ismassan uppgick till 2 pund – jämfört med 4 pund som använts vid fågeltest för strukturen – vilket godtas som säkert.

Men säkerhetsbedömningen slutar inte där. Modifieringarna kan även störa luftflödet runt flygplanets sensorer för höjd, fart och tryck – system avgörande för navigering och flygkontroll. Här spelar CFD en central roll: först analyseras luftströmmen utan isbildning, därefter med pålagda isformer enligt simulering. I ett exempel från en modifiering av en Boeing 737 med laserpod visade analyserna på en tryckförändring om 20 Pa vid alternativa statiska portar, motsvarande cirka 5 fot höjdavvikelse. Detta anses acceptabelt, men eftersom små störningar kan ge oproportionerliga fel i flygdata krävs oftast flygprov. Dock, om simuleringarna visar att isackumulationen inte förändrar luftströmmen ytterligare, kan dessa tester begränsas till torra förhållanden – ett viktigt kostnads- och säkerhetsbesparande resultat.

Ännu ett område där CFD ersätter flygtester är bedömningen av flygegenskaper och reglementsenliga prestanda. Här körs jämförande simuleringar med och utan isbildning, vilket ger underlag för att bedöma om styrbarhet, stabilitet och prestanda påverkas. Om påverkan bedöms likvärdig kan flygproven reduceras till det enklare fallet utan is. Men om simuleringarna pekar på relevant påverkan, modelleras de mest kritiska isformerna fysiskt – ofta med specialmaterial – och monteras på testflygplanet. Flygningar genomförs då med dessa "simulerade isformer". Endast om dessa prov ger osäkra resultat, eller om simuleringarna bedöms som otillräckliga, krävs flygning i naturlig eller artificiellt genererad is.

Denna metodik för certifieringsunderlag har blivit alltmer standardiserad inom branschen. Vindkanaltester i isförhållanden förekommer, men lider av allvarliga begränsningar: skalningseffekter, svårigheter att återskapa rätt istyp och låg relevans för komplexa ytor. Därför används de sparsamt i praktiken.

Avgörande är kvaliteten på de CFD-verktyg som används. Ju högre upplösning och noggrannhet i simuleringarna, desto säkrare slutsatser kan dras utan att riskfyllda och dyra flygtester behövs. Det kräver dock expertis – både i aerodynamik och i tolkning av simuleringens resultat – samt en strikt metodik i hur olika scenarier modelleras.

Utöver själva tekniken är det väsentligt att förstå att varje modifiering är unik. Placering, form och funktion hos tillagda strukturer ger olika konsekvenser, och därför kan inte standardiserade förenklingar alltid tillämpas. Dessutom måste man förhålla sig till olika regelverk: EASA, FAA, JAA – var och en med sina tolkningar och acceptansnivåer.

Det är även centralt att se CFD inte bara som ett verktyg för att undvika flygprov, utan som ett integrerat redskap i hela design- och certifieringsprocessen. Genom att simulera redan i tidiga skeden kan man undvika problem senare – både i tekniskt och ekonomiskt avseende. Därför blir förståelsen för isbildningens aerodynamiska effekter en strategisk tillgång i modern flygplansmodifiering.

Hur utvecklas lagring och transport av väte för framtidens energi?
Hur skiljer sig tyskt och engelskt ordförråd i vardagliga konversationer?
Hur ljud uppstår genom vibrationer och varför det är viktigt att förstå
Hur kan en modifierad RICE-enhet förbättra prestanda för CAES med vätgas?