Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
I denna kapitel behandlas problemen med issamling under flygning i jetmotorer, särskilt på rotorblad och kompressorer. För att förstå de komplexa processerna för in-flight icing, som uppstår när flygplan färdas genom kalla moln innehållande överkylda droppar och iskristaller, är det viktigt att beakta flera faktorer, inklusive aerodynamiska effekter, termodynamik och de specifika interaktionerna mellan iskristaller och motorblad. När droppar och iskristaller träffar motorytorna fryser de och bildar is, vilket kan förvärra situationen genom att minska lyftkraften och öka draget, samt orsaka störningar i luftflödet till motorn.
Icke desto mindre är det också möjligt att noggrant simulera dessa isbildningsprocesser med hjälp av numeriska metoder. Sådana simuleringar spelar en avgörande roll för att förstå och förutsäga isbeläggning på specifika delar av flygplansmotorer. En central komponent i dessa simuleringar är att korrekt kunna modellerera superkylda stora droppar (SLD). Dessa droppar kan orsaka svår isbeläggning på viktiga motorblad, särskilt i områden som nära fläktnavet. Dessa simuleringsmodeller, som baseras på beräkningsflödesdynamik, gör det möjligt att förutsäga isens tjocklek och de krafter som påverkar dess adhesion på bladens ytor.
En särskild utmaning uppstår vid beräkningarna av isavfällning, där is bildas på rotorer och sedan lossnar. Genom att tillämpa olika simuleringsmodeller för att representera isens avfällning kan man korrekt förutsäga när och var isen lossnar, vilket är avgörande för att förbättra säkerheten och prestandan hos jetmotorerna. Denna avfällning beror på flera faktorer, däribland isens hållfasthet och de yttre belastningarna som påverkar motorbladen. Det är också viktigt att förstå hur dessa isavfall kan påverka de aerodynamiska egenskaperna hos rotorblad, vilket kan leda till en oönskad försämring av motorprestandan.
Modeller för att hantera iskristaller är också centrala för att simulera hur små partiklar av is, som frigörs från dropparna, påverkar motorbladen. Detta fenomen är särskilt relevant i kompressordelar av motorn, där isens påverkan kan försämra kompressorns effektivitet och leda till mekaniska problem. För att noggrant modellera denna process är det viktigt att korrekt uppskatta statortemperaturen, som avgör hur is kristalliseras och bildar beläggningar på motordelarna. Detta ger viktig information för att designa motordelar som kan motstå dessa påfrestningar.
En av de mest lovande metoderna för att simulera dessa isbildningar är en hybrid metod som kombinerar gitterbaserade och partikelbaserade simuleringar. Denna metod gör det möjligt att få en mer exakt och detaljerad bild av hur is droppar och kristaller interagerar med motorblad, samt förutsäga isens utveckling på ett mer realistiskt sätt. Denna metod har visat sig vara särskilt effektiv när det gäller att beräkna isens sammansättning och densitet i olika delar av motorn.
Modeller som använder denna hybridmetod har validerats mot tvådimensionella fall och har visat sig vara tillräckligt precisa för att förutsäga de grundläggande isbildningsbeteendena. Eftersom det finns ett brist på experimentella data för jetmotorer, är dessa beräkningsmodeller en viktig hjälp för att utveckla säkrare och mer effektiva motorer i framtiden.
Vidare är det också viktigt att beakta hur förändringar i motorflödets dynamik kan påverka isbildningen. När is samlas på motorbladen, förändras flödesfältet vilket kan leda till ytterligare issamling eller till att redan samlad is lossnar. Förståelsen av detta flödesbeteende är avgörande för att optimera designen och minska risken för isrelaterade problem under flygningen.
I framtiden kan dessa simuleringsmodeller och den ständiga utvecklingen av numeriska metoder spela en nyckelroll i att hantera isbildning i jetmotorer. Genom att noggrant förutsäga var och hur is bildas, kan man skapa lösningar som förbättrar både säkerheten och effektiviteten hos jetflygplan.
Hur fungerar numerisk simulering av isbildning med NSMB och Level-Set-metoden?
Den numeriska simuleringen av isbildning i luftflöden är komplex och kräver en integrerad metodik som fångar flera fysiska processer samtidigt. I denna teknik kombineras en kompressibel Navier-Stokes-lösare (NSMB) med en Eulerian droppartikulär lösare, en Shallow Water Equation för ismodellering (SWIM), och en ALE-remeshing-modul för att uppdatera nätstrukturen. Hela systemet vilar på Level-Set (LS)-metoden, som implicit beskriver gränsytan mellan luft och is genom en signerat avståndsfunktion.
LS-funktionen definieras som ett positivt värde i vätskedomänen och negativt i den fasta isdomänen, vilket möjliggör en exakt implicit beskrivning av isens form och rörelse. NSMB-lösaren är parallelliserad och använder sig av chimera-nät, vilket möjliggör samtidig hantering av multipla block med överlappande nät för att effektivt lösa flödesfältet.
En kritisk komponent i simuleringen är korrekt återgivning av väggvillkoret no-slip. Istället för att använda en kontinuerlig straffterm som i traditionella IBM-metoder, tillämpas en diskret tvingning på explicita gränspunkter som rekonstrueras från LS-funktionen. Detta ger en mer exakt återgivning av hastighetsprofilen nära väggen, särskilt viktigt i turbulenta gränsskikt där isbildning är känslig för lokala flödesförhållanden.
Tre metoder för återgivning av hastighetsprofilen vid väggen används: linjär interpolation, en kraftlagsprofil (ofta en sjunde-potenslag som är vanlig i rörflöden), och turbulensväggmodellering. Den sistnämnda är den mest avancerade och ger en realistisk återgivning av gränsskiktets komplexa beteende.
Den Euleriska droppmodulen är integrerad i LS-ramverket och hanterar droppars impingement på isytan. Gränsvillkor för droppnedslag rekonstrueras liknande väggvillkoret, vilket säkerställer konsekvens i simuleringen. Lösning av vätskefilmen som bildas av sammanflytande droppar på isytan är ett framtida steg som ännu inte är implementerat.
LS-ekvationerna som används består av tre delar: en advektionsekvation för att spåra is/luft-gränsytan baserat på frystemasshastigheten, en propagationsekvation för att rekonstruera hastighetsfältet från väggens beräknade hastighet, samt en reinitialiserings- eller återavstånds-ekvation för att bibehålla LS-funktionens kvalitet som en korrekt signerat avståndsfunktion. Dessa ekvationer diskretiseras med högprecisionsschemat WENO5-RK3 för att säkerställa numerisk konsistens och stabilitet.
Vidare möjliggör NSMB-lösaren hantering av både kompressibla och inkompressibla Navier-Stokes-ekvationer, turbulensmodeller samt inbäddade nätverkstekniker, vilket gör den till ett kraftfullt verktyg för att simulera komplexa fysikaliska fenomen såsom flygplansisbildning i varierande flödesförhållanden.
Det är viktigt att förstå att även små fel i återgivningen av hastighetsfältet nära väggen kan leda till betydande avvikelser i isbildningsprediktioner, då denna zon är kritisk för dropparnas uppträdande och påföljande frysningsprocesser. Att straffmetoden ofta tenderar att underskatta hastigheten i turbulenta lager visar behovet av mer precisa återgivningsmetoder som diskreta villkorsförstärkningar med rekonstruerade ytpunkter.
Det är också centralt att inse hur kombinationen av Eulerisk och nivåset-baserad metodik tillåter simultan hantering av flera faser och gränsytor, vilket är en nyckel till att realistiskt kunna simulera dynamiken i isbildning där vätskefasens rörelser och fasövergångar spelar avgörande roller. Den höga komplexiteten i beräkningsmetoderna kräver också att simuleringar körs på parallella superdatorer med avancerade grid-system som chimera för att uppnå rimliga beräkningstider och noggrannhet.
I detta sammanhang är förståelsen för hur olika fysikaliska parametrar som luftdensitet, temperatur, tryck och värmeflöde samverkar genom NS-ekvationerna avgörande för att korrekt beskriva energibudgeten och massbalansen i isbildningsprocessen. Modellen inkluderar även effekter som värmeöverföring och spänning i fluiden, vilka påverkar tillväxten och formandet av isen.
Endast genom att exakt modellera dessa sammankopplade fenomen och att använda avancerade numeriska metoder kan man nå pålitliga och användbara resultat för praktiska tillämpningar inom luftfart och andra områden där isbildning är ett problem.