Hur påverkar anfallsvinkeln och flödesparametrar aerodynamiken kring isformationer?

Studier visar att medelvärdet av vorticiteten i flödet är starkt korrelerat med anfallsvinkeln (AoA). Vid en anfallsvinkel på cirka -4 grader transporteras virvelkärnan, som bildas vid isens åsformade kam, nedströms med en nedåtpekande vinkel och försvagas successivt innan den når luftfartygsprofilen. När vinkeln istället ökar till omkring 2 grader, släpper virveln från väggen och växer i storlek. Samtidigt utvecklas en skjuvström vid luftfartygsprofilens bakkant från undersidan, vilket ger upphov till två samverkande skjuvströmmar i vakzonen. Dessa interaktioner påverkar i hög grad de instabiliteter som råder i flödesfältet.

Tre anfallsvinklar studerades i detalj: -2, 2 och 5 grader, vilka representerar tre typiska flödesmönster – fullständig återfäste, tidsmässig återfäste och fullständig separation. Resultaten visar att lyftkraftskoefficienten initialt ökar proportionellt med AoA. När AoA når cirka 2 grader, framträder icke-linjära effekter; fluktuationerna i den ögonblickliga lyftkraften ökar gradvis, och vid 5 grader ökar fluktuationerna i styrka ytterligare medan det genomsnittliga lyftet knappt ökar. Detta beror på att olika skalor av koherenta strukturer och deras frekvenser påverkar flödet olika beroende på anfallsvinkeln.

Analys av tryckfördelningen visar att ett återcirkulationsområde med lågt tryck växer med ökande AoA. Vid -2 grader uppträder en tydlig bakåtriktad tryckgradient, som med ökande anfallsvinkel förstärks bakom iskammen. Tryckkoefficientens RMS-värde, som speglar tryckfluktuationens intensitet, ökar snabbt med AoA. Under mindre vinklar ligger denna tryckoscillationszon nära väggen och påverkar därför i liten grad de globala aerodynamiska krafterna. Vid AoA mellan 3 och 5 grader förflyttas denna oscillerande zon bort från väggen, vilket ger ökad ostadighet i flödet vid bakkanten och kan förklara de intensifierade lyftkraftsfluktuationerna.

Studier av Mach-tal inom intervallet 0,11 till 0,31 visade däremot liten eller ingen påverkan på lyftkraftens genomsnitt eller dess spektrum. Medelflödeshastigheten påverkar således inte signifikant de aerodynamiska krafterna under dessa förhållanden. Vorticitetens och Mach-talets fördelningar bekräftar att ökande inkommande hastighet förbättrar transporten av virvlar nedströms men också ökar turbulensintensiteten, vilket ger motverkande effekter och därmed en svag total påverkan.

Den komplexa dynamiken mellan virvelstrukturer, återfäste och separation, liksom känsligheten för Reynolds-tal men inte för Mach-tal, är avgörande för att förstå aerodynamiska egenskaper hos isbelagda luftfartygsprofiler. Att uppskatta denna balans är nödvändigt för att kunna förutsäga lyftkraftens variationer och flödesinstabiliteter vid olika anfallsvinklar och flygförhållanden.

Det är viktigt att inse att även små förändringar i flödesparametrar kan leda till radikalt olika flödesmönster, vilket har stor betydelse för flygsäkerhet och effektivitet. Förutom de aerodynamiska krafterna påverkar dessa fluktuationer även belastningar på strukturer och kontrollsystem. En djupare förståelse av de underliggande mekanismerna för virvelutveckling och skjuvflöden vid isformationer är därmed central för både experimentella studier och numeriska simuleringar.

Hur kan hybridmetoden förbättra simulering av isbildning på flygplansdelar?

En lösning är att kombinera de fördelar som finns i både grid-baserade och partikelfokuserade metoder i en hybridmetod, vilket föreslagits av Toba et al. (2020). I denna hybridmetod sker beräkningen av turbulenta flöden med grid-baserade metoder, medan själva isbildningsfenomenet simuleras med partikelfokuserade metoder. Vid kollision med en yta ersätts en droplet med en samling små partiklar som kan hantera interaktionen med ytan mer detaljerat, vilket möjliggör en exaktare återgivning av droppens påverkan och islagrets tillväxt.

Den partikelfokuserade delen av simuleringen använder sig av E-MPS-metoden (Energy-conserving Moving Particle Simulation), som är en vidareutveckling av Koshizukas ursprungliga MPS-metod. Denna metod möjliggör snabbare beräkningar genom en explicit lösning av tryck-Poisson-ekvationen. De styrande ekvationerna som används är kontinuitets- och Navier-Stokes-ekvationerna, vilka diskretiseras med hjälp av gradient- och Laplacianmodeller anpassade för partikelflöden.

Viktigt i simuleringen är hanteringen av fasövergången från vätska till is. Genom att beräkna energiflöden, där latent värme vid stelning samt den kinetiska energin hos dropparna beaktas, kan metoden avgöra när och var vätska omvandlas till is i modellen. Denna fasövergångsmodell är avgörande för att realistiskt kunna simulera isbildningens dynamik och utveckling.

Utöver den tekniska beskrivningen av metoden är det väsentligt att förstå att simulering av isbildning är ett tvärvetenskapligt problem där fluidmekanik, termodynamik och materialvetenskap samverkar. Numeriska metoder måste därför balansera noggrannhet och beräkningstid för att kunna användas i praktiska tillämpningar, såsom flygsäkerhetsanalyser och design av isavvisande ytbehandlingar. Dessutom är det viktigt att inse att experimentella data ofta har stora osäkerheter, varför numeriska simuleringar kan bidra med unika insikter i processernas detaljerade mekanismer.

Slutligen bör läsaren också uppmärksamma att denna hybridmetod kan anpassas och vidareutvecklas för andra multifysikaliska problem där komplexa gränssnitt och fasövergångar förekommer, vilket öppnar för framtida forskning inom numerisk simulering av dynamiska och svårmodellerade fenomen.

Hur fungerar Lagrange-metoden för beräkning av isbildning på flygplansytor?

Lagrange-metoden används för att simulera insamlingen av vatten i form av droppar som fastnar på ytor, vilket är en central aspekt vid beräkning av isbildning på flygplansdelar. Denna metod utgår från att varje vatten-dropp betraktas som en enskild partikel vars rörelse spåras individuellt genom ett strömningsfält. Genom att följa dropparnas banor kan man bestämma hur mycket vatten som samlas på ytan, vilket uttrycks som vatteninsamlingseffektiviteten, β. Denna parameter definieras som förhållandet mellan massflödet av vatten som samlas på ytan och massflödet i det fria strömmande mediet.

Genom Newtons andra lag kan rörelsen hos varje droppe beskrivas via ett kontrollsystem av ekvationer som löser dropparnas position och hastighet över tid. Denna spårning av enskilda droppar är själva kärnan i Lagrange-metoden och gör den flexibel för många olika geometrier och flödesförhållanden.

Jämfört med Euleriska metoder, som beskriver vattenhalten via en volymfraktion i ett fixerat koordinatsystem, är Lagrange-metoden mer intuitiv och direkt då den arbetar i en rörlig referensram kopplad till varje dropp. Detta möjliggör mer detaljerade och precisa simuleringar av komplexa 3D-geometrier, såsom vingprofiler, hela vingar, flygplan och turbofanmotorer, där droppbanorna kan påverkas av starkt varierande aerodynamiska förhållanden.

Effektiv vatteninsamling på flygplanets ytor har en direkt påverkan på aerodynamiken. Isbildning, som kan anta form av rime-is eller glaze-is, förändrar ytans form och därmed lyftkraft och luftmotstånd, vilket i sin tur påverkar stabilitet och säkerhet. Rime-is bildas snabbt vid låga temperaturer genom direkt frysning av små droppar, medan glaze-is uppstår när en vattenfilm transporteras av hög hastighetsvind innan den fryser.

Numeriska simuleringar med Lagrange-metoden erbjuder en kostnadseffektiv och flexibel lösning för att analysera isbildningsbeteenden under olika förhållanden utan behov av dyra och tidskrävande flygtester eller vindtunnelprov. De kan även hjälpa till i utformningen av anti- och avisingstekniker som är avgörande för flygsäkerhet.

Det är viktigt att förstå att trots metodens styrkor finns begränsningar i antaganden om droppform och flödespåverkan. Speciellt under SLD-förhållanden kan ytterligare faktorer som droppdeformation och interaktion mellan droppar bli signifikanta och kräva mer avancerade modeller för att ge exakta resultat. Därför är det nödvändigt att komplettera Lagrange-baserade simuleringar med experimentella data och att utveckla hybridmodeller för att kunna hantera komplexa isbildningsscenarier fullt ut.