Vid analys av isbildning på rotorblad inom helikopterteknik är det avgörande att skilja på olika flyglägen eftersom de aerodynamiska förhållandena varierar markant. Till skillnad från hovring, där banan för en given azimutpunkt kan projiceras över andra punkter, kräver framflygning att varje azimutstudie utförs oberoende. Detta beror på att rotorbladen i framflygning påverkas av en framåtriktad hastighetsvektor som skapar varierande luftflöde över bladen vid olika azimutvinklar. Denna komplexitet kan hanteras effektivt genom parallellberäkning av banorna för isfragment, såsom de semi-cirkulära skalfragment (Semi-circular Shell, SCS) som frigörs från rotorbladen.

Modellstudier, exempelvis den "Augmented Georgia Tech modellen" där en stjärtrotor lagts till för att undersöka kollision med isfragment, visar att fragment kan träffa helikopterns kropp vid vissa azimutpositioner. Simuleringarna visar att frigörningspunkter vid 90°, 150° och 330° utgör särskilt kritiska zoner där fragment potentiellt kan påverka fuselagen, vilket är en viktig aspekt vid riskbedömning för isbildning och säkerhetsåtgärder.

När det gäller simulering av de komplexa aeroelastiska samspelet mellan rotorbladens aerodynamiska krafter och strukturella deformationer, finns två huvudmetoder: tätt kopplad (tight coupling) och löst kopplad (loose coupling) metodik. Den löst kopplade metoden används ofta då den möjliggör separation av CFD- (Computational Fluid Dynamics) och CSD-moduler (Computational Structural Dynamics), vilket ger större flexibilitet och lägre beräkningskostnad. I praktiken innebär detta att aerodynamiska laster överförs till den strukturella modellen som yttre krafter, och strukturella deformationer skickas tillbaka till aerodynamikmodellen för att justera flygströmmen.

Denna överföring mellan dimensioner är en kritisk aspekt, där CFD hanterar tredimensionella aerodynamiska tryck och skjuvspänningar, vilka reduceras till en-dimensionella laster för strukturell analys. Omvänt förstärks strukturella rörelser från en till tre dimensioner för att återges korrekt i aerodynamikmodellen. Denna ömsesidiga kommunikation kräver att det virtuella arbete som görs på både fluid- och strukturmodellerna är konsekvent och bevarat, vilket säkerställer fysisk realism i simuleringen.

För validering av denna integrerade metod används experimentdata från NASA:s ROBIN-modell, som undersöker rotor-fuselage interaktion vid framflygning. Resultat visar att den löst kopplade aeroelastiska simuleringen reproducerar rotorbladens spetssvängningar i nära överensstämmelse med experiment, även om skillnader i bladprofilernas form observeras. Dessa skillnader kan bero på begränsningar i experimentella mätmetoder och understryker vikten av att tolka data med försiktighet. Det är mer sannolikt att blad deformeras på ett icke-linjärt sätt, vilket bekräftar simuleringens trovärdighet.

Analyser av kraftkoefficienter över en hel rotation visar komplexa variationer i drag- och vridmoment, där fasförskjutningar mellan pitch- och flappningsrörelser tydligt framträder. Detta bidrar till en fördjupad förståelse av hur rotorbladens dynamiska beteende påverkar helikopterns totala aerodynamiska prestanda och därmed flygsäkerheten under isbildningsförhållanden.

Viktigt att förstå är att framgångsrik simulering av rotorbladens isbildning och aeroelastiska beteende kräver noggrann samordning mellan fluid- och strukturmodeller samt en tydlig förståelse av de olika tidsskalor och dimensioner som ingår. De dynamiska och ofta icke-linjära deformationerna påverkar i sin tur aerodynamiken, vilket gör att man inte kan behandla dessa fenomen isolerat. Den integrerade synen är nödvändig för att förutse riskzoner, bedöma materialpåverkan och optimera konstruktioner mot isrelaterade belastningar. Vidare bör man ha i åtanke att experimentella data ofta är begränsade i omfattning och kan innehålla osäkerheter, varför modellvalidering måste ske med kritisk analys.

Vilka ytor på flygplanet kräver iskydd och hur ska detta åstadkommas?

Tidigare analyser gör det möjligt att definiera vilka system och flygplansytor som potentiellt kan behöva iskydd. Dessutom kan de användas för att påbörja avvägningsstudier om iskyddsstrategier, som balanserar den energi som krävs för att skydda mot isbildning, korrekt drift av andra flygsystem, flygplansprestanda, flygkvaliteter, typ av flygplansoperation och krav på certifiering av motorer och efterlevnad. Vissa specifika ytor som omfattas av iskydd är ving- och stabilisatorytornas framkanter, motorer och hjälpkraftenheter (APU), luftintag, transparenser i cockpit, ventilationsluftintag och -utlopp, luftdatagivare, kåpor och antenner.

Isbildning på flygplansvingar och stabilisatorer kan leda till en försämring av den aerodynamiska prestandan, ökad vikt och svårigheter med styrning och manövrering, vilket minskar de operationella säkerhetsmarginalerna när flygplanet flyger genom moln av superkylda vattendroppar i ett metastabilt tillstånd. Därför kommer isbildning att uppträda på vissa aerodynamiska ytor om de inte skyddas på ett adekvat sätt. Både civila och militära flygplan har iskyddssystem för att skydda luftföremålen och garantera säker flygning under isförhållanden. Beroende på hur dessa system fungerar, klassificeras de som av-ismning eller anti-ismning. Ett anti-ismningssystem förhindrar någon isbildning på luftföremål och fungerar kontinuerligt när flygplanet flyger under isförhållanden. Ett elektrot thermalt anti-ismningssystem, till exempel, består av ett antal elektriska värmare som installeras på de områden som utsätts för isbildning.

Anti-ismningssystem kan fungera under tre regimer:

  1. Fullt avdunstande: impaktande vattendroppar förångas nära impaktionsområdet.

  2. Avdunstande: återflytande vatten rinner över luftfojlets framkant och förångas innan det når slutet av den skyddade ytan.

  3. Rinnande vått: återflytande vatten rinner nedströms från slutet av den skyddade ytan.

I den rinnande våta regeln, om det återflytande vattnet rinner till områden nedströms från den termiskt skyddade zonen, kommer det att frysa och bilda is. Beroende på den kvarvarande isens höjd, form och grovhet kan en signifikant försämring av luftfojlets aerodynamiska egenskaper inträffa. Vid aktivering av ett termiskt anti-ismningssystem träffar vattendropparna och bildar ett tunt vattenfilm vid stagnationsområdet. Sedan rinner det återflytande vattnet nedströms, drivet av tryck och skjuvning som appliceras av det externa flödet runt luftfojlet. På grund av avdunstning, det externa flödets tryckgradient, skjuvspänning eller värmeeffekter, varierar vattnets tjocklek längs strömningen.

Vattenfilmen kan brytas upp och bilda rivuletter om en kritisk tjocklek uppnås. En minskning av den vattentäckta ytan markerar övergången från film till rivuletter eftersom torra fläckar börjar växa mellan rivuletterna. Sammanfattningsvis påverkar rivuletflöde effektiviteten hos anti-ismningssystem eftersom det minskar värmeöverföringsytorna mellan vattnet och luftfojlens yta samt minskar ytan för värme- och massöverföring mellan vattnet och det externa flödet. För samma filmbredd på tvären är solid-liquid och liquid-vapor kontaktytor mindre i rivuletteflöde än i vätskefilmflöde. Därför ökar rivulettebildning värmebehovet och kan orsaka att vattnet rinner nedströms till ett oskyddat område.

En adekvat numerisk kod för termisk anti-ismning är avgörande för att konstruera ett system, definiera dess arkitektur och storlek samt för systemutveckling. Dessutom hjälper en validerad kod vid certifieringsfasen att stödja definitionen av en kritisk fallmatris och planering av testkampanjer. Elektrot thermala anti-ismningssystem har på senare tid fått större uppmärksamhet på grund av framväxten av elektriska flygplan, där en elektrisk generator förser all energi. I detta fall är det elektrot thermala systemet mer vanligt. I detta system ackumuleras och smälter isen cykliskt. Därför är systemet aldrig i ett steady-state-regim som vid anti-ismning.

Översikt över numeriska modeller för simulering av iskydd

De klassiska isbildningskoderna LEWICE (Macarthur et al. 1982; Ruff och Berkowitz 1990), TRAJJICE2 (Cansdale och Gent 1983; Gent 1990) och ONERA2D (Guffond och Brunet 1988) uppskattar isformer på icke-skyddade luftfojlytor. En omfattande genomgång av matematiska modeller och jämförelse av dessa koders prediktionskapacitet publicerades av Wright, Gent och Guffond (1997). De huvudsakliga modulerna i dessa klassiska isbildningskoder är:

  1. Flödesfältet, som löser flödet runt ett luftfojl.

  2. Droppens banor, som beräknar dropparnas banor och den lokala insamlingskapaciteten.

  3. Termiskt balansberäkning som uppskattar isväxten och dess tvådimensionella form genom att tillämpa den första termodynamiska lagen på vatten och den adiabatisk solid ytan runt luftfojlets framkant.

De flesta anti-ismnings numeriska koder använder den första och andra modulen, men ersätter den tredje med en annan som beaktar anti-ismnings värmeflödesfördelning för att beräkna yttemperaturer och återflytande massflöde.

Hur påverkar droppars beteende och frysning kontakttiden och isbildning på kalla ytor?

I hög Weber-regim (We) leder delningen av droppar i mindre fragment till att kontakttiden, tiden då droppen är i kontakt med ytan, effektivt minskar. Den ytterligare minskningen av kontakttiden beror på att droppens rörelse förändras från att retraheras två gånger till endast en retraktion. I medelhöga We-värden påverkar faktorn W kontakttiden i liten utsträckning, men vid höga We-värden främjar ett stort W att tre droppar studsar, vilket motverkar minskningen av kontakttiden. Formerna på utstickare spelar också roll: droppar kontaktar fyrkantiga utstickare som plana ytor, medan cirkulära och triangulära utstickare ger kontakt från kurvade ytor till linjer. Fyrkantiga utstickare är mindre effektiva för att minska kontakttiden jämfört med cirklar och trianglar.

När det gäller droppars frysning på ytor med olika våthet undersöks processen genom multiphase lattice Boltzmann-fluxlösare och entalpiporositetsmodell. Temperaturutvecklingen hos dropparna illustreras för att visa de fenomener som uppstår under kylning och fasövergång. Mass-, rörelse- och energiekvationerna för inkompressibel strömning med fasövergång och volymexpansion beskriver den komplexa interaktionen mellan vätska, is och luft. Dessa inkluderar förhållanden för densitet, viskositet, värmekapacitet, latenta värmen samt krafterna som påverkar droppen, såsom tyngdkraft och ytspänning.

Frysningen sker inte vid en exakt temperatur utan inom ett smalt temperaturintervall, vilket möjliggör användningen av en styckvis linjär funktion för att relatera vätskefraktion till temperatur. Droppens frysprocess kan delas in i fyra faser: först kyls droppen ned av den kalla ytan (vätskekylning och överkylning), sedan sker omedelbart kärnbildning och rekalescens, som är en mycket snabb process, följt av den långsammare frysningsfasen. Slutligen kyls den frusna isen ytterligare. Under rekalescens ökar droppens temperatur till fryspunkten 0 °C på grund av frigörandet av latent värme, vilket innebär att droppen antar en jämn temperatur.

För att fånga gränsytan mellan vatten och luft används en speciell ekvation som också tar hänsyn till volymexpansionen vid övergången från vätska till is. Istället för att specificera isens viskositet införs en metod som ser till att den frusna isens område är stillastående, vilket förenklar simuleringen. Lösningen av strömningsfältet sker i cylindriska koordinater med förbättrad multiphase lattice Boltzmann-metod, medan energiekvationen löses med finita differensmetoder och högupplösta scheman används för att noggrant följa gränsytan.

Simuleringarna jämförs med experiment och visar att isbildningen börjar vid ytan och sprider sig uppåt i droppen, där vatten-is-gränsen förändras från plan till konkav. Droppen antar till slut en persikoliknande form på grund av volymexpansionen under frysningen. Volymexpansionsförhållandet ökar med tiden och når ett teoretiskt värde som bekräftar masskonservering i simuleringen.

Frysprocessens dynamik påverkas av flera faktorer: droppens ekvivalenta diameter, kontakvinkeln mot ytan, droppens överkylning och yttemperaturen. Droppstorleken har stor betydelse, särskilt för flygplansrelaterade tillämpningar där droppar kan vara mellan tiotals och hundratals mikrometer i diameter. Små droppar fryser snabbare och utvecklar olika isformationer beroende på ytan och temperaturförhållandena.

Utöver dessa tekniska aspekter är det viktigt att förstå att droppars dynamiska beteende på ytor är en komplex samverkan mellan vätskedynamik, termodynamik och materialegenskaper. Denna förståelse är avgörande för att designa ytor och material med optimerad isavvisning och kylprestanda, vilket har stor betydelse inom områden som flygindustrin, energiproduktion och klimatkontroll.

Förutom beskrivna processer är det väsentligt att beakta att mikroskopiska variationer i ytegenskaper kan påverka kärnbildningens sannolikhet och därmed frysningens starttid. Dessutom kan omgivande luftfuktighet och turbulens i flödet runt droppen förändra kylhastigheten och isens utbredning. Att integrera dessa faktorer i simuleringar och experiment ökar förståelsen för verkliga förhållanden och ger mer tillförlitliga prediktioner.

Hur länkar och hormonell diffussion påverkar prioritering av arbetsflöden i cyber-fysiska system
Vad händer med oss när pengar dyker upp?
Hur Demolering påverkade Stadsmiljöer och Social Marginalisering i Rust Belt
Vad innebär Lebesgue-rum för funktioner på måttbara rum?