Strumenti digitali per simulare la formazione di ghiaccio in volo
La formazione di cristalli di ghiaccio (ICI, Ice Crystal Icing) è un processo che può verificarsi durante il volo degli aeromobili. Il ghiaccio può influenzare la funzione di vari componenti dei velivoli, tra cui ali, eliche, parabrezza e sistemi di comunicazione. Negli ultimi decenni, gli ingegneri hanno identificato un ulteriore rischio di accumulo di ghiaccio nelle parti più calde del nucleo del motore. Per effettuare test fisici su tali componenti, tuttavia, è necessario impiegare gallerie del vento ghiacciate, che li rendono complessi e costosi. Nel progetto MUSIC-haic, finanziato dall’UE, i ricercatori hanno sviluppato nuovi strumenti di simulazione ICI per aiutare l’industria aerospaziale europea a compiere progressi nello sviluppo di motori di prossima generazione. «Nel corso della progettazione di un nuovo velivolo o del suo motore, l’ingegnere può avvalersi di strumenti di simulazione per analizzare una grande quantità di condizioni di volo e individuare le aree soggette a rischio in termini di accumulo di cristalli di ghiaccio», spiega Phillipe Villedieu, ingegnere attivo nella ricerca in ambito energetico presso il centro aeronautico ONERA e coordinatore del progetto MUSIC-haic. Gli ingegneri possono utilizzare lo strumento anche nel corso della procedura di certificazione, riducendo al minimo la necessità di ricorrere a gallerie del vento ghiacciate o test di volo. «Più in generale, uno strumento convalidato per l’analisi numerica della formazione di ghiaccio potrebbe essere usato come strumento volto a garantire la conformità nel corso del processo di certificazione del ghiacciamento», aggiunge Villedieu.
Un aiuto per i motori di prossima generazione
Le generazioni di motori più recenti dovrebbero essere maggiormente sensibili alla minaccia dell’ICI rispetto ai sistemi attuali. Questi motori sono caratterizzati da rapporti di diluizione molto elevati, ovvero consentono il passaggio di una maggiore quantità di aria attraverso il nucleo del motore per ridurre il consumo di carburante. Le ventole di questi motori sono dotate di un minor numero di pale, che inoltre ruotano a una velocità inferiore. Dato che le forze centrifughe risultano pertanto meno intense sulle particelle di ghiaccio in caso di contatto, rispetto ai turboreattori odierni il tasso di ingresso di tali particelle all’interno del nucleo di questi motori è inferiore. «I metodi di analisi comparativa intesi a valutare la minaccia dell’ICI per i motori dell’attuale generazione non sono applicabili ai motori provvisti di un’architettura all’avanguardia», dichiara Villedieu. «Inoltre, il problema dell’ICI è molto difficile da affrontare mediante prove a terra in quanto gli impianti per gli studi sul ghiacciamento sono ostacolati da limitazioni fisiche, da una bassa disponibilità a livello mondiale e da costi molto elevati.»
Generare dati nelle gallerie ghiacciate e in laboratorio
Per produrre nuovi strumenti di simulazione ICI il gruppo di ricerca di MUSIC-haic ha effettuato una serie di esperimenti, alcuni in laboratorio e altri in una galleria del vento ghiacciata. Per la maggior parte degli esperimenti si è avvalso di modelli su piccola scala, che rappresentavano ad esempio una pala o una parte del motore, collocati in una nube di ghiaccio artificiale all’interno della galleria del vento. Utilizzando videocamere posizionate a diverse angolazioni, i ricercatori hanno osservato e registrato il fenomeno di accumulo del ghiaccio allo scopo di raccogliere dati quantitativi per alimentare i modelli numerici. «La maggior parte degli esperimenti programmati sono stati effettivamente realizzati, il che ha consentito di fornire una miniera di nuovi dati sperimentali quantitativi per la comprensione dell’accumulo di ghiaccio sulle pareti riscaldate, dello scioglimento dei blocchi di ghiaccio o dell’impatto dei cristalli sulle pareti.» «Tutti questi dati sono ora a disposizione della comunità internazionale e costituiscono una preziosa risorsa per l’ulteriore miglioramento e la convalida dei modelli», afferma Villedieu.
Integrare l’ICI negli strumenti industriali
Il risultato più importante è stato costituito dall’efficace integrazione della capacità ICI negli strumenti numerici tridimensionali impiegati dai partner del progetto, ovvero le aziende Rolls Royce, General Electric, Safran, Airbus e Dassault. «È stato inoltre effettuato un importante lavoro di convalida che ha fornito risultati molto promettenti per quanto concerne la capacità dei nuovi strumenti di prevedere le aree di accumulo di cristalli di ghiaccio nei motori», dichiara Villedieu. Al di là di MUSIC-haic, i modelli e gli strumenti sviluppati continueranno a essere utilizzati e collaudati in modo approfondito dall’industria aerospaziale e dai centri di ricerca europei.
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