Cyfrowe narzędzia do symulacji oblodzenia podczas lotu Oblodzenie stanowi poważne zagrożenie dla statków powietrznych, szczególnie na dużych wysokościach. Seria nowych narzędzi programowych pomoże sektorowi lotniczemu w ocenie silników i poprawie bezpieczeństwa lotów. Transport i mobilność Bezpieczeństwo © truba71/stock.adobe.com Oblodzenie kryształkami lodu (ang. ice crystal icing, ICI) występuje, gdy podczas lotu na statku powietrznym tworzy się lód. Lód może wpływać na funkcjonowanie wielu części statku powietrznego, w tym skrzydeł, śmigieł, przednich szyb i systemów łączności. W ostatnich dziesięcioleciach inżynierowie zidentyfikowali dodatkowe ryzyko gromadzenia się lodu na ciepłych częściach rdzenia silnika. Do fizycznych testów silników potrzebne są jednak oblodzeniowe tunele aerodynamiczne, co utrudnia ich przeprowadzanie i zwiększa ich koszt. W ramach finansowanego ze środków UE projektu MUSIC-haic naukowcy opracowali nowe narzędzia do symulacji ICI, aby pomóc europejskiemu przemysłowi lotniczemu w opracowaniu silników nowej generacji. „Podczas projektowania nowego statku powietrznego lub silnika inżynier może wykorzystać narzędzia symulacyjne do przeskanowania dużej liczby warunków lotu i zidentyfikowania obszarów zagrożonych gromadzeniem się kryształków lodu”, wyjaśnia Phillipe Villedieu, inżynier ds. badań nad energią w ONERA i koordynator projektu MUSIC-haic. Inżynierowie mogą korzystać z tego narzędzia również podczas certyfikacji, minimalizując potrzebę przeprowadzania testów w oblodzeniowym tunelu aerodynamicznym lub w locie. „Mówiąc ogólniej, zwalidowane numeryczne narzędzie do pomiaru oblodzenia można by wykorzystać jako środek zapewniania zgodności podczas procesu certyfikacji pod kątem oblodzenia”, dodaje Villedieu. Pomoc przy silnikach nowej generacji Oczekuje się, że silniki nowszej generacji będą bardziej wrażliwe na zagrożenie ICI niż obecne systemy. Silniki te cechują się bardzo wysokim stopniem dwuprzepływowości, co oznacza, że rdzeń silnika omija więcej powietrza, aby zmniejszyć zużycie paliwa. Wentylatory w tych silnikach mają mniej łopatek, które obracają się wolniej. Ponieważ siły odśrodkowe działające na cząsteczki lodu będą mniejsze, doprowadzi to do większej szybkości przedostawania się cząsteczek lodu do rdzenia silnika w porównaniu z obecnymi turbowentylatorami. „Metody analizy porównawczej do oceny silników obecnej generacji pod kątem zagrożenia ICI nie mają zastosowania do silników o przełomowej architekturze”, mówi Villedieu. „Ponadto problem ICI jest bardzo trudno rozwiązać poprzez testy naziemne ze względu na fizyczne ograniczenia obiektów do badania oblodzenia, ich niską dostępność na całym świecie i bardzo wysokie koszty”. Generowanie danych w tunelach oblodzeniowych i w laboratorium Aby stworzyć nowe narzędzia do symulacji ICI, zespół projektu MUSIC-haic przeprowadził szereg eksperymentów, zarówno w laboratorium, jak i w oblodzeniowym tunelu aerodynamicznym. W większości eksperymentów wykorzystywano modele w małej skali – reprezentujące na przykład łopatkę lub część silnika – które umieszczano w sztucznej chmurze oblodzeniowej w tunelu aerodynamicznym. Korzystając z kamer wideo ustawionych pod różnymi kątami, naukowcy obserwowali i rejestrowali zjawiska akrecji lodu w celu zebrania danych ilościowych na potrzeby modeli numerycznych. „Przeprowadzono większość zaplanowanych eksperymentów, dostarczając wielu nowych ilościowych danych eksperymentalnych do zrozumienia akrecji na rozgrzanych ścianach, zrzucania bloków lodu lub wpływu kryształków na ściany”. „Wszystkie te dane są teraz dostępne dla społeczności międzynarodowej i stanowią nieoceniony zasób do dalszego ulepszania i walidacji modeli”, mówi Villedieu. Włączanie ICI do narzędzi branżowych Najważniejszym rezultatem była pomyślna integracja możliwości modelowania ICI z trójwymiarowymi narzędziami numerycznymi wykorzystywanymi przez partnerów projektu – firmy Rolls Royce, General Electric, Safran, Airbus i Dassault. „Przeprowadzono również ważne prace walidacyjne, które dały bardzo obiecujące wyniki w zakresie zdolności nowych narzędzi do przewidywania stref akrecji kryształów lodu w silnikach”, mówi Villedieu. Poza projektem MUSIC-haic opracowane modele i narzędzia będą nadal intensywnie wykorzystywane i testowane przez europejski przemysł lotniczy i ośrodki badawcze. Słowa kluczowe MUSIC-haic, oblodzenie, kryształ, lód, samolot, lotnictwo, przemysł, narzędzia, symulacja, model, dane
