Team udvikler en beregningsmæssig hurtig tilgang til at forudsige størkning af smeltede dråber på en fast overflade

Gasturbinemotorer i fly giver den nødvendige fremdrift ved at suge luft ind, opvarmning til meget høje temperaturer i et forbrændingskammer, og til sidst udmatte den ved høje hastigheder. Mens de opererer, små uorganiske partikler såsom vulkansk aske bliver suget ind sammen med luften. Disse partikler smelter i højtemperaturzonerne i forbrændingskammeret og størkner på de køligere zoner i motoren, såsom turbinebladene. Over tid, disse dråber størkner og akkumuleres på overfladen af ​​gasturbinen, deformering af knivene og blokering af kølehuller, hvilket forringer motorens ydeevne og levetid.

Selvom aflejringsfænomenet er uundgåeligt, forudsigelse af processen kan hjælpe ingeniører med at udvikle og ændre motordesign. Et af de vigtigste aspekter af aflejringsprocessen er at bestemme, hvordan smeltede dråber størkner i kontakt med en køligere overflade, og en nøjagtig simulering af denne proces er grundlæggende for at forstå processen.

I en undersøgelse offentliggjort i International Journal of Heat and Mass Transfer , en gruppe videnskabsmænd fra Japan udviklede en model, der hurtigt og præcist kan simulere størkningen af ​​en enkelt smeltet dråbe på en flad overflade. Deres model kræver ingen forudgående information til opsætning og kan bruges til at udvikle modeller, der kan forudsige aflejringsprocessen i jetmotorer.

Forskningsudtrykket bestod af Dr. Koji Fukudome og Prof. Makoto Yamamoto fra Tokyo University of Science, Dr. Ken Yamamoto fra Osaka University, og Dr. Hiroya Mamori fra University of Electro-Communications.

I modsætning til tidligere modeller, der antog overfladen at have en konstant temperatur, den nye tilgang simulerer størkningsprocessen ved at overveje dråbeadfærden og varmeoverførslen mellem den varmere dråbe og den køligere overflade. "Vi har simuleret dråbepåvirkning, men vi kunne ikke ignorere forskellen fra eksperimentet. I dette studie, vi troede, at at tage højde for temperaturændringen af ​​den kolliderende vægoverflade ville være i overensstemmelse med eksperimentet, " forklarer Dr. Fukudome.

For at have en mindre beregningsintensiv model, forskerne valgte en meshless moving particle semi-implicit (MPS) metode, som ikke krævede flere beregninger på hvert gitter. MPS-metoden er baseret på fundamentale ligninger for væskestrøm (såsom de inkompressible Navier-Stokes-ligninger og massebalancebevaringsligninger) og er blevet brugt i vid udstrækning til at simulere komplekse strømme. I mellemtiden, temperaturændringen inde i substratet blev beregnet ved hjælp af den gitterbaserede metode, så vi brugte koblingsmetoden af ​​både partikelbaserede og grid-baserede metoder.

Ved at bruge denne tilgang, forskerne simulerede størkningen af ​​smeltede tindråber på et rustfrit stålsubstrat. Modellen fungerede relativt godt og var i stand til at replikere størkningsprocessen observeret i eksperimenter. Simuleringerne gav også et dybdegående indblik i størkningsprocessen, fremhæve spredningsadfærden og temperaturfordelingen af ​​dråben, når den kommer i kontakt med den faste overflade.

Deres simuleringer viste, at størkningen er afhængig af tykkelsen af ​​den flydende film, der blev dannet efter den smeltede dråbe var kommet i kontakt med overfladen. Størkning starter, når væskefilmen udvider sig på overfladen og først blev observeret ved kanten af ​​væskefilmen nær overfladen. Efterhånden som væskefilmen fortsætter med at sprede sig og blive tyndere, størkning skrider frem, indtil hele filmen er omdannet til faste partikler.

Disse resultater er en forbedring af de nuværende størkningsmodeller, og teamet håber på, at deres nuværende tilgang kan bruges til at bygge mere komplekse aflejringsmodeller. "Der er ingen universel model til at forudsige aflejringer. Derfor, når man overvejer aflejringen af ​​en bestemt dråbe, en model er skabt ved at udføre eksperimenter på forhånd, og der laves numeriske forudsigelser. Denne undersøgelse forventes at være en pioner i udviklingen af ​​en universel aflejringsmodel, " bemærker Dr. Fukudome.

Takket være denne undersøgelse, ingeniører og videnskabsmænd kan få en bedre forståelse af de komplekse aflejringsfænomener, og jetmotordesign kan omdesignes til at være mere sikkert og langtidsholdbart.