Gasturbinemotoren in vliegtuigen zorgen voor de benodigde stuwkracht door lucht aan te zuigen, verhitten tot zeer hoge temperaturen in een verbrandingskamer, en uiteindelijk uitputten met hoge snelheden. Terwijl ze opereren, kleine anorganische deeltjes zoals vulkanische as worden met de lucht meegezogen. Deze deeltjes smelten in de hoge temperatuurzones in de verbrandingskamer en stollen op de koelere zones in de motor, zoals de turbinebladen. Overuren, deze druppeltjes stollen en hopen zich op op het oppervlak van de gasturbine, het vervormen van de messen en het blokkeren van koelgaten, die de prestaties en de levensduur van de motor verslechteren.

Hoewel het depositieverschijnsel onvermijdelijk is, het voorspellen van het proces kan ingenieurs helpen bij het ontwikkelen en wijzigen van motorontwerpen. Een van de belangrijkste aspecten van het depositieproces is bepalen hoe gesmolten druppels stollen in contact met een koeler oppervlak, en een nauwkeurige simulatie van dit proces is van fundamenteel belang om het proces te begrijpen.

In een studie gepubliceerd in de Internationaal tijdschrift voor warmte- en massaoverdracht , een groep wetenschappers uit Japan ontwikkelde een model dat snel en nauwkeurig de stolling van een enkele gesmolten druppel op een plat oppervlak kan simuleren. Hun model vereist geen voorafgaande informatie om op te zetten en kan worden gebruikt om modellen te ontwikkelen die het depositieproces in straalmotoren kunnen voorspellen.

De onderzoeksterm bestond uit Dr. Koji Fukudome en Prof. Makoto Yamamoto van de Tokyo University of Science, Dr. Ken Yamamoto van de Universiteit van Osaka, en Dr. Hiroya Mamori van de University of Electro-Communications.

In tegenstelling tot eerdere modellen die aannamen dat het oppervlak een constante temperatuur had, de nieuwe benadering simuleert het stollingsproces door rekening te houden met het druppelgedrag en de warmteoverdracht tussen de hetere druppel en het koelere oppervlak. "We hebben de impact van druppeltjes gesimuleerd, maar we konden het verschil met het experiment niet negeren. In dit onderzoek, we dachten dat het in overeenstemming zou zijn met het experiment, rekening houdend met de temperatuurverandering van het botsende muuroppervlak, " legt Dr. Fukudome uit.

Om een ​​minder rekenintensief model te hebben, de onderzoekers kozen voor een meshless moving particle semi-implicit (MPS) -methode waarbij niet meerdere berekeningen op elk raster nodig waren. De MPS-methode is gebaseerd op fundamentele vergelijkingen van vloeistofstroming (zoals de onsamendrukbare Navier-Stokes-vergelijkingen en massabalansbehoudsvergelijkingen) en wordt veel gebruikt om complexe stromingen te simuleren. In de tussentijd, de temperatuurverandering in het substraat werd berekend met behulp van de rastergebaseerde methode, zodat we de koppelingsmethode van zowel op deeltjes gebaseerde als op raster gebaseerde methoden hebben gebruikt.

Met behulp van deze aanpak, de onderzoekers simuleerden de stolling van gesmolten tindruppels op een roestvrijstalen substraat. Het model presteerde relatief goed en was in staat om het in experimenten waargenomen stollingsproces te repliceren. De simulaties gaven ook een diepgaand inzicht in het stollingsproces, benadrukt het verspreidingsgedrag en de temperatuurverdeling van de druppel wanneer deze in contact komt met het vaste oppervlak.

Hun simulaties toonden aan dat de stolling afhankelijk is van de dikte van de vloeistoffilm die werd gevormd nadat de gesmolten druppel in contact was gekomen met het oppervlak. Het stollen begint wanneer de vloeistoffilm op het oppervlak uitzet en werd voor het eerst waargenomen aan de rand van de vloeistoffilm nabij het oppervlak. Naarmate de vloeibare film zich blijft verspreiden en dunner wordt, stolling vordert totdat de gehele film wordt omgezet in vaste deeltjes.

Deze bevindingen zijn een verbetering ten opzichte van de huidige stollingsmodellen en het team heeft goede hoop dat hun huidige aanpak kan worden gebruikt om complexere depositiemodellen te bouwen. "Er is geen universeel model om deposities te voorspellen. bij het overwegen van de afzetting van een bepaalde druppel, door vooraf experimenten uit te voeren ontstaat een model, en numerieke voorspellingen worden gedaan. Deze studie zal naar verwachting een pionier zijn in de ontwikkeling van een universeel depositiemodel, " merkt Dr. Fukudome op.

Dankzij deze studie ingenieurs en wetenschappers kunnen de complexe afzettingsverschijnselen beter begrijpen en straalmotorontwerpen kunnen opnieuw worden ontworpen om veiliger en langduriger te zijn.