Gasturbinmotorer i flygplan ger den dragkraft som krävs genom att suga in luft, värma upp den till mycket höga temperaturer i en förbränningskammare, och slutligen uttömma den vid höga hastigheter. När de fungerar, små oorganiska partiklar som vulkanaska sugs in tillsammans med luften. Dessa partiklar smälter i högtemperaturzonerna i förbränningskammaren och stelnar på de kallare zonerna i motorn, såsom turbinbladen. Över tid, dessa droppar stelnar och ackumuleras på gasturbinens yta, deformera bladen och blockera kylhål, vilket försämrar motorns prestanda och livslängd.

Även om nedfallsfenomenet är oundvikligt, att förutsäga processen kan hjälpa ingenjörer att utveckla och modifiera motorkonstruktioner. En av huvudaspekterna av deponeringsprocessen är att bestämma hur smälta droppar stelnar i kontakt med en svalare yta, och en korrekt simulering av denna process är grundläggande för att förstå processen.

I en studie publicerad i International Journal of Heat and Mass Transfer , en grupp forskare från Japan utvecklade en modell som snabbt och exakt kan simulera stelnandet av en enda smält droppe på en plan yta. Deras modell kräver ingen förhandsinformation för att installera och kan användas för att utveckla modeller som kan förutsäga avsättningsprocessen i jetmotorer.

Forskningstermen bestod av Dr. Koji Fukudome och Prof. Makoto Yamamoto från Tokyo University of Science, Dr Ken Yamamoto från Osaka University, och Dr Hiroya Mamori från University of Electro-Communications.

Till skillnad från tidigare modeller som antog att ytan hade en konstant temperatur, det nya tillvägagångssättet simulerar stelningsprocessen genom att beakta droppbeteendet och värmeöverföringen mellan den varmare droppen och den kallare ytan. "Vi har simulerat dropppåverkan, men vi kunde inte ignorera skillnaden från experimentet. I den här studien, vi trodde att om man tar hänsyn till temperaturförändringen på den kolliderande väggytan skulle det vara förenligt med experimentet, " förklarar Dr Fukudome.

För att ha en mindre beräkningsintensiv modell, forskarna valde en meshless moving particle semi-implicit (MPS) metod som inte krävde flera beräkningar på varje rutnät. MPS-metoden är baserad på fundamentala ekvationer för vätskeflöde (såsom de inkompressibla Navier-Stokes-ekvationerna och massbalanskonserveringsekvationer) och har använts i stor utsträckning för att simulera komplexa flöden. Under tiden, temperaturförändringen inuti substratet beräknades med den rutnätsbaserade metoden, så att vi använde kopplingsmetoden för både partikelbaserade och rutnätsbaserade metoder.

Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskarna simulerade stelningen av smälta tenndroppar på ett substrat av rostfritt stål. Modellen fungerade relativt bra och kunde replikera stelningsprocessen som observerats i experiment. Simuleringarna gav också en djupgående bild av stelningsprocessen, belyser spridningsbeteendet och temperaturfördelningen av droppen när den kommer i kontakt med den fasta ytan.

Deras simuleringar visade att stelningen är beroende av tjockleken på vätskefilmen som bildades efter att den smälta droppen hade kommit i kontakt med ytan. Stelning initieras när vätskefilmen expanderar på ytan och observerades först vid kanten av vätskefilmen nära ytan. När vätskefilmen fortsätter att spridas och bli tunnare, stelningen fortskrider tills hela filmen förvandlas till fasta partiklar.

Dessa fynd är en förbättring av nuvarande solidifieringsmodeller och teamet är hoppfullt att deras nuvarande tillvägagångssätt kan användas för att bygga mer komplexa deponeringsmodeller. "Det finns ingen universell modell för att förutsäga avsättningar. Därför, när man överväger avsättningen av en viss droppe, en modell skapas genom att utföra experiment i förväg, och numeriska förutsägelser görs. Denna studie förväntas vara en pionjär i utvecklingen av en universell deponeringsmodell, " säger Dr Fukudome.

Tack vare denna studie, ingenjörer och vetenskapsmän kan få en bättre förståelse för de komplexa deponeringsfenomenen och jetmotorkonstruktioner kan göras om för att vara säkrare och varaktiga.