O que causa a formação de gelo nas aeronaves durante o vôo?

Uma melhor compreensão da crosta de gelo de superfície

Engenharia
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Markus Schremb e Daniel Kintea da TU Darmstadt estão realizando pesquisas sobre causas de formação de gelo na aeronave durante o vôo. Seus experimentos e modelos matemáticos realistas visam a minimização dos riscos e custos.

 

Quando voo 447 da Air France caiu sobre o Atlântico na noite de 01 de junho de 2009 em rota de Rio de Janeiro a Paris, matando 228 passageiros, ninguém suspeitava que a catástrofe tinha sido desencadeada por formação de gelo nos sensores de velocidade. O piloto automático havia desligado automaticamente em resposta à gelo-over e de controlo de voo tinha a transição para um modo nativo alter. Em vez de dar início ao procedimento operacional padrão prescrito por esta situação, os pilotos cometeu um erro após o outro.

Isto levou a uma tenda asa seguido de uma perda de elevador, e a aeronave mergulhou no oceano. Acreção de cristais de gelo continua a ser um perigo grave na aviação. Por esta razão, todos os novos tipos de aeronaves precisa provar, antes da aprovação, que eles podem continuar a voar com segurança, mesmo sob condições de acumulação de gelo em voo.

Trata-se de um processo de certificação complexo e trabalhoso requerendo voo caro e testes em túnel de vento. "Há apenas um punhado de instalações em todo o mundo que estão equipados para tais testes," diz o Dr. Ilia Roisman do Instituto de Mecânica dos Fluidos e Aerodinâmica na TU Darmstadt, que, juntamente com o Dr. Suad Jakirlic supervisione o trabalho de Kintea e Schremb neste campo especialista. Professor Dr. Cameron Tropea dirige o instituto.

Uma melhor compreensão da crosta de gelo de superfície

"Se pudermos entender melhor a física da crosta de gelo de superfície e são capazes de replicá-la em modelos matemáticos realistas", Roisman continua, "então os experimentos em túnel de vento exigidos para a certificação de novos tipos de aeronaves devem ser menos caro." E este é precisamente onde o trabalho de Schremb e Kintea entra. Ambos estão realizando suas pesquisas no contexto de projetos maiores. Schremb está colaborando com SFB-TRR75, enquanto Kintea está envolvido no projeto HAIC da UE.

Os cientistas estão pesquisando dois tipos diferentes de acúmulo de gelo. Schremb está preocupado com a asa de confeiteiro por meio de gotículas de água super-resfriados durante a escalada e descida seguinte take-off off e antes do desembarque, respectivamente.

Kintea está a investigar o acúmulo de gelo nos motores e em sensores ao voar através de nuvens de cristais de gelo a altitudes de cruzeiro. Sem contra-medidas, os dois tipos de acúmulo de gelo teria consequências dramáticas para a segurança de vôo.

Acumulação de gelo nas asas muda a seção transversal perfil de asa. A camada de gelo em crescimento aumenta o peso do aparelho, reduz a elevação e arrasto aumenta. Sem contra-medidas, a aeronave consome mais combustível e pode mesmo tornar-se incontrolável. Actualmente, o aquecimento do bordo de ataque das asas faz com que as camadas de gelo a derreter e cair. Crosta de gelo dos motores em blocos de grande altitude o fluxo de ar, o que resulta em uma perda de impulso e eficiência e, no pior dos casos, a motor chama-out.

Aviões entrar em contacto com água super quando voar através de nuvens baixas, porque as gotas de água super-resfriados só existem nos abaixo de zero variar até aprox. -20oC. Schremb está a investigar os processos de hidrocarbonetos e termo-dinâmica, no ponto de impacto e o congelamento de gotículas super-arrefecidas, de modo a ser capaz de modelar esses processos. "Quando as gotículas supercooled nas nuvens baixas entrar em contacto com as partes do perfil aeronave directamente expostos a correntes de ar em sentido contrário, em seguida, uma porção congela imediatamente," Schremb explica.

"Porque o calor latente é liberada mediante a congelação, a proporção exacta dos congela gotículas que é necessário para igualar a supercooling", o engenheiro mecânico acrescenta. "A parte restante não-congelado se propaga através das asas em forma de uma película de água antes que ele

congela também devido à baixa temperatura da estrutura subjacente. "Uma vez que a temperatura do ar desce com o aumento da altitude, e água só existe sob a forma de gelo abaixo de aprox. -40oC, devido à acumulação de gelo, gotas de água super pode ocorrer apenas em certos voo altitudes.

Schremb está particularmente interessado nas estruturas cristalinas formadas durante o processo de congelamento, os assim chamados dendritos. Ele foi capaz de demonstrar que, enquanto a frente de cristalização é constituído por uma multiplicidade de dendritos, estes dendritos não se influenciam mutuamente. De acordo com Schremb ", uma coleção de dendrites congela a precisamente a mesma taxa que qualquer único dendrito. É por isso que só é necessário para modelar frente a solidificação como um todo, ao invés de cada dendrite. Isso vai simplificar significativamente os cálculos."

Schremb também conseguiu demonstrar que as propriedades térmicas da influência superfície do processo de congelação, especificamente por meio do ângulo de acreção de frente a solidificação.

"Se", conclui ele, "revelou-se possível para maximizar esse ângulo por meio de medidas adequadas, então isso seria minimizar a velocidade com que a superfície se sobre gelo. Isso representaria um progresso significativo."

Daniel Kintea está investigando icing motor em alta altitude. Esse problema pode ocorrer quando voando através do cristal de gelo nuvens ou quando voando sobre células de tempestade em altitude de cruzeiro. Neste caso, o processo de formação de gelo começa sobre uma superfície quente. Por muitos anos, este problema não foi claramente reconhecido, porque pensava-se que os cristais de gelo iria saltar fora das partes frias do motor e derreter nas partes quentes. No entanto, sob certas condições um acréscimo significativo de gelo pode ocorrer.

"Isso pode soar paradoxal", diz Kintea ", mas mesmo areia vai ficar com uma superfície inclinada quando está molhado." No caso do motor de confeiteiro, cristais de gelo são ingeridas quentes nos motores de onde elas se fundem. O resultado é uma mistura de água e gelo, que adere às superfícies, tal como areia molhada. Como estas partículas aderentes derreter, reduzem ainda mais a temperatura do metal até que o ponto de congelação é atingido. Em seguida, a película de água congela sobre a superfície à qual as partículas de gelo frio está preso.

Sensores também pode congelar como resultado deste mesmo princípio, como foi o caso com o acidente Ar França. Até agora, os pilotos tentaram contornar nuvens de gelo e as células de tempestade, ou então a descer a uma camada mais quente de ar, em que o gelo pode derreter. "Nós queremos criar modelos precisos de estes processos de acreção de gelo", diz Kintea ", a fim de fazer isso, nós precisamos saber o que essas partículas de gelo olhar como no ar, como se comportam, o que arrastar eles têm, e como eles derreter. Um pressuposto fundamental de modelos anteriores tem sido de que estas partículas de gelo são esféricas, e derreter na mesma forma como uma esfera. Isso está errado. "

Até à data, Kintea modelou três processos: o derretimento de um único cristal de gelo; a colisão, e o comportamento de uma camada porosa de gelo. Como o engenheiro mecânico explica; "se partículas de gelo saltam fora ou vara, depende da velocidade de colisão, o surfacetension, e do tamanho e densidade das partículas de gelo. Estas quatro variáveis ​​são combinadas no número Weber não-dimensional. Abaixo um número crítico Weber, as partículas furar . "

Kintea também considerou a fenômenos físicos associados com a fusão dos materiais porosos. Seus modelos matemáticos representar a realidade muito melhor do que modelos simplificados e idealizadas anteriores.

 

 

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