Implementation of an Eulerian method of determination of surface water collection efficiency for atmospheric icing problems

• Autorzy: Sznajder J.

Warianty tytułu

PL

Implementacja Eulerowskiej metody wyznaczania osadzania się wody na powierzchni w zagadnieniach dotyczacych oblodzenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the presented article numerical implementation of a method of determination of water collection efficiency of a surface in two-phase flow of air and dispersed water droplets of concentration typical for icing problems is presented. An assumption of one-directional coupling between phases, frequently used for similar problems was adopted. In this approach the airflow influences the water droplet phase flow, and itself is not influenced by the droplet flow. Two-dimensional flow model was adopted in Eulerian approach, solving the droplet phase equations of motion in the whole computational domain. The water droplet phase flow was modeled using three variables representing droplet concentration and two components of velocity and three equations: the droplet continuity equation and two equations for the conservation of momentum in two perpendicular directions. The variables and equations describing the motion of the water droplet phase were introduced as User-Defined Scalars and User-Defined Equations to the commercial Fluent solver. It was assumed, that the droplet motion is the result of drag, gravity and buoyancy forces. The test computations were performed for the NACA 23012 airfoil, for two cases of droplet diameter and droplet phase concentration. The computation results were compared with experimental results. The comparisons demonstrate close agreement of the computed results (mass of captured water in unit time, surface distribution and local maximum value) for low values of Liquid Water Content, defined in FAR25 airworthiness regulations. For higher values of Liquid Water Content, typical for the phenomenon of “Supercooled Large Droplets” the present method overestimates the value of captured water per time, but the maximum value of the collection efficiency and the extent of the surface capturing water is predicted correctly. Also investigations of the effects selected aerodynamic and flow parameters on the mass of collected water were conducted.

PL

W pracy przedstawiono implementację numeryczną metody wyznaczania współczynnika masy wody uderzającej w powierzchnię w dwufazowym opływie powietrza i rozproszonych kropel wody o koncentracji typowej dla sytuacji spotykanych w problemach związanych z oblodzeniem atmosferycznym. Przyjęto często stosowane założenie o jednokierunkowym sprzężeniu przepływów, tzn. że przepływ powietrza oddziałuje na przepływ fazy wodnej natomiast przepływ fazy wodnej nie ma wpływu na przepływ powietrza. Przyjęto dwuwymiarowy model zjawiska w ujęciu Eulerowskim, rozwiązując równania przepływu fazy wodnej w całym obszarze obliczeniowym. Przepływ fazy wodnej zamodelowano przez wprowadzenie trzech zmiennych reprezentujących koncentrację fazy i dwie składowe prędkości przepływu oraz trzech równań: równania ciągłości fazy wodnej i dwóch równań zachowania składowych pędu w kierunku dwóch osi układu współrzędnych. Zmienne i równania opisujące ruch fazy wodnej wprowadzono jako Skalary Definiowane Przez Użytkownika i Funkcje Definiowane Przez Użytkownika w komercyjnym programie obliczeniowym Fluent. Założono, że ruch fazy wodnej jest wynikiem działania sił: oporu, ciężkości i wyporu na krople wody. Przeprowadzono obliczenia testowe dla opływu profilu NACA 23012 i dwóch przypadków wartości średnicy kropel i koncentracji fazy wodnej. Uzyskane wyniki porównano z wynikami eksperymentu. Wyniki porównań wykazują dobrą zgodność uzyskanych wyników (masy osiadającej wody na jednostkę czasu, rozkładu powierzchniowego i maksymalnej wartości) dla umiarkowanych wartości zawartości rozproszonej wody w powietrzu, opisanych przez regulacje FAR 25. Dla zawartości wody znacznie przekraczającej te wartości, typowych dla zjawiska „Supercooled Large Droplets” prezentowana metoda przeszacowuje wartość przechwytywanej wody, ale prawidłowo wyznacza maksymalną wartość współczynnika przechwytywania wody i obszar przechwytujący krople. Przeprowadzono również obliczenia wpływu wybranych parametrów aerodynamicznych na ilość przechwytywanej wody przez profil.

Słowa kluczowe

EN

two-phase flows; computational fluid dynamics CFD; water collection

PL

przepływy dwufazowe; numeryczna mechanika płynów; osadzanie się wody

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2015
• Tom: Nr 1 (238)
• Strony: 91--105
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Sznajder J.

• New Technology Center, Aerodynamic Department, Institute of Aviation, al. Krakowska 110/114, 02-256 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Fluent Inc. (2006). FLueNT 6.3 user’s Guide.
• [2] Beaugendre, H., Morency, F., Habashi, W.G. (2003). FESNSAP-ICe’s Three-Dimensional In-Flight Ice Accretion Module: ICE3D, Journal of Aircraft, Vol. 40, No. 2.
• [3] Hospers, J. M., Hoeijmakers, H. W. M. (2010). Numerical Simulation of SLD Ice Accretions, 27th International Congress of the Aeronautical Sciences.
• [4] Morrison, F. A. (2011). Data Correlation for Drag Coefficient for Sphere, Department of Chemical Engineering, Michigan Technological University, Houghton, MI, www.chem.mtu.edu/~fmorriso/dataCorrelationForSpheredrag2010.pdf, october 2011.
• [5] Papadakis, M., Rachman, A., Wong, S.-C., Yeong, H.-W., Hung, K. E, Vu, G. T., Bidwell, C. S. (2007). Water droplet impingement on simulated glaze, mixed and rime ice accretions. Technical Report NASA/TM-2007-213961, NASA, October 2007.
• [6] Federal Aviation Regulations FAR 25 Appendix C, http://www.flightsimaviation.com/data/FarS/part_25-appC.html.