Icewing III hankkeen alustavia tuloksia

Transkriptio

1 Icewing III hankkeen alustavia tuloksia Trafin auditorio klo 14 Pekka Koivisto Vastuullinen liikenne. Yhteinen asia.

2 Taustaa Icewing hankkeen ensimmäinen vaihe aloitettiin Trafin rahoittamana Toinen vaihe (Icewing II) 2013 Kolmas vaihe (Icewing III) 2014 hanke jatkuu 2015 loppuun Icewing I ja II hankkeiden tulokset nähtävissä Trafin sivulla: Liikenteen turvallisuusvirasto 2

3 Icewing I ja II Kokeita kahdella siipimallilla: --kiinteä, yksiosainen, jänne 1,8 m profile NACA rotaatiomalli, kolmiosainen (slat+flap), jänne 0,65 m DLR F15 Tutkimukset kohdistuivat: -- Nesteen poistumiseen lentoonlähtökiihdytyksen aikana eri nesteillä, nesteyhdistelmillä, nestepaksuuksilla jne. -- Nesteen aiheuttamaan nostovoimavähenemään -- Rullausajan vaikutukseen (30 kt ilmanopeus) nesteen poistumaan ennen lentoonlähtöä (merkittävä!) Liikenteen turvallisuusvirasto 3

4 Tutkimushankkeen verkostoituminen tiedeja tutkimusyhteisöön Presentations given at: AEA De-Icing/Anti-Icing WG meeting ( Brussels) SAE WG-12 meeting ( New Orleans ) AIAA Conference paper ( San Diego) SAE WG-12 meeting ( Madrid) Liikenteen turvallisuusvirasto 4

5 Icewing III hankkeen sisältö Icewing III hankkeen jatkuessa vuoden 2015 loppuun asti alla olevista tutkimuskohteista kaikkia ei ole vielä aloitettu 1. Huurteen vaikutus siiven aerodynamiikkaan ja tasolevyn rajakerrokseen CSFF huurteen vaikutus nostovoimavähenemään (kokeet tehty) Todellisen huurteen vaikutus tasolevyn rajakerrokseen (talvi ) Tasolevyhuurteen teoreettinen mallinnus (kevät 2015) 2. Nesteen poistumisen mallintaminen CFD:llä (alustavat tutkimukset tehty) 3. Nesteen poistuminen tasolevyltä kolmella eri mallilla (0.3m, 0.6m, 1.8m) Mittakaavaefekti CFD-kokeiden validointi Liikenteen turvallisuusvirasto 5

6 Huurre Miksi ja minkälaista huurretta tutkitaan? CSFF = Cold Soaked Fuel Frost Huurteenpoiston kustannukset ja ympäristön kuormitus Parantaako huurteen poisto kaikissa tapauksissa lentoturvallisuutta?? B 737 NG: CSFF-hyväksyntä: TC ja EASA FAA ei hyväksy: CSFF removal is an FAA regulatory requirement (14 CFR (b)) No person may take off an aircraft when frost, ice, or snow is adhering to the wings, control surfaces, propellers, engine inlets, or other critical surfaces of the aircraft.takeoffs with frost under the wing in the area of the fuel tanks may be authorized by the Administrator EASA also addresses cold soaked fuel frost in OPS 1.345, Ice and Other Contaminants A commander shall not commence take-off unless the external surfaces are clear of any deposit which might adversely affect the performance and/or controllability of the aeroplane except as permitted in the Aeroplane Flight Manual Liikenteen turvallisuusvirasto 6

7 B -737 NG CSFF Tuulitunnelikokeet (2002), joissa huurre simuloitiin santapaperi karheudella Lentokokeet todellisella huurteella (2003) Tulokset (kun OAT > 0 C, huurre <1.5 mm määritellyllä alueella): ei ohjailtavuuden heikkenemistä (pitch, roll) vaikutus saavutusarvoihin merkityksetön (CS (ii) (B) = kriittinen) Ei vaikutusta sertifioituihin saavutusarvoihin Liikenteen turvallisuusvirasto 7

8 Icewing III huurretutkimkset Aiemmat julkaistut tuulitunnelikokeet tehty ekvivalentilla santapaperilla Todellinen huurre sulaa ja sublimoituu kynnyslämpötilan yläpuolella Nostovoimavähenemä transientti ilmiö kuten jäänestonesteelläkin (tehtäessä kokeita siipimallilla CS (ii) (A) = kriittinen VSR rajoittaa) Tuulitunnelikokeet samalla siipimallilla kuin IW2:n nestekokeet. Mallissa p-asäiliötä simuloiva glykolisäiliö, joka jäähdytettiin (pakastin + nestetyppi) C lämpötilaan huurteen generoimiseksi säiliöalueelle Liikenteen turvallisuusvirasto 8

9 Icewing III huurrekokeet Alla olevissa kuvissa huurteen aiheuttama nostovoimakerroinvähenemä CL prosentteina (CS (ii) A:n mukainen sallittu max =5.24%) Huurteen keskimääräinen paksuus = k Huom. Jänteeseen suhteutettuna esim 0.7 mm huurre vastaisi 3 m:n jänteellä 3.5 mm (esim A 321 c = m) Kuvissa aika-akseli alkaa lift-off-hetkestä Kussakin tapauksessa rotaatiota (tässä = lift-off) edeltää 30 s lähtökiidytys kt. Rotaatiossa kohtauskulma kasvaa kulmanopeudella 3 /s Liikenteen turvallisuusvirasto 9

10 Icewing III huurrekokeet OAT:n kasvaessa: 1. CL:n arvo lift-off hetkellä (t=0) pienenee 30 s kiihdytyksen haihduttaessa osan huurteesta 2. CL :n vähenemisen jyrkkyys kasvaa OAT:n kasvaessa lift-off hetken jälkeen Liikenteen turvallisuusvirasto 10

11 Icewing III huurrekokeet Vertailu santapaperikarheuden ja jäänesto/poistonesteiden vaikutukseen: vaikutuksen transientti luonne paksunnettu neste vs. huurre TI-nesteen vaikutus olematon (tässä nestefilmin paksuus 0.1mm) 3,00 Type I Fluid vs. 0 C C L [%] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 00:00,0 00:10,0 00:20,0 00:30,1-0,50 Time from rotation [s] Frost 0.08 mm 30% TI Fluid Liikenteen turvallisuusvirasto 11

12 CFD laskenta (Computational Fluid Dynamics) Perustuu nesteen/kaasun liikettä kuvaavan yhtälön (Navier-Stokes) numeeriseen ratkaisemiseen: FVM FDM FEM Diskretointi Algebrallinen yhtälöryhmä hilapisteissä vallitseville virtaussuureiden arvoille Virtausalue jaetaan äärellisen kokoisiksi osa-alueiksi, jotka muodostavat ns. hilan: Kun lisäksi reunaehdot huomioidaan on tuloksena ratkaisu hilapisteissä: Liikenteen turvallisuusvirasto 12

13 CFD - laskenta Käytännön virtaukset useimmiten turbulentteja (pyörteisiä mukana satunnaisuutta, kun Re-luku (UL/(µ/ρ)) riittävän suuri) Pienimmät pyörteet niin pieniä, että hilan koppien määrä kasvaa käytännön tehtävien laskennan ulottumattomiin (sadoiksi vuosiksi) DNS = Direct Numerical Simulation turbulenssia ei malliteta LES = Large Eddy Simulation vain hilakoppeja pienemmät pyörteet (turbulenssi) mallinnetaan matemattisesti muu alue lasketaan tarkasti RANS = Reynolds Averaged Navier-Stokes virtaussuureet jaetaan ajallisiin keskiarvoihin ja heilahteluarvoihin: U =Ū + u - turbulenssi mallitetaan koko virtausalueessa Laskenta-aika lyhenee DNS LES RANS Tarkkuus paranee Liikenteen turvallisuusvirasto 13

14 Käytetty CFD-ohjelmisto OpenFOAM koodi + LES-simulaatio: Ei käyttöliittymää vaatii asiantuntemusta Laskenta 2 D (CPU-aika) 2 faasia neste: newtonilainen (TI) tai epänewtonilainen (TIV) Tietokoneaika: 5 s laskeminen vie toista viikkoa Tuloksista: Newtonilaiset nesteet (TI): lupaavia tuloksia - uusia näkökulmia nesteiden käyttäytymiseen ilmavirrassa Epänewtonilaiset nesteet (TIV): haasteena tiedon puute dynaamisesta reologiasta (viskositeetin aikariippuvuus leikkausnopeuden vaihdellessa nopeasti). Ajasta riippumaton viskositeetin potenssilaki johtaa virheellisiin tuloksiin. (aiheesta animaatio tuonnenpana) Liikenteen turvallisuusvirasto 14

15 CFD calculations preliminary results: 1 mm water layer in an airstream with 10 m/s Note shear induced ripples along the whole surface Note the scale difference in x-y-coordinates are 1:7 Fluid layer length 0.6 m Liikenteen turvallisuusvirasto 15

16 CFD calculations preliminary results: ClariantMPI (100 %) fluid (1 mm) in accelerating airflow (0 18 m/s) Note the absence of ripples along the surface. Wave motion starts via solitary waves in the leading edge area Note the scale difference in x-y-coordinates are 1:7 Fluid layer length 0.6 m Liikenteen turvallisuusvirasto 16

17 CFD Calculations - preliminary results: 25 % Type IV fluid (1 mm) in accelerating airflow (0 18 m/s) Note the scale difference in x-y-coordinates are 1:7 Fluid layer length 0.6 m Liikenteen turvallisuusvirasto 17

18 CFD Calculations - preliminary results: Viscosity values and wave generation for a 25 % Type IV fluid in accelerating airflow. Initial thickness 1 mm Note the scale difference in x-y-coordinates are 1:7 Fluid layer length 0.6 m Liikenteen turvallisuusvirasto 18

19 CFD Calculations - preliminary results: Type I fluid (100 %) in airstream of 17 m/s note airstream eddies Fluid transfer is concentrated in the waves. Waves are the carriers of the fluid Liikenteen turvallisuusvirasto 19

20 CFD Calculations - preliminary results: Newtonilaiset nesteet µ = vakio (parametrina T) Uusia aiemmista tutkimuksista poikkeavia näkemyksiä ilman ja nesteen vuorovaikutuksista: Ilmavirran pyörrerata Nestettä ajavat ilmeisesti painevoimat eivät kitkavoimat Nesteen like keskittynyt aaltoihin Epänewtonilaiset nesteet: µa = K (du/dy) n-1 (potenssilaki) Potenssilaki: - ei aikariippuvuutta - ei tietoa nesteen pettämisestä (palautuminen loppuu) Tarvitaan parempi ajasta riippuva viskositeettimalli Tulosten validointi tuulitunnelikokein tärkeää Liikenteen turvallisuusvirasto 20

21 Tasolevykokeet tuulitunnelissa Kolme eri mittaista tasolevyä nesteen poistumisen mittakaavaefektin tutkimiseksi ja CFD-laskelmien validointiin. (jänteet 0.3 m, 0.6 m ja 1.8 m) Nestefilmin paikallinen paksuus mitataan videokuvien valon intensiteetin vaihteluista, rajakerrospaksuus pitot-staattisella haravalla Käytettävät nesteet: TI, TII ja TIV Kokeet jatkuvat vuoden 2015 loppuun Liikenteen turvallisuusvirasto 21

22 Tasolevymalli tuulitunnelikokeisiin Pitot Static Rake Transparent flat plate - PMMA (acrylic) Distributed LED-light sources Liikenteen turvallisuusvirasto 22