Icewing III hankkeen alustavia tuloksia Trafin auditorio 30.10.2014 klo 14 Pekka Koivisto Vastuullinen liikenne. Yhteinen asia.
Taustaa Icewing hankkeen ensimmäinen vaihe aloitettiin Trafin rahoittamana 2012. Toinen vaihe (Icewing II) 2013 Kolmas vaihe (Icewing III) 2014 hanke jatkuu 2015 loppuun Icewing I ja II hankkeiden tulokset nähtävissä Trafin sivulla: http://www.trafi.fi/tietopalvelut/tutkimus_ja_kehittaminen/icewing 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 2
Icewing I ja II Kokeita kahdella siipimallilla: --kiinteä, yksiosainen, jänne 1,8 m profile NACA 63-210 --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!) 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 3
Tutkimushankkeen verkostoituminen tiedeja tutkimusyhteisöön Presentations given at: AEA De-Icing/Anti-Icing WG meeting (13.3.2013 Brussels) SAE WG-12 meeting (9. -10.5.2013 New Orleans ) AIAA Conference paper (26.6.2013 San Diego) SAE WG-12 meeting (8. 9.5.2014 Madrid) 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 4
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 2014-15) 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 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 5
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 121.629(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 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 6
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 25.121 (ii) (B) = kriittinen) Ei vaikutusta sertifioituihin saavutusarvoihin 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 7
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 25.121 (ii) (A) = kriittinen VSR rajoittaa) Tuulitunnelikokeet samalla siipimallilla kuin IW2:n nestekokeet. Mallissa p-asäiliötä simuloiva glykolisäiliö, joka jäähdytettiin (pakastin + nestetyppi) - 15-20 C lämpötilaan huurteen generoimiseksi säiliöalueelle 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 8
Icewing III huurrekokeet Alla olevissa kuvissa huurteen aiheuttama nostovoimakerroinvähenemä CL prosentteina (CS 25.121 (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 = 2...6 m) Kuvissa aika-akseli alkaa lift-off-hetkestä Kussakin tapauksessa rotaatiota (tässä = lift-off) edeltää 30 s lähtökiidytys 0 120 kt. Rotaatiossa kohtauskulma kasvaa 1 7.5 kulmanopeudella 3 /s 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 9
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 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 10
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. Frost @ 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 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 11
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: 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 12
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 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 13
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) 24.5.2013 Liikenteen turvallisuusvirasto 14
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
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
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
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
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
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
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
Tasolevymalli tuulitunnelikokeisiin Pitot Static Rake Transparent flat plate - PMMA (acrylic) Distributed LED-light sources Liikenteen turvallisuusvirasto 22