Autor de la versión original: Tim Myers

Resumen

El depósito de escarcha sobre los aviones es un peligroso fenómeno durante el vuelo. Importantes esfuerzos han sido desplegados para evitar la acumulación de hielo. Como la prueba de nuevos materiales es muy onerosa y larga, modelos matemáticos más precisos y códigos de cálculos eran necesarios para abreviar los tiempos de desarrollo y reducir los costos.

El objetivo

La gotas de agua líquida que constituyen las nubes atmosféricas son a menudo sobrefundidas (sin sitio de nucleación, las gotas pueden permanecer en este estado hasta a -40°C). Si un avión se topa con una nube así, las gotas que golpean su superficie encuentran un sitio de nucleación y comienzan así a congelarse. La acumulación de escarcha puede entonces rápidamente degradar el rendimiento aerodinámico. Como consecuencia, casi todos los aviones comerciales y algunos helicópteros están provistos de sistemas antiescarcha. Sin embargo, son caros de utilizar y no siempre es claro dónde va a formarse el hielo.

El objetivo de este proyecto era desarrollar un código para simular el proceso de formación de escarcha sobre los aviones, en 3 dimensiones, utilizable para las futuras concepciones de componentes aeronáuticos. El proyecto fue llevado en colaboración con BAe Systems, Rolls-Royce, GKN Westland Helicopters, DERA y Cranfield University. Dunlop Aerospace y Airbus UK también se unieron posteriormente.

Lonja fina de hielo creada en un túnel de formación de hielo. Se puede distinguir la estructura del cristal. Esta muestra ha sido utilizada para verificar el modelo básico unidimensional de cambio de fase. Imagen publicada con la amable autorización de Elsevier y tomada de Int. J. Heat Mass Trans. 42 2233-2242, 1999.

El problema

La parte académica del trabajo fue el desarrollo de un modelo de crecimiento de escarcha, aparejado al flujo de una delgada capa de agua. También implementamos y probamos solvers destinados a ser incluidos en un código de formación de escarcha completo.

Matemáticamente, esto significaba acoplar un modelo de cambio de fase a un modelo de flujo en película delgada. La presencia de dos fronteras libres hace que el análisis y la resolución numérica sean delicadas. Un desafío adicional era que nuestros solvers no debían aumentar significativamente el tiempo de cálculo del código completo ya existente.

Resultados

Los modelos desarrollados fueron incorporados en diferentes bibliotecas que luego se vincularon con el código principal (desarrollado por Rolls-Royce) para calcular el flujo de aire y las trayectorias de las gotas de agua. El código completo fue probado rigurosamente gracias a comparaciones con códigos en 2D existentes, y resultados experimentales en los túneles de escarcha.

El éxito puede ser estimado gracias al hecho de que todos los socios industriales utilizan hoy en día este código en sus procesos de concepción, y que proyectos posteriores han sido financiados. Para un sólo estudio de caso, se anunció que el código ICECREMO [1] ha permitido economizar hasta $1$ millón de libras esterlinas [2]. ICECREMO fue después vendido a empresas en el extranjero. También hubo un número de proyectos derivados en relación con el escurrimiento de agua a través de turborreactores de doble flujo o con el depósito de hielo sobre superficies en rotación.

Forma de la delgada película de agua sobre una superficie creciente de hielo sometida a la gravedad (dirigida a izquierda) y al cizallamiento del aire (hacia la derecha). Imagen reproducida con la amable autorización de AIP, tomada de Phys. Fluids 14(1), 240-256, 2002.

Contacto

Pr. Tim Myers (tmyers crm.cat). Centre de Recerca Matemàtica, Campus de Bellaterra, Edifici C, 08193 Bellaterra, Barcelona. Espagne.