I motori a turbina a gas negli aerei forniscono la spinta richiesta aspirando aria, riscaldandolo a temperature molto elevate in una camera di combustione, e infine esaurirlo ad alte velocità. Mentre operano, piccole particelle inorganiche come la cenere vulcanica vengono risucchiate insieme all'aria. Queste particelle si sciolgono nelle zone ad alta temperatura nella camera di combustione e si solidificano nelle zone più fredde del motore come le pale della turbina. Col tempo, queste goccioline si solidificano e si accumulano sulla superficie della turbina a gas, deformando le lame e bloccando i fori di raffreddamento, che deteriora le prestazioni e la vita del motore.

Mentre il fenomeno della deposizione è inevitabile, la previsione del processo può aiutare gli ingegneri a sviluppare e modificare i progetti dei motori. Uno degli aspetti principali del processo di deposizione è determinare come le goccioline fuse solidificano a contatto con una superficie più fredda, e una simulazione accurata di questo processo è fondamentale per comprendere il processo.

In uno studio pubblicato su Giornale internazionale di trasferimento di calore e di massa , un gruppo di scienziati giapponesi ha sviluppato un modello in grado di simulare in modo rapido e accurato la solidificazione di una singola goccia fusa su una superficie piana. Il loro modello non richiede alcuna informazione preliminare per l'impostazione e può essere utilizzato per sviluppare modelli in grado di prevedere il processo di deposizione nei motori a reazione.

Il termine di ricerca era composto dal Dr. Koji Fukudome e dal Prof. Makoto Yamamoto della Tokyo University of Science, Dr. Ken Yamamoto dell'Università di Osaka, e il Dr. Hiroya Mamori dell'Università di Elettro-Comunicazioni.

A differenza dei modelli precedenti che presumevano che la superficie fosse a temperatura costante, il nuovo approccio simula il processo di solidificazione considerando il comportamento della goccia e il trasferimento di calore tra la goccia più calda e la superficie più fredda. "Abbiamo simulato l'impatto delle goccioline, ma non potevamo ignorare la differenza dall'esperimento. In questo studio, abbiamo pensato che tenere conto del cambiamento di temperatura della superficie della parete in collisione sarebbe stato coerente con l'esperimento, " spiega il dottor Fukudome.

Per avere un modello meno intensivo di calcolo, i ricercatori hanno optato per un metodo semi-implicito (MPS) di particelle mobili senza maglie che non richiedeva calcoli multipli su ciascuna griglia. Il metodo MPS si basa su equazioni fondamentali del flusso dei fluidi (come le equazioni incomprimibili di Navier-Stokes e le equazioni di conservazione del bilancio di massa) ed è stato ampiamente utilizzato per simulare flussi complessi. Nel frattempo, la variazione di temperatura all'interno del substrato è stata calcolata utilizzando il metodo grid-based, in modo che abbiamo usato il metodo di accoppiamento di entrambi i metodi basati su particelle e basati su griglia.

Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno simulato la solidificazione di goccioline di stagno fuso su un substrato di acciaio inossidabile. Il modello ha funzionato relativamente bene ed è stato in grado di replicare il processo di solidificazione osservato negli esperimenti. Le simulazioni hanno anche fornito una visione approfondita del processo di solidificazione, evidenziando il comportamento di diffusione e la distribuzione della temperatura della goccia quando viene a contatto con la superficie solida.

Le loro simulazioni hanno mostrato che la solidificazione dipende dallo spessore del film liquido che si è formato dopo che la goccia fusa è entrata in contatto con la superficie. La solidificazione inizia quando il film liquido si espande sulla superficie ed è stato osservato per la prima volta sul bordo del film liquido vicino alla superficie. Man mano che il film liquido continua a diffondersi e ad assottigliarsi, la solidificazione progredisce fino a quando l'intero film si trasforma in particelle solide.

Questi risultati rappresentano un miglioramento degli attuali modelli di solidificazione e il team spera che il loro approccio attuale possa essere utilizzato per costruire modelli di deposizione più complessi. "Non esiste un modello universale per prevedere le deposizioni. Pertanto, quando si considera la deposizione di una certa gocciolina, un modello viene creato conducendo esperimenti in anticipo, e si fanno previsioni numeriche. Questo studio dovrebbe essere un pioniere nello sviluppo di un modello di deposizione universale, " Osserva il dottor Fukudome.

Grazie a questo studio, ingegneri e scienziati possono ottenere una migliore comprensione dei complessi fenomeni di deposizione e i progetti dei motori a reazione possono essere riprogettati per essere più sicuri e duraturi.