Los motores de turbina de gas en los aviones proporcionan el empuje requerido aspirando aire, calentarlo a temperaturas muy altas en una cámara de combustión, y finalmente agotarlo a altas velocidades. Mientras operan, pequeñas partículas inorgánicas, como cenizas volcánicas, son absorbidas junto con el aire. Estas partículas se derriten en las zonas de alta temperatura de la cámara de combustión y se solidifican en las zonas más frías del motor, como las palas de la turbina. Tiempo extraordinario, estas gotas se solidifican y acumulan en la superficie de la turbina de gas, deformar las palas y bloquear los orificios de refrigeración, lo que deteriora el rendimiento y la vida útil del motor.

Si bien el fenómeno de la deposición es inevitable, predecir el proceso puede ayudar a los ingenieros a desarrollar y modificar los diseños de motores. Uno de los aspectos principales del proceso de deposición es determinar cómo se solidifican las gotas fundidas en contacto con una superficie más fría. y una simulación precisa de este proceso es fundamental para comprender el proceso.

En un estudio publicado en el Revista internacional de transferencia de calor y masa , un grupo de científicos de Japón desarrolló un modelo que puede simular de manera rápida y precisa la solidificación de una sola gota fundida en una superficie plana. Su modelo no requiere ninguna información previa para su configuración y se puede utilizar para desarrollar modelos que puedan predecir el proceso de deposición en los motores a reacción.

El término de investigación consistió en el Dr. Koji Fukudome y el Prof. Makoto Yamamoto de la Universidad de Ciencias de Tokio, Dr. Ken Yamamoto de la Universidad de Osaka, y el Dr. Hiroya Mamori de la Universidad de Electro-Comunicaciones.

A diferencia de los modelos anteriores que asumían que la superficie estaba a una temperatura constante, el nuevo enfoque simula el proceso de solidificación considerando el comportamiento de las gotas y la transferencia de calor entre la gota más caliente y la superficie más fría. "Hemos estado simulando el impacto de una gota, pero no pudimos ignorar la diferencia con el experimento. En este estudio, pensamos que teniendo en cuenta el cambio de temperatura de la superficie de la pared en colisión sería coherente con el experimento, "explica el Dr. Fukudome.

Para tener un modelo computacionalmente menos intensivo, Los investigadores optaron por un método semi-implícito de partículas móviles sin malla (MPS) que no requería múltiples cálculos en cada cuadrícula. El método MPS se basa en ecuaciones fundamentales de flujo de fluidos (como las ecuaciones incompresibles de Navier-Stokes y las ecuaciones de conservación del balance de masa) y se ha utilizado ampliamente para simular flujos complejos. Mientras tanto, el cambio de temperatura dentro del sustrato se calculó utilizando el método basado en cuadrículas, de modo que utilizamos el método de acoplamiento de los métodos basados ​​en partículas y en cuadrículas.

Usando este enfoque, los investigadores simularon la solidificación de una gota de estaño fundido sobre un sustrato de acero inoxidable. El modelo funcionó relativamente bien y pudo replicar el proceso de solidificación observado en los experimentos. Las simulaciones también proporcionaron una visión en profundidad del proceso de solidificación, destacando el comportamiento de esparcimiento y la distribución de temperatura de la gota cuando entra en contacto con la superficie sólida.

Sus simulaciones mostraron que la solidificación depende del grosor de la película líquida que se formó después de que la gota fundida entró en contacto con la superficie. La solidificación se inicia cuando la película líquida se expande sobre la superficie y se observó por primera vez en el borde de la película líquida cerca de la superficie. A medida que la película líquida continúa extendiéndose y adelgazándose, la solidificación progresa hasta que toda la película se convierte en partículas sólidas.

Estos hallazgos son una mejora en los modelos de solidificación actuales y el equipo tiene la esperanza de que su enfoque actual pueda usarse para construir modelos de deposición más complejos. "No existe un modelo universal para predecir deposiciones. Por lo tanto, al considerar la deposición de una determinada gota, se crea un modelo realizando experimentos por adelantado, y se hacen predicciones numéricas. Se espera que este estudio sea pionero en el desarrollo de un modelo de deposición universal, "Observa el Dr. Fukudome.

Gracias a este estudio, Los ingenieros y científicos pueden comprender mejor los complejos fenómenos de deposición y los diseños de los motores a reacción pueden rediseñarse para que sean más seguros y duraderos.