ES2614650T3 - Método asistido por ordenador para predecir la captación de partículas por una superficie de un objeto en movimiento - Google Patents

Abstract

Un método implementado en ordenador para predecir la captación de partículas que inciden en la superficie (11) de un objeto que se mueve en una corriente de flujo, que comprende los siguientes pasos: - preparar un modelo discreto de dicho objeto y el flujo circundante, incluyendo una zona (21) de proyección de partículas formada por una malla de celdas (23), y una malla de celdas (13) de dicha superficie (11); - simular y analizar el lanzamiento de partículas desde dicha zona (21) de proyección sobre la superficie (11) objeto; en el que las trayectorias de las partículas se calculan usando una aproximación Lagrangiana, caracterizado por que la zona (21) de proyección de partículas se forma por una malla de celdas (23) de idéntico tamaño, para cada celda (23) de la zona (21) de proyección, siendo iguales tanto la densidad Di de partículas lanzadas como su distribución por tamaños, y para cada celda (13) de dicha superficie (11) el parámetro β de eficiencia de captación local se obtiene dividiendo la densidad Df de partículas que impactan contra dicha celda (13) por la densidad Di de partículas lanzadas desde la zona (21) de proyección.

Description

DESCRIPCIÓN

Método asistido por ordenador para predecir la captación de partículas por una superficie de un objeto en movimiento

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método asistido por ordenador para predecir la captación de partículas por una superficie de un objeto que se mueve en una corriente de flujo y más en particular para predecir la captación de gotas de 5 agua por la superficie de una aeronave.

Antecedentes de la invención

Para que los aviones puedan volar, las autoridades requieren la certificación de que cumplen determinados requisitos que aseguren su operacionalidad en unas condiciones meteorológicas que propician la formación continua o intermitente de hielo. 10

Los problemas planteados por el hielo en los aviones son de diversa naturaleza. Durante el aterrizaje, el avión puede descender con una velocidad intermedia desde una altitud de vuelo fría y seca hasta una situación normal en tierra pasando por áreas nubosas en las que la humedad o las partículas de agua pueden congelarse en las superficies del avión que siguen frías. Ello puede ocasionar un incremento de peso y un cambio en la forma aerodinámica especialmente en los bordes de ataque de alas, estabilizadores de cola y conductos de entrada de aire de los motores. 15 A 17.000 pies y 10.000 pies de altitud los tipos de hielo que provocan riesgos son distintos. En los perfiles aerodinámicos con hielo, el comportamiento aerodinámico cambia dramáticamente en una configuración de aterrizaje a baja velocidad: se reduce la sustentación, aumenta la resistencia y pueden entrar en pérdida inesperadamente. Debido al hielo en los estabilizadores horizontales y verticales el avión puede perder control lateral o longitudinal. La mayores partículas de hielo –que se rompen al entrar en contacto con las conductos de entrada de aire de los motores- pueden 20 ocasionar daños en palas o sensores de los turboventiladores.

Por todo ello, las superficies críticas de los aviones tienen que ser protegidas del hielo mediante sistemas apropiados. Esos sistemas incrementan el peso del avión y por ello deben ser, deseablemente, lo más eficientes que sea posible.

Para hacer frente a los problemas mencionados se considera imprescindible el desarrollo de modelos analíticos que permitan evaluar tanto el hielo que se acumula como el efecto que produce en el avión. Así mismo, estos modelos 25 analíticos permiten una evaluación más eficiente de los sistemas de protección frente al hielo durante la fase de diseño del avión.

En líneas generales, los modelos analíticos conocidos que permiten el cálculo de formaciones de hielo incluyen al menos los siguientes módulos:

- Un módulo de cálculo del campo fluido alrededor de la superficie en cuestión. 30

- Un módulo de cálculo de la captación de agua.

- Un módulo del cálculo del balance termodinámico y de crecimiento del hielo.

El módulo de captación de agua comprende un simulador que debe representar de forma precisa el proceso de acumulación de agua que ocurre cuando una aeronave atraviesa una nube que contiene gotas de agua suficientemente frías como para que lleguen a congelarse, al efecto de poder calcular el parámetro de captación de la superficie que 35 será utilizado en el módulo del cálculo del balance termodinámico y de crecimiento del hielo.

La forma de obtener el parámetro de captación, utilizando la modelización Lagrangiana, consiste en realizar un lanzamiento masivo de gotas, resolver sus trayectorias y estudiar los impactos producidos sobre la superficie exterior de la aeronave. En esta situación es importante establecer la distribución inicial de las gotas de agua en la nube y sus propiedades físicas puesto que de ello dependerán sus trayectorias, que se requieren para determinar la cantidad 40 (eficiencia de captación total), distribución (eficiencia de captación local) y extensión (límites de la superficie impactada) de la captación.

En la técnica conocida, la forma de obtener el parámetro de eficiencia de captación local, para casos tridimensionales, consiste en calcular la relación de áreas entre los triángulos formados por tres gotas de agua que salen de la zona de lanzamiento y el triángulo formado por sus impactos sobre la superficie de estudio. Así pues, en referencia a la Figura 2, 45 el parámetro de eficiencia de captación local viene dado por la expresión , siendo A1 el área del triángulo que formarían tres partículas próximas sobre el plano de lanzamiento, y A2 es el triángulo que formarían sus puntos de impactos sobre la superficie aerodinámica. Ese parámetro se calcula para cada uno de los distintos tamaños de partículas y se suma la contribución de cada partícula de acuerdo a la fórmula: , donde ni es la 12AANiiisns1)()(

fracción de masa líquida asociada con el tamaño de la partícula i y N es el número de tamaños de partículas utilizados para caracterizar la distribución. βi es el parámetro de eficiencia de captación local calculado para la partícula i.

Este procedimiento requiere la realización de tantos cálculos de captación como tamaños distintos de partículas se consideren en la distribución, ya que no es posible utilizar en el mismo cálculo distintos tamaños de partículas, ya que el cálculo del parámetro de captación local parte de la hipótesis de que todas las partículas que salen dentro del triángulo 5 A1 impactan sobre el triángulo definido por A2 (condición de continuidad másica), hipótesis que solo es válida si se considera que todas las partículas tienen el mismo tamaño.

A partir del documento “A Lagrangian-Eulerian Scheme For Flow Around and Airfoil in Rain”, de J.R. Valentine y R.A. Decker, se conoce un método asistido por ordenador para predecir la incidencia de partículas sobre la superficie de un objeto que se mueve en una corriente de flujo. También se conoce a partir del documento “Evaluation of Collection of 10 Efficiency Methods for Icing Analysis”, de Rafael A. Silveira y otros, el flujo de agua que incide sobre una superficie de un avión cuando vuela a través de una nube bajo condiciones de hielo.

El método conocido en la técnica tiene pues un elevado coste de computación, especialmente cuando se trabaja con geometrías muy complejas. La presente invención está orientada a la solución de ese inconveniente tanto en el calculo de la captación de gotas de agua por superficies de aeronaves como en el calculo de la captación de otro tipo de 15 partículas por otro tipo de superficies que se mueven en una corriente de flujo.

Sumario de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar un método asistido por ordenador para predecir la captación de partículas de agua –o la captación de otras partículas- por la superficie de un objeto que se mueve en una corriente de flujo, tal como una aeronave, sometido a una lluvia de dichas partículas, minimizando los recursos de computación 20 necesarios para ello.

Este y otros objetos se consiguen proporcionando un método implementado en ordenador con las características de la reivindicación 1.

En una realización preferente dicho objeto es una aeronave y dichas partículas son gotas de agua. Se consigue con ello un método de utilidad para predecir la formación de hielo de las superficies de aeronaves. 25

Otras características y ventajas de la presente invención se harán evidentes de la siguiente descripción detallada de realizaciones ilustrativas de su objeto en relación con las figuras adjuntas.

Descripción de las figuras

La Figura 1 muestra trayectorias de gotas de agua que impactan sobre una superficie aerodinámica.

La Figura 2 ilustra un procedimiento conocido para el cálculo del parámetro de eficiencia de captación local. 30

La Figura 3 ilustra el procedimiento de cálculo del parámetro de eficiencia de captación local según el método de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

Seguidamente y en referencia fundamentalmente a la Figura 3, se describirá una realización del método asistido por ordenador para predecir la captación de gotas de agua por una superficie aerodinámica de un avión que comprende las 35 siguientes fases: Preparación de Modelos, Cálculo y Simulación y Análisis.

I. Preparación de Modelos

Al igual que en el método conocido en la técnica, se prepara un modelo de elementos finitos importando la geometría estructural de la superficie aerodinámica 11. A los efectos específicos del método objeto de la presente invención, el modelo incluye, por un lado, una zona de lanzamiento 21 de gotas de agua formada por una malla de celdas 23 de igual 40 tamaño y, por otro lado, la superficie aerodinámica 11 formada por una malla de celdas 13 para posibilitar la simulación de las trayectoria de las gotas lanzadas desde la zona 21 y la determinación de cuales de ellas impactan en la superficie aerodinámica 11.

A cada celda 23 se le asigna una misma distribución de gotas de agua que puede ser, por ejemplo, la caracterizada por Langmuir D que, para un tamaño medio de gota de agua de 20 micras, tomaría los siguientes valores indicados en la 45 Tabla 1.

Tabla 1

Porcentaje sobre el Contenido de Agua

Relación de diámetros Tamaño de gotas de agua en micras

0.05

0.31 6.2

0.10

0.52 10.4

0.20

0.71 14.2

0.30

1.00 20.0

0.20

1.37 27.4

0.10

1.74 34.8

0.05

2.22 44.4

II. Cálculo

Según la presente invención, el cálculo del parámetro de eficiencia de captación local de una celda 13 (en lo demás, el 5 método objeto de la presente invención no tiene diferencias significativas con el método conocido en la técnica) se lleva a cabo mediante la fórmula donde N2 es el número de gotas que impactan sobre la celda 13, de área A2, de la superficie aerodinámica 11 y N1 es el número de gotas que salen de la celda 23, de área A1, de la zona de lanzamiento 21. Como ya hemos indicado, la zona de lanzamiento está formada por celdas 23 de igual superficie y de cada una de ellas sale el mismo el mismo número de gotas N1. 10 1122ANAN

Definiendo la densidad Di de gotas lanzadas desde la celda 23 como la relación entre el número de gotas N1 lanzadas desde la celda 23 y su superficie A1 y, similarmente, la densidad Df de gotas que impactan en la celda 13 como la relación entre el número de gotas N2 que impactan en ella y su superficie A2, el parámetro de eficiencia de captación local viene definido, pues, por la relación entre Di y Df.

En el cálculo del parámetro de captación de cada celda 13 de la superficie 11, Di será, pues, constante y Df variará en 15 función del número de los impactos en ella de las gotas lanzadas desde todas las celdas 23 de la zona de lanzamiento 21.

III. Simulación y análisis

A partir de los parámetros de eficiencia de captación local obtenidos para cada celda 13 mediante un solo cálculo, utilizando una determinada distribución de gotas de agua, se puede obtener el perfil de hielo sobre la superficie 20 aerodinámica 11 siguiendo los mismos pasos de la técnica anterior.

Como bien comprenderá el experto en la materia, el método objeto de la presente invención es aplicable a todo cuerpo que, sumergido en un fluido, fuese sometido a una lluvia de partículas cuyo tamaño fuese lo suficiente pequeño como para considerar que las partículas no interaccionan entre sí y a su vez su movimiento no modifica el fluido que las contiene. 25

Se pueden introducir en la realización preferida que hemos descrito aquellas modificaciones que estén comprendidas en el ámbito de las reivindicaciones siguientes.

Claims (2)

1. REIVINDICACIONES

   1.- Un método implementado en ordenador para predecir la captación de partículas que inciden en la superficie (11) de un objeto que se mueve en una corriente de flujo, que comprende los siguientes pasos:

   - preparar un modelo discreto de dicho objeto y el flujo circundante, incluyendo una zona (21) de proyección de partículas formada por una malla de celdas (23), y una malla de celdas (13) de dicha superficie (11); 5

   - simular y analizar el lanzamiento de partículas desde dicha zona (21) de proyección sobre la superficie (11) objeto;

   en el que las trayectorias de las partículas se calculan usando una aproximación Lagrangiana,

   caracterizado por que la zona (21) de proyección de partículas se forma por una malla de celdas (23) de idéntico tamaño, para cada celda (23) de la zona (21) de proyección, siendo iguales tanto la densidad Di de partículas 10 lanzadas como su distribución por tamaños, y para cada celda (13) de dicha superficie (11) el parámetro  de eficiencia de captación local se obtiene dividiendo la densidad Df de partículas que impactan contra dicha celda (13) por la densidad Di de partículas lanzadas desde la zona (21) de proyección.
2. 2. Un método según la reivindicación 1, en el que dicha superficie (11) es una superficie aerodinámica de una aeronave y dichas partículas son gotas de agua. 15