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Simulación Numérica del Rendimiento Antihielo de Calentadores Eléctricos para el Hielo en el Perfil Aerodinámico NACA 0012

Autores: Uranai, Sho; Fukudome, Koji; Mamori, Hiroya; Fukushima, Naoya; Yamamoto, Makoto

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2020

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Acceso abierto

Artículo científico
2020

Simulación Numérica del Rendimiento Antihielo de Calentadores Eléctricos para el Hielo en el Perfil Aerodinámico NACA 0012


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Aeroespacial

Palabras clave

Hielo
Acreción
Perfil alar
Calefacción
Simulación
Coeficiente

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 26

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
La acumulación de hielo es un fenómeno por el cual las gotas de agua superenfriadas impactan y se acumulan en las superficies de las paredes. Se sabe bien que la formación de hielo puede causar accidentes graves debido a la deformación de la forma del perfil aerodinámico y la caída del hielo adherido en crecimiento. Para prevenir la acumulación de hielo, se han implementado recientemente calentadores electro-térmicos como dispositivos de deshielo y anti-hielo para las alas de los aviones. En este estudio, se desarrolló un método de simulación de formación de hielo para un perfil aerodinámico bidimensional con una superficie calefaccionada mediante la modificación del modelo de Messinger extendido. La principal modificación es el cálculo de la transferencia de calor desde la pared del perfil aerodinámico y la temperatura del agua de retorno lograda por el calentador. Se llevó a cabo una simulación numérica basada en un método Euler-Lagrange: se calcula un campo de flujo alrededor del perfil aerodinámico mediante un método euleriano y las trayectorias de las gotas se calculan mediante un método lagrangiano. La distribución de temperatura en la pared fue validada por experimentos. Los resultados de los experimentos numéricos y prácticos estuvieron en razonable acuerdo. Se calcularon la forma del hielo y el rendimiento aerodinámico de un perfil aerodinámico NACA 0012 con un calentador en la superficie del borde de ataque. El área de calefacción cambió del 1% al 10% de la longitud de la cuerda con un ángulo de ataque de cuatro grados. Los resultados de la simulación revelan que el coeficiente de sustentación varía significativamente con el área de calefacción: cuando el área de calefacción era del 1.0% de la longitud de la cuerda, el coeficiente de sustentación mejoró hasta un 15%, debido a la separación del flujo provocada por el borde de hielo; al aumentar el área de calefacción, el coeficiente de sustentación se deterioró, porque el pico de succión en la superficie de succión se atenuó por el hielo formado. Cuando el área de calefacción superó el 4.0% de la longitud de la cuerda, el coeficiente de sustentación se recuperó hasta un 4%, porque el gran hielo cerca del calentador desapareció. En contraste, el coeficiente de arrastre disminuyó gradualmente a medida que aumentaba el área de calefacción. El presente método de simulación utilizando el modelo de Messinger extendido modificado es más adecuado para simulaciones de deshielo en condiciones de hielo de escarcha y de cristal, porque reproduce la delgada capa de hielo formada detrás del calentador debido al fenómeno de retorno.

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