Хотя явление осаждения неизбежно, прогнозирование процесса может помочь инженерам разрабатывать и модифицировать конструкции двигателей. Одним из основных аспектов процесса осаждения является определение того, как капли расплава затвердевают при контакте с более холодной поверхностью, и точное моделирование этого процесса имеет основополагающее значение для понимания процесса.

В исследовании, опубликованном в Международный журнал тепло- и массообмена Группа ученых из Японии разработала модель, которая может быстро и точно имитировать затвердевание одной капли расплава на плоской поверхности. Их модель не требует какой-либо предварительной информации для настройки и может быть использована для разработки моделей, которые могут предсказать процесс осаждения в реактивных двигателях.

Исследовательский термин состоял из доктора Кодзи Фукудоме и проф. Макото Ямамото из Токийского университета науки, доктор Кен Ямамото из Университета Осаки и доктор Хироя Мамори из Университета электросвязи.

В отличие от предыдущих моделей, которые предполагали, что поверхность имеет постоянную температуру, новый подход имитирует процесс затвердевания, учитывая поведение капли и теплообмен между более горячей каплей и более холодной поверхностью. "Мы имитировали удар капли, но мы не могли игнорировать отличие от эксперимента. В этом исследовании мы думали, что учет изменения температуры поверхности сталкивающейся стенки будет соответствовать эксперименту", - объясняет доктор Фукудоме.

Чтобы иметь менее трудоемкую модель, исследователи выбрали полуявный метод движущихся частиц без сетки (MPS), который не требовал многократных вычислений на каждой сетке. Метод MPS основан на фундаментальных уравнениях течения жидкости (таких как уравнения несжимаемой жидкости Навье-Стокса и уравнения сохранения баланса массы) и широко используется для моделирования сложных течений. Между тем, изменение температуры внутри подложки было рассчитано с использованием метода на основе сетки, так что мы использовали метод сопряжения как на основе частиц, так и на основе сетки.

Используя этот подход, исследователи смоделировали затвердевание капли расплавленного олова на подложке из нержавеющей стали. Модель работала относительно хорошо и смогла воспроизвести процесс затвердевания, наблюдаемый в экспериментах. Моделирование также позволило получить детальное представление о процессе затвердевания, подчеркнув особенности растекания и распределение температуры капли при соприкосновении с твердой поверхностью.

Их моделирование показало, что затвердевание зависит от толщины пленки жидкости, которая образовалась после того, как капля расплава соприкоснулась с поверхностью. Затвердевание начинается по мере расширения жидкой пленки на поверхности и впервые наблюдалось на краю жидкой пленки вблизи поверхности. По мере того как жидкая пленка продолжает растекаться и становиться тоньше, затвердевание прогрессирует до тех пор, пока вся пленка не превратится в твердые частицы.

Эти результаты являются улучшением существующих моделей затвердевания, и команда надеется, что их нынешний подход может быть использован для построения более сложных моделей осаждения. "Не существует универсальной модели для прогнозирования отложений. Поэтому при рассмотрении осаждения определенной капли создается модель путем предварительного проведения экспериментов и делаются численные прогнозы. Ожидается, что это исследование станет пионером в разработке универсальной модели осаждения", - отмечает доктор Фукудоме.

Благодаря этому исследованию инженеры и ученые могут лучше понять сложные явления осаждения, а конструкции реактивных двигателей могут быть переработаны, чтобы сделать их более безопасными и долговечными.