Les moteurs à turbine à gaz des avions fournissent la poussée requise en aspirant de l'air, le chauffer à très haute température dans une chambre de combustion, et finalement l'épuiser à des vitesses élevées. Comme ils fonctionnent, de petites particules inorganiques telles que les cendres volcaniques sont aspirées avec l'air. Ces particules fondent dans les zones à haute température de la chambre de combustion et se solidifient sur les zones plus froides du moteur telles que les aubes de turbine. Heures supplémentaires, ces gouttelettes se solidifient et s'accumulent à la surface de la turbine à gaz, déformer les aubes et boucher les trous de refroidissement, ce qui détériore les performances et la durée de vie du moteur.

Alors que le phénomène de dépôt est inévitable, prédire le processus peut aider les ingénieurs à développer et à modifier la conception des moteurs. L'un des principaux aspects du processus de dépôt consiste à déterminer comment les gouttelettes fondues se solidifient au contact d'une surface plus froide, et une simulation précise de ce processus est fondamentale pour comprendre le processus.

Dans une étude publiée dans le Journal international du transfert de chaleur et de masse , un groupe de scientifiques japonais a développé un modèle capable de simuler rapidement et avec précision la solidification d'une seule gouttelette en fusion sur une surface plane. Leur modèle ne nécessite aucune information préalable pour la configuration et peut être utilisé pour développer des modèles pouvant prédire le processus de dépôt dans les moteurs à réaction.

Le terme de recherche était composé du Dr Koji Fukudome et du professeur Makoto Yamamoto de l'Université des sciences de Tokyo, Dr Ken Yamamoto de l'Université d'Osaka, et le Dr Hiroya Mamori de l'Université d'électro-communications.

Contrairement aux modèles précédents qui supposaient que la surface était à température constante, la nouvelle approche simule le processus de solidification en tenant compte du comportement des gouttelettes et du transfert de chaleur entre la goutte la plus chaude et la surface la plus froide. "Nous avons simulé l'impact des gouttelettes, mais nous ne pouvions ignorer la différence avec l'expérience. Dans cette étude, nous avons pensé que la prise en compte du changement de température de la surface de la paroi en collision serait cohérente avec l'expérience, " explique le Dr Fukudome.

Pour avoir un modèle moins gourmand en calculs, les chercheurs ont opté pour une méthode semi-implicite (MPS) de particules mobiles sans maillage qui ne nécessitait pas plusieurs calculs sur chaque grille. La méthode MPS est basée sur les équations fondamentales de l'écoulement des fluides (telles que les équations de Navier-Stokes incompressibles et les équations de conservation du bilan massique) et a été largement utilisée pour simuler des écoulements complexes. Pendant ce temps, le changement de température à l'intérieur du substrat a été calculé en utilisant la méthode basée sur la grille, de sorte que nous avons utilisé la méthode de couplage des méthodes basées sur les particules et sur les grilles.

En utilisant cette approche, les chercheurs ont simulé la solidification de gouttelettes d'étain en fusion sur un substrat en acier inoxydable. Le modèle s'est relativement bien comporté et a pu reproduire le processus de solidification observé dans les expériences. Les simulations ont également fourni une vue approfondie du processus de solidification, mettant en évidence le comportement d'étalement et la répartition de la température de la goutte au contact de la surface solide.

Leurs simulations ont montré que la solidification dépend de l'épaisseur du film liquide qui s'est formé après le contact de la goutte en fusion avec la surface. La solidification commence à mesure que le film liquide se dilate à la surface et a été observée pour la première fois au bord du film liquide près de la surface. Au fur et à mesure que le film liquide s'étale et s'amincit, la solidification progresse jusqu'à ce que tout le film soit transformé en particules solides.

Ces résultats constituent une amélioration par rapport aux modèles de solidification actuels et l'équipe espère que leur approche actuelle pourra être utilisée pour construire des modèles de dépôt plus complexes. "Il n'y a pas de modèle universel pour prédire les dépôts. Par conséquent, lorsqu'on considère le dépôt d'une certaine gouttelette, un modèle est créé en menant des expériences à l'avance, et des prédictions numériques sont faites. Cette étude devrait être une pionnière dans le développement d'un modèle de dépôt universel, " remarque le Dr Fukudome.

Grâce à cette étude, les ingénieurs et les scientifiques peuvent mieux comprendre les phénomènes de dépôt complexes et les conceptions des moteurs à réaction peuvent être repensées pour être plus sûres et plus durables.