Os motores de turbina a gás em aviões fornecem o empuxo necessário sugando o ar, aquecê-lo a temperaturas muito altas em uma câmara de combustão, e finalmente exaurindo-o em altas velocidades. Como eles operam, pequenas partículas inorgânicas, como cinzas vulcânicas, são sugadas junto com o ar. Essas partículas derretem nas zonas de alta temperatura na câmara de combustão e se solidificam nas zonas mais frias do motor, como as lâminas da turbina. Hora extra, essas gotículas se solidificam e se acumulam na superfície da turbina a gás, deformando as lâminas e bloqueando os orifícios de resfriamento, o que deteriora o desempenho e a vida útil do motor.

Embora o fenômeno de deposição seja inevitável, prever o processo pode ajudar os engenheiros a desenvolver e modificar projetos de motores. Um dos principais aspectos do processo de deposição é determinar como as gotículas derretidas se solidificam em contato com uma superfície mais fria, e uma simulação precisa desse processo é fundamental para a compreensão do processo.

Em um estudo publicado no Jornal Internacional de Transferência de Calor e Massa , um grupo de cientistas do Japão desenvolveu um modelo que pode simular com rapidez e precisão a solidificação de uma única gota derretida em uma superfície plana. Seu modelo não requer nenhuma informação prévia para configuração e pode ser usado para desenvolver modelos que podem prever o processo de deposição em motores a jato.

O termo de pesquisa consistiu do Dr. Koji Fukudome e do Prof. Makoto Yamamoto da Universidade de Ciência de Tóquio, Dr. Ken Yamamoto, da Universidade de Osaka, e a Dra. Hiroya Mamori da Universidade de Electro-Communications.

Ao contrário dos modelos anteriores, que presumiam que a superfície estava a uma temperatura constante, a nova abordagem simula o processo de solidificação considerando o comportamento da gota e a transferência de calor entre a gota mais quente e a superfície mais fria. "Temos simulado o impacto da gota, mas não podíamos ignorar a diferença do experimento. Neste estudo, pensamos que levar em consideração a mudança de temperatura da superfície da parede de colisão seria consistente com o experimento, "explica o Dr. Fukudome.

Para ter um modelo menos intensivo em computação, os pesquisadores optaram por um método semi-implícito de partículas móveis sem malha (MPS) que não exigia cálculos múltiplos em cada grade. O método MPS é baseado em equações fundamentais de escoamento de fluidos (como as equações incompressíveis de Navier-Stokes e equações de conservação de balanço de massa) e tem sido amplamente utilizado para simular escoamentos complexos. Enquanto isso, a mudança de temperatura dentro do substrato foi calculada usando o método baseado em grade, de modo que usamos o método de acoplamento de ambos os métodos baseados em partículas e baseados em grade.

Usando essa abordagem, os pesquisadores simularam a solidificação de gotículas de estanho derretido em um substrato de aço inoxidável. O modelo teve um desempenho relativamente bom e foi capaz de replicar o processo de solidificação observado nos experimentos. As simulações também forneceram uma visão aprofundada do processo de solidificação, destacando o comportamento de espalhamento e a distribuição de temperatura da gota quando ela entra em contato com a superfície sólida.

Suas simulações mostraram que a solidificação depende da espessura do filme líquido que se formou após a gota derretida entrar em contato com a superfície. A solidificação inicia à medida que o filme líquido se expande na superfície e foi observada pela primeira vez na borda do filme líquido próximo à superfície. À medida que o filme líquido continua a se espalhar e se tornar mais fino, a solidificação progride até que todo o filme se transforme em partículas sólidas.

Essas descobertas são uma melhoria nos modelos de solidificação atuais e a equipe está esperançosa de que sua abordagem atual possa ser usada para construir modelos de deposição mais complexos. “Não existe um modelo universal de previsão de deposições. Portanto, ao considerar a deposição de uma determinada gota, um modelo é criado conduzindo experimentos com antecedência, e previsões numéricas são feitas. Espera-se que este estudo seja um pioneiro no desenvolvimento de um modelo de deposição universal, "Dr. Fukudome comenta.

Graças a este estudo, engenheiros e cientistas podem obter uma melhor compreensão dos complexos fenômenos de deposição e os projetos de motores a jato podem ser reprojetados para serem mais seguros e duradouros.