Hail ingestion in aero engines (analysis and physical modeling)

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ερευνάται το φαινόμενο της εισρόφησης χαλαζιού σε αεροπορικούς κινητήρες. Η εισρόφηση χαλαζιού είναι μία κατάσταση που αντιμετωπίζουν τα αεροσκάφη πετώντας σε δυσμενής καιρικές συνθήκες και χαρακτηρίζεται απο τη μαζική εισροή στοιχείων πάγου στον αγωγό εισόδου της μηχανής. Η ανάλυση ξεκινά με μία εισαγωγή στο φαινόμενο και τις συνέπειες που σχετίζονται με αυτό. Στη συνέχεια μελετώνται τα στάνταρ πιστοποίησης που έχουν θεσμοθετηθεί καθώς επίσης και η συνήθης μορφή εμφάνισης του χαλαζιού στην ατμόσφαιρα με τις θερμικές και μηχανικές του ιδιότητες. Ακολουθεί μία θερμική ανάλυση της υγροποίησης του χαλαζιού απο ένα υψηλής θερμοκρασίας ρεύμα αέρα. Η ανάλυση καταλήγει στη διατύπωση ενός μοντέλου ικανού να περιγράψει την ταυτόχρονη υγροποίηση και ατμοποίηση των στοιχείων πάγου μέσα σε μία αεροπορική μηχανή. Ένα μοντέλο κρούσης και ένα μοντέλο κίνησης δημιουργούνται επίσης για τη μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης του χαλαζιού με το ρεύμα αέρα και τις επιφάνειες εντός της μηχανής. Τέλος πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση για τον προσδιορισμό των παραγόντων που επηρεάζουν τη λειτουργία της μηχανής περισσότερο έτσι ώστε να παρακολουθούνται σε ενδεχόμενη λειτουργία υπο συνθήκες χαλαζοεισρόφησης.

This diploma thesis investigates the effect of hail ingestion in aero engines. Hail ingestion is the situation that aircrafts encounter when flying in severe weather conditions and denotes the massive flow of ice particles into the engine's inlet. The investigation begins with a brief introduction to the phenomenon and the consequences related to it. The hail certification standards are also discussed along with the usual appearance of hail in the atmosphere and the mechanical and thermal properties of ice. A thermal analysis follows considering the melting of hailstones affected by a relative and high temperature gas stream. The analysis concludes with a physical model formed to describe the simultaneous melting and evaporation of ice particles inside the aero engine. An impact model and a motion model are also formed in the same manner in order to model the mechanical interaction between the hailstones, the airflow and the surfaces of the engine. Finally, a parametric analysis is performed to indicate the factors that affect the engine's operation most and to be monitored in any hail ingestion situation.