Pengendapan partikel cair pada permukaan interior mesin jet dapat menyebabkan kerusakan yang signifikan dan menurunkan kinerja mesin. Sekarang, para ilmuwan dari Jepang berhasil mensimulasikan proses pemadatan tetesan cair saat menimpa permukaan datar yang lebih dingin. Pendekatan ini menggunakan metode mesh-less untuk secara akurat memprediksi penyebaran dan pemadatan tetesan dan berpotensi meningkatkan efisiensi turbin di masa depan.
Mesin turbin gas di pesawat memberikan daya dorong yang diperlukan dengan menghisap udara, memanaskannya hingga suhu yang sangat tinggi di ruang bakar, dan akhirnya menghabiskannya dengan kecepatan tinggi. Saat beroperasi, partikel anorganik kecil seperti abu vulkanik ikut tersedot bersama udara. Partikel-partikel ini meleleh di zona suhu tinggi di ruang bakar dan memadat ke zona yang lebih dingin di mesin seperti bilah turbin. Seiring waktu, tetesan ini mengeras dan menumpuk di permukaan turbin gas, mengubah bentuk bilah dan menghalangi lubang pendingin, yang menurunkan kinerja dan masa pakai mesin.
Meskipun fenomena pengendapan tidak dapat dihindari, memprediksi proses dapat membantu para insinyur mengembangkan dan memodifikasi desain mesin. Salah satu aspek utama dari proses pengendapan adalah menentukan bagaimana tetesan cair memadat dalam kontak dengan permukaan yang lebih dingin, dan simulasi yang akurat dari proses ini sangat penting untuk memahami proses.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Jurnal Internasional Perpindahan Panas dan Massa, sekelompok ilmuwan dari Jepang mengembangkan model yang dapat dengan cepat dan akurat mensimulasikan pemadatan satu tetesan cair pada permukaan datar. Model mereka tidak memerlukan informasi sebelumnya untuk penyetelan dan dapat digunakan untuk mengembangkan model yang dapat memprediksi proses pengendapan di mesin jet.
Istilah penelitian terdiri dari Dr. Koji Fukudome dan Prof. Makoto Yamamoto dari Tokyo University of Science, Dr. Ken Yamamoto dari Osaka University, dan Dr. Hiroya Mamori dari The University of Electro-Communications.
Tidak seperti model sebelumnya yang mengasumsikan permukaan berada pada suhu konstan, pendekatan baru mensimulasikan proses pemadatan dengan mempertimbangkan perilaku tetesan dan perpindahan panas antara tetesan yang lebih panas dan permukaan yang lebih dingin. “Kami telah mensimulasikan dampak tetesan, tetapi kami tidak dapat mengabaikan perbedaan dari percobaan. Dalam penelitian ini, kami berpikir bahwa memperhitungkan perubahan suhu permukaan dinding yang bertabrakan akan konsisten dengan percobaan”, jelas Dr. Fukudome.
Untuk memiliki model komputasi yang kurang intensif, para peneliti memilih metode semi-implisit partikel bergerak tanpa mesh (MPS) yang tidak memerlukan banyak perhitungan pada setiap grid. Metode MPS didasarkan pada persamaan dasar aliran fluida (seperti persamaan Navier-Stokes yang tidak dapat dimampatkan dan persamaan konservasi keseimbangan massa) dan telah banyak digunakan untuk mensimulasikan aliran kompleks. Sementara itu, perubahan suhu di dalam substrat dihitung menggunakan metode grid-based, sehingga kami menggunakan metode coupling baik metode berbasis partikel dan berbasis grid.
Dengan menggunakan pendekatan ini, para peneliti mensimulasikan pemadatan tetesan timah cair pada substrat baja tahan karat. Model ini berkinerja relatif baik dan mampu meniru proses solidifikasi yang diamati dalam eksperimen. Simulasi juga memberikan pandangan mendalam tentang proses pemadatan, menyoroti perilaku penyebaran dan distribusi suhu tetesan saat bersentuhan dengan permukaan padat.
Simulasi mereka menunjukkan bahwa pemadatan tergantung pada ketebalan film cair yang terbentuk setelah tetesan cair bersentuhan dengan permukaan. Pemadatan dimulai sebagai film cair mengembang di permukaan dan pertama kali diamati di tepi film cair dekat permukaan. Sebagai film cair terus menyebar dan menjadi lebih tipis, pemadatan berlangsung sampai seluruh film berubah menjadi partikel padat.
Temuan ini merupakan perbaikan pada model solidifikasi saat ini dan tim berharap pendekatan mereka saat ini dapat digunakan untuk membangun model deposisi yang lebih kompleks. “Tidak ada model universal untuk memprediksi deposisi. Oleh karena itu, ketika mempertimbangkan pengendapan tetesan tertentu, model dibuat dengan melakukan eksperimen terlebih dahulu, dan prediksi numerik dibuat. Kajian ini diharapkan dapat menjadi pionir dalam pengembangan model deposisi universal,” kata Dr. Fukudome.
Berkat penelitian ini, para insinyur dan ilmuwan dapat memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang fenomena deposisi kompleks dan desain mesin jet dapat dirancang ulang agar lebih aman dan tahan lama.
Sumber: Universitas Sains Tokyo
