Análise teórico-experimental do processo de deposição de vapor d'agua em janelas de aeronaves

Abstract

Aeronaves executivas voam em cruzeiro a aproximadamente 45 000 pés de altitude, o que significa temperaturas e pressões externas respectivamente da ordem de -60°C e 0,2 atm. O interior da aeronave, no entanto, é mantido em aproximadamente 22°C e 0,8 atm. As janelas da aeronave, portanto, são expostas a uma elevada taxa de transferência de calor, o que faz com que as lâminas mais externas se tornem frias. Dessa forma, o ar interno, mais quente e úmido, passa através do orifício de equalização de pressão e entra em contato com as lâminas frias, formando condensado, gelo e geada. Quanto mais visível esse processo, maior a percepção do usuário e pior para o fabricante da aeronave. Nesse trabalho estudou-se o processo de deposição de vapor d?água sobre janelas de aeronaves, com o intuito de gerar referências fenomenológicas para subsidiar o desenvolvimento de soluções passivas. Na frente numérica, desenvolveu-se i) um modelo unidimensional para prever o processo de mudança de fase sobre lâminas de janelas; ii) um modelo bidimensional para estimar a distribuição de temperatura em lâminas de janelas; iii) um modelo tridimensional também para estimar a distribuição de temperatura em lâminas de janelas; e iv) um modelo bidimensional para estimar o diâmetro e a posição das gotas formadas sobre superfícies com ângulo de contato não nulo. Além disso, propôs-se um Mapa de Processos de Mudança de Fase, específico para janelas de aeronaves. Na frente experimental, desenvolveu-se uma bancada experimental para reproduzir as condições psicrométricas de voo em solo. Além de reproduzir as condições de operação, o aparato permite o controle, medição e visualização dos parâmetros de interesse. Experimentos de apoio foram também realizados para medir o ângulo de contato, calor específico, propriedades ópticas, rugosidade, condutividade térmica, densidade dos materiais das janelas e teor de umidade, além de uma análise modal completa. Os resultados experimentais foram comparados com a previsões dos modelos matemáticos, obtendo-se um razoável nível de concordância em todos os casos. As previsões matemáticas foram ainda comparadas com resultados experimentais obtidos durante um voo instrumentado, obtendo-se também um razoável nível de concordância. Modelos e experimentos são únicos na literatura e representam uma contribuição significativa para o setor aeronáutico do Brasil e do exterior.

Abstract : Executive jets fly at a cruising altitude of around 45 000 feet, which means external temperature and pressure of approximately -60 °C and 0.2 atm, respectively. The interior of the aircraft, however, is maintained at approximately 22 °C and 0.8 atm. The windows of the aircraft, therefore, are exposed to a high rate of heat transfer, which causes the outermost blades to become cold. In this way, the internal air, hotter and more humid, passes through the breather hole and comes in contact with the cold blades, forming condensate, ice and frost. The more visible this process is, the greater the user's perception and the worse for the aircraft manufacturer. In this work, the process of water vapor deposition on aircraft windows was studied with the purpose of generating phenomenological references to subsidize the development of passive solutions. On the numerical front, i) a one-dimensional model to predict the phase change process on window blades; ii) a two-dimensional model to estimate the temperature distribution on window blades; iii) a three-dimensional model also to estimate the temperature distribution on window blades; and iv) a two-dimensional model to estimate the diameter and position of droplets formed on surfaces with non-zero contact angle, were developed. In addition, a Phase Change Process Map, specific to aircraft windows, was proposed. On the experimental front, an experimental bench was developed to reproduce in land the psychometric flight conditions. In addition to reproducing the operating conditions, the apparatus allows the control, measurement and visualization of the parameters of interest. Supporting experiments were also carried out to measure the contact angle, specific heat, optical properties, roughness, thermal conductivity, density of window materials and moisture content, as well as a complete modal analysis. The experimental results were compared with the predictions of the mathematical models, obtaining a reasonable level of agreement in all the cases. The mathematical predictions were also compared with experimental results obtained during an instrumented flight, also obtaining a reasonable level of agreement. Models and experiments are unique in the literature and represent a significant contribution to the aeronautical sector in Brazil and abroad.