Experimental Investigation of Ice Crystal Icing Physics on Heated Substrates

Beschreibung

Die Vereisung von Eiskristallen stellt eine ernsthafte Gefahr in der Luftfahrt dar, da sie zu einer Verschlechterung der Aerodynamik, Flugsicherheit und Kontrollierbarkeit führt. Bestehende Radartechnologien und numerische 3D-Tools bieten nur unzureichende Möglichkeiten zur Einschätzung der Schwere der Vereisung und zur frühzeitigen Erkennung von Vereisungsereignissen. Um dieser Herausforderung zu begegnen und die Vorhersagefähigkeit numerischer Werkzeuge zu verbessern, wurden in dieser Arbeit eine Reihe fortschrittlicher experimenteller Untersuchungen durchgeführt, um ergänzende experimentelle Daten für die Entwicklung, Kalibrierung und Validierung numerischer Vereisungsmodelle bereitzustellen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem besseren Verständnis der Physik der Eiskristallvereisung auf beheizbaren Substraten und der Bereitstellung umfassender experimenteller Datensätze für präzisere Vorhersagewerkzeuge. Dafür wurden einzelne Teilprozesse der Eiskristallvereisung untersucht und die Ereigniskette, die für das Wachstum und Ablösen von Eiskristallen verantwortlich ist, detailliert analysiert. Vor allem wurde die Entstehung und der Beginn der Eiskristallbildung auf einem speziellen beheizbaren Prüfkörper mit bildgebender Hochgeschwindigkeitsmesstechnik untersucht. Die Ergebnisse bieten interessante Einblicke in die Initialphase der Eisbildung und zeigen die verschiedenen Teilstadien, die zur Adhäsion einer voll entwickelten Eisschicht auf einem beheizten Substrat führen. Die Identifizierung von halbgefrorenen Partikeln mit gemischter Phasenzusammensetzung an der Grenzfläche führte zur Entwicklung eines verbesserten numerischen Modells, das den Prozess der Eiskristallbildung genauer und repräsentativer abbildet als bestehende Modelle. Um den Wärmeübergang zwischen den vergletscherten Eiskristallen und dem erhitzten Substrat besser zu verstehen, wurde ein detaillierter Prüfkörper und ein neuartiger Versuchsaufbau entwickelt. Dies ermöglichte die Analyse der thermischen Entwicklung infolge des Auftreffens der Eiswolke und führte zu einem verbesserten Verständnis der Wärmeübertragungsphysik unter verschiedenen experimentellen Bedingungen bei der Eiskristallvereisung. Für die Weiterentwicklung bestehender numerischer Modelle sind quantifizierte Daten zur Initiierungszeit, zum Eiskristallwachstum, zu Eisformen und Eisabwurf von entscheidender Bedeutung. Daher wurde eine detaillierte quantitative Analyse des Eiskristallwachstums und des Ablösungsprozesses durchgeführt. Hierfür wurde ein beheizbarer, stromlinienförmiger Flügel mit entsprechenden Sensoren entwickelt. Es wurde eine umfassende parametrische Studie durchgeführt, bei der der Fokus auf den steuernden Parametern der Eiskristallakkretion lag, wie z. B. dem Wärmefluss des Substrats, der Feuchtkugeltemperatur, dem Eiswassergehalt, der Strömungsgeschwindigkeit und dem Anstellwinkel des Prüfkörpers. Ein eigener code zu Vereisungsdetektion wurde entwickelt, um die experimentellen Datensätze, die mit der Shadowgraphie-Technik gewonnen wurden, rigoros nachzubearbeiten und quantifizierte Daten zum Eiswachstum zu liefern. Die Ergebnisse dieser fortschrittlichen experimentellen Messkampagnen halfen bei der Charakterisierung der Eiskristallbildung und des Ablösungsprozesses sowie bei der Kalibrierung und Validierung von numerischen Werkzeugen basierend auf quantifizierten Daten zur Eiskristallvereisung. Um die Schwellenwerte für die Eiskristallfragmentierung vorherzusagen, die durch den Aufprall von Eiskristallen auf kalte und erhitzte Oberflächen entstehen, wurde ein Klassifizierungsalgorithmus für neuronale Netze auf Basis von maschinellem Lernen entwickelt. Dieser Algorithmus lieferte im Vergleich zu bestehenden Eiskristallfragmentierungsmodellen ein ausgewogeneres und genaueres Model für verschiedene Fragmentierungsmodi. Durch die Berechnung der Bedeutungswerte der Merkmale ebnete das neuronale Netzwerkmodell den Weg für eine parametrische Reduktion und ermöglichte die Darstellung einer dimensionslosen Zahl. Diese dimensionslose Zahl ist in der Lage, die Fragmentierungswahrscheinlichkeit für verschiedene Fragmentierungsmodi linear zu trennen und hat das Potenzial zur Anwendung in Vereisungssimulationen. Darüber hinaus wurde eine Festigkeitscharakterisierung poröser granularer Eisschichten durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften dieser Schichten zu ermitteln. Dazu wurden fortschrittliche Messgeräte wie ein Partikelschießgerät und ein Eisschichtscanner verwendet, um die Zähigkeit der in den Vereisungswindkanälen erzeugten Eisschichten zu bewerten. Die resultierenden Kratertiefen wurden in Abhängigkeit von den Aufprallgeschwindigkeiten für matschige und vereiste Eisschichten analysiert. Die Ergebnisse und Erkenntnisse der Festigkeitsprüfung von Eisschichten lieferten eine solide Grundlage für die Entwicklung eines physikalisch basierten Erosionsmodells. Schließlich wurde eine spezielle experimentelle Untersuchung durchgeführt, um die Modellierung der Effizienz der Eiskristallanhaftung zu verbessern. Hierfür wurden umfangreiche Datensätze über den volumetrischen Flüssigkeitsanteil, die Eisdicke, die Porosität und die Sättigung der Eiskristallschichten mittels Kalorimetrie, Stereoskopie und kapazitiver Sensortechnik gewonnen. Die resultierenden Datensätze dienen als solide Grundlage für eine genaue und zuverlässige Modellierung von Eiskristallvereisung und Ablösungsphänomenen. Die gesammelte experimentelle Datenbasis, die während dieser Arbeit gewonnen wurde, wurde zur Entwicklung, Kalibrierung und Validierung numerischer Werkzeuge bei ONERA, CIRA und GE Aerospace genutzt.

Autor*in

Yasir Ahmed Malik

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Aircraft Icing Icing Physics Heat Transfer Physics Multiphase Flows Ice Crystal Accretion & Shedding

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