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Transport Processes in Snow and Ice Crystal Icing

Köbschall, Kilian (2023)
Transport Processes in Snow and Ice Crystal Icing.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024470
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Transport Processes in Snow and Ice Crystal Icing
Language: English
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette ; Trontin, Prof. Pierre
Date: 16 October 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 171 Seiten
Date of oral examination: 3 August 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024470
Abstract:

Icing caused by snow and ice crystals poses a serious threat in aviation. Ice crystals ingested into jet engines can partially melt, which facilitates the adhesion of the ice particles to engine components. The accumulated ice deteriorates engine performance and shedding of the accretion can extinguish the combustion or cause severe damage. Helicopters are particularly vulnerable to wet snow, which can clog the engine intake, reducing efficiency and potentially causing a flameout when shed into the engine. The associated physical phenomena are diverse and not yet completely understood. Therefore, the objective of this thesis is to provide insight into several key processes involved in snow and ice crystal icing.

In the first part of this thesis, transport processes of airborne snowflakes are studied. Numerical tools to predict icing require accurate models to determine the trajectory and liquid fraction of snowflakes, which is challenging due to their highly complex shape. To improve the estimation of the drag coefficient, an experimental study is performed using artificial snowflakes. Additionally, a theoretical model, based on the convex hull of the particle is developed. This model enables the estimation of three-dimensional descriptors from two-dimensional particle projections, which drastically reduces the required information to predict snowflake drag.

Experiments are conducted on the melting of laboratory-generated snowflakes. A theoretical model is proposed and validated by comparing the predicted size evolution and melting duration against experimental results. The novel model requires less empiricism than previous models and is able to account for different particle morphologies. The second part of this thesis considers the water transport in porous ice layers. First, imbibition into melting granular ice layers is investigated. A capacitive sensor is developed and utilized to characterize the space and time resolved liquid distribution during imbibition. Pore saturation is found to increase with decreasing porosity. Decreasing grain size and increasing volume flux due to melting result in a sharper decline in saturation.

Finally, a capacitive measurement instrument for the application in icing wind tunnels is developed. This novel instrument uncovers the liquid distribution in ice accretions, which was previously inaccessible in experimental studies. The conducted wind tunnel experiments reveal the relation between liquid fraction and growth rate of an ice layer.

The gained insights presented in the present thesis enable an enhanced prediction of snow and ice crystal icing and can thereby improve safety and efficiency in aviation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Vereisung durch Schnee- und Eiskristalle stellt in der Luftfahrt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Eiskristalle, die in Triebwerke eingesaugt werden, können teilweise schmelzen, wodurch das Anhaften der Eispartikel an Triebwerkskomponenten erleichtert wird. Auftretende Eisansammlungen verschlechtern die Triebwerksleistung und deren Ablösen kann die Verbrennung zum Erlöschen bringen oder schwere Schäden verursachen. Hubschrauber sind insbesondere durch nassen Schnee gefährdet, der den Triebwerkseinlass verstopfen kann, wodurch die Effizienz beeinträchtigt wird und es zu einem Flammabriss kommen kann, wenn das Eis in das Triebwerk gelangt. Die damit verbundenen physikalischen Phänomene sind vielfältig und noch nicht vollständig verstanden.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Einblick in mehrere entscheidende Prozesse zu geben, die an der Schnee- und Eiskristallvereisung beteiligt sind. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Transportprozesse von Schneeflocken in Luftströmungen untersucht.

Numerische Werkzeuge zur Vereisungsvorhersage erfordern genaue Modelle für die Berechnung der Trajektorie und des Flüssigkeitsanteils von Schneeflocken, was aufgrund deren komplexer Form eine Herausforderung darstellt. Um die Vorhersage des Widerstandsbeiwertes zu verbessern, wird eine experimentelle Studie mit künstlichen Schneeflocken durchgeführt. Zusätzlich wird ein theoretisches Modell entwickelt, das auf der konvexen Hülle des Partikels basiert. Dieses Modell ermöglicht die Schätzung dreidimensionaler Beschreibungsgrößen anhand zweidimensionaler Partikelprojektionen, wodurch die für die Vorhersage des Luftwiderstandes von Schneeflocken erforderlichen Informationen drastisch reduziert werden.

Das Schmelzen von im Labor erzeugten Schneeflocken wird experimentell untersucht. Ein theoretisches Modell wird vorgeschlagen und durch den Vergleich der vorhergesagten Größenentwicklung und Schmelzdauer mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Das neue Modell erfordert weniger Empirie als frühere Modelle und ist in der Lage, unterschiedliche Partikelmorphologien zu berücksichtigen.

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Wassertransports in porösen Eisschichten. Zunächst wird das Aufsaugen von Wasser in schmelzende granulare Eisschichten untersucht. Ein kapazitiver Sensor wird entwickelt und eingesetzt, um die räumlich und zeitlich aufgelöste Flüssigkeitsverteilung während des Prozesses zu charakterisieren. Es wird festgestellt, dass die Sättigung der Poren mit abnehmender Porosität ansteigt. Eine abnehmende Korngröße, sowie eine zunehmende, durch das Schmelzen bedingte Volumenstromdichte, führen zu einem steileren Abfall der Sättigung.

Schließlich wird ein kapazitives Messinstrument für den Einsatz in Vereisungswindkanälen entwickelt. Dieses neuentwickelte Instrument ermöglicht die Untersuchung der Flüssigkeitsverteilung in Eisanwüchsen, welche zuvor in experimentellen Untersuchungen nicht gemessen werden konnte. Die durchgeführten Windkanalversuche zeigen einen Zusammenhang zwischen dem Flüssigkeitsanteil einer anwachsenden Eisschicht und ihrer Wachstumsrate.

Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine verbesserte Vorhersage der Schnee- und Eiskristallvereisung und können so die Sicherheit und Effizienz in der Luftfahrt verbessern.

German
Uncontrolled Keywords: Aircraft Icing, Ice Crystal Icing, Snow, Snowflakes, Phase Change, Imbibition
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-244704
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
TU-Projects: EC/H2020|767560|MUSIC-haic
EC/H2020|824310|ICE GENESIS
Date Deposited: 16 Oct 2023 12:06
Last Modified: 04 Jul 2024 14:59
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24470
PPN: 512321116
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