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Investigation of the Impact and Melting Process of Ice Particles

Hauk, Tobias :
Investigation of the Impact and Melting Process of Ice Particles.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of the Impact and Melting Process of Ice Particles
Language: English
Abstract:

Since 2006, it is known that ice particles at high altitudes in the vicinity of deep convective clouds can pose a threat to aviation safety. When flying through regions containing ice particles, ice particles can fragment upon impact onto the aircraft’s engine and probe surfaces. These fragments can (partially) melt in the warm environment within the engine’s compressor or heated probe and can stick to warm surfaces (partially) covered with a water film. In such conditions, more incoming ice particles can cool down the surfaces and can cause significant ice accretion. Engine core or aircraft probe icing potentially leads to performance loss and false air data indications. Icing due to ice particles is a complex problem which includes ice particle impact onto dry and wet surfaces, particle melting, and ice accretion. Fundamental knowledge of the physical mechanisms governing these processes is limited. The physics are not yet fully understood and adequate models are very scarce. To advance the understanding and prediction of icing due to ice particles, several experimental and theoretical investigations were conducted in this work. To understand the physics of ice particle impact onto a dry surface better, impact experiments were conducted within an icing wind tunnel. Four different ice particle fragmentation modes were defined. Velocity scales and probability distributions for different fragmentation modes were successfully derived based on a model for the impact of semi-brittle spherical impactors onto a flat, rigid target. The restitution coefficients and post-impact angles of the fragments were observed to decrease with increasing particle diameter and impact velocity. The derived scaling laws agreed well with the restitution coefficients and post-impact angles of the fragments of large hail particles. To predict the melting process of ice particles with higher accuracy, melting experiments of suspended ice particles were conducted in a controlled airflow using an acoustic levitator. The melting processes of individual spherical and non-spherical ice particles were observed. A melting model for ice particles was introduced and adapted using two different approaches to approximate the particle surface area (i.e. the sphericity) of non-spherical ice particles. The model was successfully validated with spherical ice particles. The predicted melting times of non-spherical ice particles agreed very well with the experimental data. To expand the knowledge of ice particle impacts onto wetted surfaces, an experimental test apparatus was built which allowed the investigation of ice particle impacts onto a thin, controlled water film. The film thickness was between 130 and 600 µm. Sticking, bouncing, and fragmentation impacts of spherical ice particles were observed. It was determined that ice particles can impact a thin water film with nearly double velocity – compared to a dry wall – before fragmentation occurs. The mechanisms initiating ice accretion on a surface in a stream of fully frozen ice particles were experimentally observed on a microscale level. It was determined that target surface temperatures above freezing generated meltwater droplets by melting tiny ice fragments which deposited on the warm surface. These droplets allowed larger ice particles to stick to the surface due to capillary forces, potentially resulting in macroscopic ice accretion. It was also observed that meltwater covering partially melted ice particles can deposit on the target surface upon impact and initiate ice accretion as well. The investigations conducted in this thesis allow a better prediction of the fragmentation modes of ice particles upon impact onto dry and wet surfaces. The knowledge of the initial post-impact trajectories of the fragments allows a better prediction of particles’ and fragments’ trajectories and so of potential ice accretion locations within aircraft engines and probes. Applying the melting model for ice particles, the melt ratios of the ice particles upon impact - which determine icing severity - can be calculated more accurately. The main mechanisms which initiate ice accretion were identified, allowing for an efficient search for adequate countermeasures, like using superhydrophic, smooth surfaces, to reduce or delay ice accretion in future engines or probes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Seit 2006 ist bekannt, dass Eispartikel in großen Höhen, die in der Nähe von Gewitterwolken vorkommen, eine Gefahr für die Sicherheit des Luftverkehrs darstellen können. Während des Fluges durch solche Eispartikelregionen können die Eispartikel durch den Aufprall auf Oberflächen der Triebwerke oder Messsonden fragmentieren. Diese Fragmente können in der warmen Umgebung des Verdichters oder der beheizten Messsonden (partiell) schmelzen und können an warmen Oberflächen, die (partiell) von einem Wasserfilm bedeckt sind, anhaften. Unter diesen Bedingungen können weitere ankommende Eispartikel die Oberflächen abkühlen, was zu signifikanten Eisanlagerungen führen kann. Vereisungen im Kern des Triebwerks bzw. der Messsonden kann zu Leistungseinbußen sowie zur falschen Anzeige von Flugdaten führen. Die Vereisung aufgrund von Eispartikeln ist ein komplexes Problem, welches den Aufschlagsprozess von Eispartikeln auf trockenen und mit Wasser benetzten Oberflächen, den Schmelzprozess von Eispartikeln sowie das Zustandekommen des Eisansatzes beinhaltet. Das Grundlagenwissen zu den physikalischen Mechanismen, die diese Prozesse beherrschen, ist sehr limitiert. Die relevante Physik ist noch nicht vollständig verstanden und geeignete Modelle sind kaum vorhanden. Um das Verständnis sowie die Vorhersage der Vereisung aufgrund von Eispartikeln zu verbessern, wurden mehrere experimentelle und theoretische Untersuchungen in dieser Arbeit durchgeführt. Um die Physik des Aufpralls von Eispartikeln auf trockenen Oberflächen besser verstehen zu können, wurden Aufprallexperimente mit Hilfe eines Eiswindkanals durchgeführt. Vier verschiedene Fragmentierungsmodi wurden definiert. Eine Skalierung für die Geschwindigkeit sowie Wahrscheinlichkeitsverteilungen für verschiedene Fragmentierungsmodi wurden erfolgreich hergeleitet. Dafür wurde ein Modell verwendet, das den Aufschlag eines halbspröden, kugelförmigen Stoßkörpers auf eine ebene, starre Wand beschreibt. Die Stoßzahlen sowie die Winkel der Fragmente nach dem Aufprall wurden mit zunehmendem Partikeldurchmesser und zunehmender Aufprallgeschwindigkeit kleiner. Die hergeleiteten Skalierungsgesetze stimmten gut mit den Stoßzahlen und den Winkeln der Fragmente nach dem Aufprall von großen Hagelpartikeln überein. Um den Schmelzprozess von Eispartikeln mit höherer Genauigkeit vorhersagen zu können, wurden Schmelzexperimente mit freischwebenden Eispartikeln in einer kontrollierten Luftströmung durchgeführt. Dazu wurde ein akustischer Levitator verwendet. Das Schmelzen einzelner kugelförmiger und nicht-kugelförmiger Eispartikel wurde beobachtet. Ein Modell, welches den Schmelzvorgang von Eispartikeln beschreibt, wurde vorgestellt. Dieses wurde auf zwei verschiedene Arten angepasst um die Partikeloberfläche (d.h. die Sphärizität) eines nicht-kugelförmigen Eispartikels zu approximieren. Das Modell wurde mit Hilfe von kugelförmigen Eispartikeln erfolgreiche validiert. Die vorhergesagten Schmelzzeiten der nicht-kugelförmigen Eispartikel stimmten sehr gut mit den experimentell gewonnenen Schmelzzeiten überein. Um das Wissen bezüglich des Aufpralls von Eispartikeln auf benetzten Oberflächen zu erweitern, wurde ein experimenteller Versuchsaufbau geschaffen, der die Untersuchung von Eispartikelaufprallprozessen auf einem dünnen, kontrollierten Wasserfilm erlaubt. Die Dicke des Films lag zwischen 130 und 600 µm. Aufprallprozesse von kugelförmigen Eispartikeln wurden beobachtet, die ein Anhaften, Abspringen oder Fragmentieren des Eispartikels zeigten. Es wurde festgestellt, dass Eispartikel mit der doppelten Geschwindigkeit auf einem dünnen Wasserfilm aufprallen können im Vergleich zum Aufprall auf einer trockenen Wand , ohne dass diese fragmentieren. Die Mechanismen, die Eiswachstum auf einer Oberfläche, die einem Strom von gänzlich gefrorenen Eispartikeln ausgesetzt ist, initiieren, wurden experimentell mit einer hohen Auflösung von wenigen Mikrometern pro Pixel beobachtet. Es wurde festgestellt, dass sich auf einer warmen Wand, die Temperaturen über 0 °C aufwies, kleine Schmelzwassertröpfchen bildeten, die durch das Schmelzen winziger abgelagerter Eisfragmente zustande kamen. Diese Tröpfchen erlaubten größeren Eispartikeln das Anhaften an der Oberfläche durch Kapillarkräfte, was potentiell zu einem makroskopischen Eisansatz führen kann. Es wurde auch beobachtet, dass sich Schmelzwasser, welches partiell geschmolzene Eispartikel umgibt, beim Aufprall auf Oberflächen ablagern kann und ebenso Eiswachstum initiieren kann. Die in dieser Arbeit unternommenen Untersuchungen erlauben eine bessere Vorhersage der Fragmentierungsmodi von Eispartikeln beim Aufprall auf trockene und benetzte Oberflächen. Die Kenntnis der anfänglichen Trajektorien der Fragmente nach dem Aufprall erlauben eine bessere Vorhersage der Partikel- und Fragmenttrajektorien und damit eine bessere Vorhersage der Orte innerhalb von Flugzeugtriebwerken und –sonden, wo Eiswachstum stattfinden kann. Durch die Anwendung des Schmelzmodells für Eispartikel kann das Schmelzverhältnis der Eispartikel zum Zeitpunkt des Aufpralls genauer berechnet werden. Dies ermöglicht eine bessere Einschätzung des Schweregrads der Vereisung. Die hauptsächlichen Mechanismen, die Eiswachstum initiieren, wurden identifiziert. Dies erlaubt eine effiziente Suche nach adäquaten Gegenmaßnahmen, wie die Anwendung von superhydrophoben, glatten Oberflächen um das Eiswachstum in zukünftigen Triebwerken und Sonden zu reduzieren oder hinauszuzögern.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Melting, Impact, Ice Particles, Ice Crystal Icing, Ice Accretion, Engine Icing, Wet Film Impact
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Schmelzen, Aufschlag, Eispartikel, Eispartikelvereisung, Eiswachstum, Triebwerksvereisung, FlüßigfilmaufschlagGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 18 Feb 2016 07:25
Last Modified: 04 Mar 2016 14:30
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52802
Additional Information:

This PhD thesis was submitted to ULB for electronic publication.

Additional Information:

This PhD thesis was submitted to ULB for electronic publication.

Referees: Tropea, Prof. Cameron and Roisman, PD Dr. Ilia and Villedieu, Prof. Philippe
Refereed: 26 January 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5280
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