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Hydrodynamics and Thermodynamics of Ice Particle Accretion

Kintea, Daniel Martin :
Hydrodynamics and Thermodynamics of Ice Particle Accretion.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Hydrodynamics and Thermodynamics of Ice Particle Accretion
Language: English
Abstract:

Icing in warm environments, e.g. in aircraft engines or heated measurement probes, occurs if airplanes fly through areas with high amounts of atmospheric ice crystals. Ingested into the warm engine, they start to melt, resulting in an airflow laden with mixed-phase particles consisting of water and ice. Liquid water deposits on component surfaces, which enables ice particles to adhere to them, forming ice accretion of considerable thickness. Such an accretion reduces reliability, power and efficiency of the engine and impedes the function of probes. While light icing reduces the aircraft’s economic viability and environmental-friendliness by increasing fuel consumption, it may lead to engine failure and damage as well as probe malfunction in severe cases, which threatens aircraft safety significantly. The aviation industry is highly interested in eliminating this problem and in developing accurate ice accretion models. As the comprehension of the underlying physics is still rudimentary, the accuracy of current prediction tools is rather limited. The goal of this work is to investigate the physical mechanisms leading to ice accretion by developing theoretical models and the implementation of them in numerical codes. Within the scope of this work, three main phenomena related to the process of ice crystal accretion are studied: the melting of non-spherical particles, the impact of small particles on a liquid surface and the accretion and shedding of ice layers. In order to investigate the particle melting, a theoretical model is developed based on an approximation of the particle shape as a spheroid. Due to capillary forces, the arising meltwater is presumed to accumulate in the particle mid-section, where the curvature is minimal. Numerically realized with a Level-Set approach, the model is able to predict the evolution of the shape of the melting particle and the time of its melting with high accuracy. It yields results which confirm the model’s superiority over currently employed melting models. The particle impact onto a liquid surface is studied numerically. In addition to pressure and viscous forces acting on the particle, capillary forces arising in the three phase contact line are taken into account by the Finite-Volume algorithm. An appropriate mesh motion allows for the movement of the particle which constitutes a boundary on the domain while the liquid-gaseous interface is accounted for by a Volume-of-Fluid method. The code accurately predicts the impact behavior of high Weber number processes as well as of low Weber impacts in which surface tension and the contact line force resulting from it prevails. By means of data obtained with the algorithm and a dimensional analysis, a simple correlation is found which is able to predict whether particles stick or rebound. Investigation of the behavior of accreted ice layers is carried out using two approaches. In the first approach, a detailed three-dimensional thermal model which resolves ice particles and liquid droplets is developed. It demonstrates that a porous ice/water layer behaves differently than solid ice. Theoretical modeling of the effective thermal properties and accounting for the transport of heat and mass in the ice layer is the basis of the second approach. It yields a numerical algorithm which efficiently predicts the composition of the accretion, which is then utilized to anticipate the instant of ice plate shedding. The obtained results agree very well with experimental data.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Vereisung in warmen Umgebungen, bspw. in Flugtriebwerken oder beheizten Messsonden, tritt auf, wenn Flugzeuge durch Gebiete mit hoher Konzentration von atmosphärischen Eiskristallen fliegen. Beim Eintreten in das warme Triebwerk beginnen diese zu schmelzen; es entsteht eine Luftströmung beladen mit Wasser und Eispartikeln. Das flüssige Wasser sammelt sich auf Bauteiloberflächen und erlaubt es den Eispartikeln, an diesen anzuhaften. Dieser Prozess führt zur Bildung von Eisschichten signifikanter Dicke. Solche Partikelansammlungen reduzieren die Zuverlässigkeit, Leistung und Effizienz des Triebwerks und behindern die Funktion von Messsonden. Während leichte Vereisung die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit durch Erhöhung des Brennstoffverbrauchs reduziert, führt schwere Vereisung zum Triebwerksausfall und -beschädigung und zum Versagen von Sonden, was die Flugsicherheit signifikant beeinträchtigt. Daher ist die Luftfahrtindustrie sehr daran interessiert, dieses Problem zu eliminieren und präzise Modelle für die Vereisung zu entwickeln. Da das Verständnis der zu Grunde liegenden Physik nur rudimentär ist, ist die Genauigkeit heutiger Vorhersagen durch theoretische Modelle oder Simulationen stark beschränkt. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der physikalischen Mechanismen, die zur Vereisung führen durch die Entwicklung theoretischer Modelle und deren Implementierung in numerische Algorithmen. Drei wesentliche Phänomene, die zur Bildung von Eispartikelansammlungen führen, sind im Rahmen dieser Arbeit untersucht worden: das Schmelzen nicht-kugelförmiger Partikel, der Aufprall von kleinen Partikeln auf eine Flüssigkeitsoberfläche und das Verhalten von Eiskristallansammlungen und deren Abbrechen von Oberflächen. Zur Untersuchung des Partikelschmelzens erfolgt eine theoretische Modellierung des Vorgangs, beruhend auf der Annahme, dass das Partikel vor Beginn des Schmelzvorgangs eine rotationsellipsoide Form hat. Aufgrund von kapillarem Druck sammelt sich das entstehende Schmelzwasser in der Mitte des Partikels, wo dessen Oberflächenkrümmung minimal ist. Der mittels Level-Set Methode umgesetzte Algorithmus ist in der Lage die Entwicklung der Form des schmelzenden Partikels und die Dauer des Schmelzvorgangs mit großer Genauigkeit vorherzusagen. Es liefert Ergebnisse, die die Überlegenheit des Modells gegenüber heutigen Schmelzmodellen demonstrieren. Die Untersuchung des Aufpralls eines Partikels auf eine flüssige Oberfläche erfolgt numerisch. Zusätzlich zu den viskosen- und Druckkräften die auf das Partikel wirken, wird die kapillare Kraft, die in der Dreiphasenkontaktlinie entsteht, von dem Finite-Volumen Algorithmus berücksichtigt. Eine geeignete Gitterbewegung erlaubt die Bewegung des Partikels, dessen Oberfläche eine Berandung der Domäne darstellt. Die Grenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase ist mit Hilfe einer Volume-of-Fluid Methode berücksichtigt. Der Code liefert eine präzise Vorhersage des Aufprallvorgangs bei hohen Weberzahlen sowie bei niedrigen, bei denen die Oberflächenspannung und die Kontaktlinienkraft, die daraus resultiert, dominieren. Anhand der gesammelten Daten und einer Dimensionsanalyse wurde eine einfache Korrelation gefunden, mit der es möglich ist vorherzusagen ob ein Partikel anhaftet oder abprallt. Die Analyse des Eisschichtverhaltens erfolgt anhand zweier Vorgehensweisen. Eine Entwicklung eines detaillierten, dreidimensionalen, thermischen Modells, in dem die Eispartikel und Flüssigkeitstropfen numerisch aufgelöst sind, stellt die erste Herangehensweise dar. Es zeigt, dass eine poröse Eis-Wasser-Schicht sich deutlich verschieden von einer massiven Eisschicht verhält. Theoretisches Modellieren des effektiven thermischen Verhaltens und die Berücksichtigung von Transportprozessen von Wärme und Stoff in der Eisschicht stellt die Grundlage der zweiten Vorgehensweise dar. Es liefert einen numerischen Algorithmus, der die Zusammensetzung der Schicht und damit deren Ablösung effizient beschreibt. Die erzielten Ergebnisse stimmen sehr gut mit experimentellen Beobachtungen überein.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 17 May 2016 07:04
Last Modified: 17 May 2016 07:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54521
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Roisman, Dr. habil. Ilia and Stephan, Prof. Dr. Peter
Refereed: 27 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5452
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