Hydrodynamics of Supercooled Drops Encountering Solidification at Various Moments of Impact

Icing of surfaces is a hazard to numerous technical applications like aircraft, wind turbines, ships and power lines exposed to cold environments. Ice accretion on crucial parts can lead to significant decrease in efficiency, unpredictable limitation of function or complete failure. Particularly threatening icing scenarios often involve the impact of supercooled large water drops. Being in an initially meta-stable liquid state, their solidification exhibits a dynamic stage involving fast propagation of dendrites in their bulk. The interaction of dendrites with the fluid flow of a drop impact represents a complex problem which is to date not fully understood. This dissertation is devoted to gaining insight into the underlying physics of the impact of a supercooled large drop onto a cold solid surface superimposed by an impinging cold air flow. Focus lies on the onset of solidification at various times of the impact which relates to different stages of an ice layer growing on a surface. For experimental investigations, an icing wind tunnel was designed, built and commissioned in the course of this thesis. It facilitates experiments of single supercooled large drops of different sizes impacting onto solid surfaces with controlled variation of drop temperature, impact velocity and speed of the superimposing air flow. Investigations involve the impact of supercooled liquid drops which develop a corona splash upon impact. The splash extent and remaining fluid on the surface is connected to an existing theoretical model considering the onset of splashing. A superimposed air flow entails a deformation of the drops before impact which is incorporated in the splashing model and also in a semi-empirical approach, aiming for estimation of the maximum spreading diameter. Moreover, the impact of drops on a flat ice surface is investigated, which is characterized by an early onset of freezing. A vital influence of the fluid supercooling, i.e. the dendrite propagation velocity, is quantified and a modified model for estimation of the spreading diameter of the frozen drop is introduced. Furthermore, the impact of drops experiencing nucleation before impact is investigated. The impact behaviour of such partially frozen drops has never been investigated before and the adaption of a plasticity flow model enabled the quantification of rheological properties of this mixed phase. The findings of this work contribute to a deeper understanding of the physics involved in the fluid flow and its interaction with the dynamic solidification arising upon impact of single supercooled drops. The adapted models, empirical approaches and quantified properties can ultimately be employed to improve numerical models aimed at the prediction of ice accretion on technical surfaces

Vereisung von Oberflächen stellt eine Gefahr dar für zahlreiche technische Anwendungen, wie Luftfahrzeuge, Windturbinen, Schiffe und Oberleitungen, die kalten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Eisansammlungen auf wesentlichen Komponenten einzelner Anwendungen können zu erheblicher Reduzierung der Effizienz, unvorhersehbaren Einschränkungen von Funktionen bis hin zu totalem Betriebsausfall führen. Besonders kritische Vereisungsszenarien sind oft geprägt vom Aufprall unterkühlter großer Wassertropfen. Diese befinden sich zunächst in einem meta-stabilen Zustand, den sie unter Ausbreitung von schnell voranschreitenden Eisdendriten in der Flüssigphase verlassen. Das Zusammenspiel der Flüssigkeitsströmung mit der dynamischen Erstarrung in Form von Dendriten ist bis heute nicht vollständig verstanden. Diese Dissertation ist neuen Erkenntnissen bezüglich den zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen des Aufpralls eines unterkühlten großen Tropfens auf eine kalte feste Oberfläche überlagert mit Auftreffen einer kalten Luftströmung gewidmet. Der Fokus liegt auf Phänomenen, bei denen die Erstarrung zu verschiedenen Zeitpunkten des Aufpralls einsetzt, wie es in unterschiedlichen Phasen des Anwachsens einer Eisschicht auf einer Oberfläche der Fall ist. Für die entsprechenden Untersuchungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Vereisungswindkanal ausgelegt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser ermöglicht Experimente zum Aufprall einzelner unterkühlter Tropfen verschiedener Größe unter kontrollierter Variation von Tropfentemperatur, Aufprallgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit des überlagerten Luftstroms. Die Untersuchungen umfassen den Aufprall von unterkühlten flüssigen Tropfen, die bei Aufprall einen sogenannten Corona-Splash ausbilden. Das Ausmaß des Splashes und die zurückbleibende Tropfenmasse werden mit einem existierenden Modell bezüglich des Einsetzens des Splashing in Zusammenhang gesetzt. Bei Überlagerung mit einem auftreffenden Luftstrom verformen die Tropfen sich vor dem Aufprall merklich. Die Auswirkungen der Verformung werden sowohl im Splashing-Modell, als auch in einem semiempirischen Modell zur Abschätzung des maximalen Ausbreitungsdurchmessers der Tropfen eingebunden. Zudem wird der Aufprall unterkühlter Tropfen auf eine planare Eisoberfläche betrachtet, welcher gekennzeichnet ist durch ein frühes Einsetzen der Erstarrung. Es wird gezeigt, dass die Unterkühlung der Tropfen vor Aufprall, d.h. Ausbreitungsgeschwindigkeit der Dendriten, einen wesentlichen Einfluss auf die maximale Ausbreitung hat und ein Modell zur Abschätzung dieser wird vorgestellt. Des Weiteren wird der Aufprall von Tropfen, die ihre Erstarrung bereits vor dem Aufprall beginnen, betrachtet. Das Verhalten solcher partiell gefrorener Tropfen während des Aufpralls wurde bisher noch nie untersucht und mithilfe eines angepassten Models einer plastischen Strömung wird eine entscheidende rheologische Eigenschaft der gemischten Phase quantifiziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem tieferen Verständnis der Physik der Flüssigkeitsströmung des Aufpralls unterkühlter Tropfen und dessen Interaktion mit der auftretenden dynamischen Erstarrung bei. Die angepassten Modelle, empirischen Korrelationen und quantifizierte Eigenschaften können schließlich verwendet werden, um numerische Modelle zur Vorhersage von Vereisung auf technischen Oberflächen zu verbessern.