Aufprall unterkühlter Tropfen auf kalte Oberflächen

28.09.2015

Aufprall unterkühlter Tropfen auf kalte Oberflächen

Flugzeugvereisung ist schwerwiegendes Problem für die Luftfahrtindustrie

Dieses Forschungsthema ist ein Teil des Sonderforschungsbereichs SFB-TRR75 – „Tropfendynamische Prozesse unter extremen Umgebungsbedingungen“ und zielt auf ein besseres Verständnis der Mechanismen während des Aufpralls eines unterkühlten Tropfens auf eine kalte Oberfläche ab. Die Arbeit ist motiviert durch Flugzeugvereisung, die ein schwerwiegendes Problem für die Luftfahrtindustrie darstellt.

Abb. 1: Eisschicht an der Vorderkante eines Tragflügels. Image: NASA-Glenn
Abb. 1: Eisschicht an der Vorderkante eines Tragflügels. Image: NASA-Glenn

In der Atmosphäre liegen Wassertropfen vor, die flüssig sind, obwohl sie bis zu Temperaturen von ca. -20°C abgekühlt sind. Aufgrund des Temperaturbereichs, in dem sie existieren, durchfliegen Flugzeuge Wolken dieser Tropfen vor allem während des Start- und Landevorgangs. Der Aufprall der Tropfen auf die kalten Flugzeugteile löst den Gefrierprozess des unterkühlten Wassers aus, was zum Wachstum von Eisschichten auf der Flugzeugoberfläche führt, wie in Abbildung 1 für eine Eisschicht an der Vorderkante eines Tragflügels und in Abbildung 2 für eine vereiste Flugzeugnase dargestellt.

Abb. 2: Eisansammlung an einer Flugzeugnase. Bild: icebox.grc.nasa.gov
Abb. 2: Eisansammlung an einer Flugzeugnase. Bild: icebox.grc.nasa.gov

Durch die Beeinflussung der Aerodynamik und das zunehmende Gewicht des Flugzeugs, führen die Eisablagerungen zu einem erhöhten Luftwiderstand und Kraftstoffverbrauch sowie zu einem verringerten Auftrieb. Vereisung tritt ebenfalls auf unbeheizten Messsonden auf, was zu einer falschen Messung der Flugbedingungen führt. Dadurch hat Flugzeugvereisung einen bedeutenden Einfluss auf den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb eines Flugzeugs und kann im schlimmsten Fall in einem Flugzeugabsturz enden.

Um bereits bestehende Berechnungstools für Flugzeugvereisung zu verbessern, wird das Problem sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Die experimentellen Untersuchungen führen zu einem besseren Verständnis der dominierenden physikalischen Vorgänge während des Prozesses und darüber hinaus dienen sie als Grundlage für nachfolgend abgeleitete mathematische Modelle. Zwei Aspekte des Tropfenaufpralls auf eine kalte Oberfläche, begleitet von der Erstarrung des Tropfens werden getrennt voneinander untersucht. Zum einen wird das Zusammenspiel von Hydro- und Thermodynamik anhand von Experimenten zum Tropfenaufprall untersucht. Desweiteren dienen Experimente zum Erstarren von unterkühlten aufsitzenden Wassertropfen dem Verständnis des Einflusses der Aufpralloberfläche auf den Erstarrungsvorgang.

Fig 3: Erstarrung eines Tropfens während des Zusammenziehens nach einem Aufprall auf eine geneigte kalte Oberfläche (Draufsicht). Bild: Markus Schremb
Fig 3: Erstarrung eines Tropfens während des Zusammenziehens nach einem Aufprall auf eine geneigte kalte Oberfläche (Draufsicht). Bild: Markus Schremb

Während eines Tropfenaufpralls auf eine kalte Oberfläche treten hydro- und thermodynamische Prozesse parallel auf und können sich gegenseitig beeinflussen, wie in Abbildung 3 und in diesem Video gezeigt. Sie zeigt den Erstarrungsprozess innerhalb eines sich zusammenziehenden Wassertropfens, der zunächst eine Temperatur von + 20°C hatte, nach dem Aufprall auf eine geneigte kalte Oberfläche mit einer Temperatur von -17°C. Durch die Erstarrung des ausgebreiteten Tropfens wird ein weiteres Zusammenziehen des Tropfens verhindert, was zu Bedeckung einer gewissen Fläche der Aufpralloberfläche führt. Aufgrund der Tatsache, daß die Flüssigkeit bei der einsetzenden Erstarrung noch in Bewegung ist, hat der Moment in dem die Erstarrung beginnt einen starken Einfluss auf die Größe der Fläche, die letztendlich mit Eis bedeckt ist.

Abbildung 4: Fortschreiten einer dendritischen Eisstruktur innerhalb eines unterkühlten aufsitzenden Tropfens (Seitenansicht). Bild: Markus Schremb
Abbildung 4: Fortschreiten einer dendritischen Eisstruktur innerhalb eines unterkühlten aufsitzenden Tropfens (Seitenansicht). Bild: Markus Schremb

Eine unterkühlte Flüssigkeit befindet sich in einem metastabilen Zustand und ihre Erstarrung stellt einen irreversiblen Prozess dar, der in zwei aufeinanderfolgenden Phasen stattfindet. Während der ersten Phase erstarrt eine dendritische Struktur innerhalb der Flüssigkeit, die durch das Freiwerden von latenter Wärme begleitet ist. Durch die freigesetzte latente Wärme gefriert nur ein Teil der unterkühlten Flüssigkeit, nämlich gerade genug, um die Mischung aus Wasser und Eis auf Schmelztemperatur aufzuwärmen, wodurch sich das Gemisch in einem thermodynamisch stabilen und damit bevorzugten Zustand befindet. Während die Dauer der ersten Phase der Erstarrung im Bereich von Millisekunden liegt, beträgt sie für die zweite Phase einige Sekunden. An diesem Punkt ist die anfänglich unterkühlte Flüssigkeit eine Mischung aus Wasser und Eis, in der das Eis mehr oder weniger homogen in Form einer dendritischen Struktur im gesamten Bereich vorliegt. Wenn weitere Wärme aus dem Gemisch abgeführt wird, gefriert die verbleibende Flüssigkeit zwischen der dendritischen Struktur isotherm bei Schmelztemperatur. Abbildung 4 zeigt zweidimensional die erste Phase der Erstarrung eines unterkühlten aufsitzenden Wassertropfens. Die Erstarrung beginnt an einem einzelnen Nukleationskeim am Substrat und ist gefolgt von einer parallelen Ausbreitung der Dendritenfront. Nach dieser Phase ist das Gemisch auf Schmelztemperatur und aufgrund des kalten Substrats, auf dem der Tropfen platziert ist, beginnt die zweite Phase der Erstarrung, deren Beginn in den letzten Bildern von Abbildung 4 als ein heller Streifen am Substrat zu erkennen ist.

Kontakt:

M.Sc. Markus Schremb (SLA)

Veröffentlichungen

Konferenz-Publikationen/Präsentationen:

  • M. Schremb, I. V. Roisman, C. Tropea; Different Outcomes after Inclined Impacts of Water Drops on a Cooled Surface; ICLASS 2015 –International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems; Tainan, Taiwan; (2015)
  • M. Schremb, I. V. Roisman, S. Jakirlic, C. Tropea; Spreading and Freezing of a Droplet Impacting onto an Inclined Cooled Surface; SAE 2015 – International Conference on Icing of Aircraft, Engines, and Structures; Prague, Czech Republic; (2015)

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