IceGrid. Untersuchung von Eisbildung auf Rückhaltegittern im Klimatisierungssystem von Luftfahrzeugen

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Hennie Albrecht
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1 IceGrid Untersuchung von Eisbildung auf Rückhaltegittern im Klimatisierungssystem von Luftfahrzeugen

2 Kurzdarstellung der Antragsteller/Konsortialpartner FH JOANNEUM GmbH (Koordinator) AAC Aerospace & Advanced Composites GmbH Airbus Deutschland Cavotec GmbH Icon TU Graz, Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung Villinger GmbH 2/23

3 Kurzdarstellung der Antragsteller/Konsortialpartner FH JOANNEUM Mehrjährige Erfahrung im Bereich der Innen- und Außenvereisung von Luftfahrzeugen: F&E-Projekte: Move, MixVal, AntiIce, HEAT Aufbau Vereisungswindkanal, Entwicklung Eiscode ICEAC2D AAC Erfahrungen im Bereich Beschichtungen mit eisphobischen Materialien (F&E-Projekte: AntiIce) Airbus Deutschland Cavotec Hersteller u.a. von mobilen PCA-Caddies 3/23

4 Kurzdarstellung der Antragsteller/Konsortialpartner Icon CFD-Dienstleister (strategischer Partner von Airbus im Bereich CFD) TU Graz, ISW Umfangreiche Forschungen an Sprays Villinger GmbH Entwicklung von Heizlacksystemen zur Außenenteisung von Luftfahrzeugen und Innenbeheizung von Fahrzeugkabinen F&E-Projekte: HEAT 4/23

5 Ziele des Projekts Sowohl an der Schnittstelle zur externen Luftversorgung am Boden als auch im Inneren des Klimatisierungssystems von Passagierflugzeugen befinden sich Rückhaltegitter, die anfällig für Vereisung sind. 5/23

6 Ziele des Projekts 6/23

7 Ziele des Projekts 7/23

8 Ziele des Projekts Es sollen im Projekt beheizte und/oder chemisch beschichtete Gitter untersucht/entwickelt werden, die weniger bzw. gar nicht vereisungsanfällig sind. Weiteres Ziel ist die (Weiter-)Entwicklung von Berechnungs- bzw. Simulationsmethoden für Vereisung und Enteisung, um solche Gitter für unterschiedliche Einsatzzwecke effizient auslegen zu können. 8/23

Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung AP1 AP2 AP3 AP4 Literaturstudie Beschichtungen mit Heizlack Beschichtung mit eisabweisenden chemischen Substanzen Ermittlung der Spraycharakteristik der Einspritzdüse

9 Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung AP1 AP2 AP3 AP4 Literaturstudie Beschichtungen mit Heizlack Beschichtung mit eisabweisenden chemischen Substanzen Ermittlung der Spraycharakteristik der Einspritzdüse im Vereisungswindkanal AP6 AP7 AP8 AP9 Numerische Berechnung eines Drahtes/Drahtkreuzes Detaillierte Experimente Entwicklung eines numerischen Eismodells Numerische Simulation AP5 Experimentelle Voruntersuchungen AP10 Projektmanagement 9/23

10 Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung Die Ziele sollen erreicht werden durch Herstellung chemisch und/oder heizlackbeschichteter Gitter (AAC + Villinger) Experimentelle Untersuchungen der Gitter im Vereisungswindkanal der FH JOANNEUM Präzise Vermessung des Tropfenspektrums der Zweikomponenenzerstäuberdüse im Vereisungswindkanal durch die TU Graz Neu- und Weiterentwicklung von Simulationsmodellen für Ver- und Enteisung (FH JOANNEUM und ICON) Validierung der neuen Modelle durch die experimentellen Untersuchungen im Eiskanal 10/23

11 Vereisungswindkanal der FH JOANNEUM 11/23

12 Erreichte Ergebnisse Zweistoff-Zerstäuberdüse für den Eiskanal wurde von TU Graz mittels PDA vermessen Tropfenspektrum ist nun bekannt LWC-Messungen im Eiskanal wurden durchgeführt und für Anti-Icing-Simulationen verwendet 12/23

13 Erreichte Ergebnisse PDA-Prüfstand an der TU Graz 13/23

14 Erreichte Ergebnisse 2D-Eiscode ICEAC2Dv2 wurde fertiggestellt Code zur Simulation von Eisanlagerung durch unterkühlte Tröpfchen an Oberflächen Code kann auch elektrothermisches Anti-Icing simulieren Code kann (prinzipiell) mit beliebigen CFD-Lösern gekoppelt werden momentan ist dies ANSYS CFX v13 Code wurde (und wird) zur Abschätzung/Berechnung der erforderlichen Heizleistungen bei Gittern verwendet 14/23

15 Erreichte Ergebnisse Mit ICEAC2Dv2 berechnete Eisanlagerungen an einem heizlackbeschichteten Testzylinder (Ø = 2, 5cm, V = 20m/s, T = 12 C, MVD = 43μm) 15/23

16 Erreichte Ergebnisse y[m] y[m] x[m] Ohne Heizsystem (dargestellt sind die Schichten aus den einzelnen Zeitschrittiterationen) x[m] Mit unterdimensioniertem Heizsystem 16/23

17 Erreichte Ergebnisse Wärmeübergänge an Gittern wurden von Icon und FHJ mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen berechnet Chemisch beschichtete (aber bis dato unbeheizte) Gitter wurden von AAC hergestellt und im Eiskanal getestet Heizlack-beschichtete Drähte/Zylinder wurden von Villinger hergestellt und im Eiskanal getestet 17/23

den Tests De-Icing ist im Allgemeinen jedoch problematisch, da sich über dem geschmolzenen Wasser

18 Erreichte Ergebnisse 2 Designvarianten: (leitende Verbindungen) (nichtleitende Verbindungen) Einige beheizte Gitter wurden im Eiskanal bereits getestet: Elektro-thermisches Anti-Icing funktioniert gut in den Tests De-Icing ist im Allgemeinen jedoch problematisch, da sich über dem geschmolzenen Wasser Eisbrücken aufbauen Temperaturmessung mit Messdraht (Nickel) und Regelung der Gittertemperatur ist in Arbeit 18/23

19 Erreichte Ergebnisse Bis dato favorisierte Designvariante: Gitter aus nichtleitenden Verbindungen bestehend aus teflonbeschichtetem Konstantandraht (Konstantan: Kupfer/Nickel/Mangan-Legierung mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand) Vorteile: Deutlich kleinere Stromstärken als bei leitenden Drahtverbindungen Gleichmäßigere Wärmeabgabe Nachteil: Beschichtung mit Heizlack schwierig 19/23

20 Noch bestehende Herausforderungen Regelung der Temperatur mittels des T-abhängigen elektrischen Widerstands des Nickel-Messdrahtes Mechanische Stabilität des Messdrahtes Tests unter realen Bedingungen 20/23

21 Angestrebte/Umgesetzte Verwertung Gesamtprojekt Kontakt zu Herstellern/Interessenten, wenn das Funktionieren der Gitter inkl. Regelung gezeigt wurde Einzelne Partner FH JOANNEUM Erweiterung der Kompetenzen im Bereich Ver- und Enteisung (experimentell und Simulation) Ausbildung von Studierenden durch Einbeziehung in (gut abgegrenzte) Teilaufgaben des Projekts 21/23

22 Angestrebte/Umgesetzte Verwertung Airbus/Cavotec Zukünftiger Einsatz der Gitter Icon Erweiterung der CFD-Kompetenzen im Bereich Ver- und Enteisung Villinger Erschließung von neuen Anwendungen des Heizlacks in der Flugzeugklimaanlage Knüpfung neuer Kontakte zu Airbus und Cavotec AAC Erschließung von neuen Anwendungen von chemischen Beschichtungen im Flugzeuginneren TU Graz Einsatz der Ergebnisse in Forschung und Lehre 22/23

23 Kontakte FH-Prof. Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Wolfgang Hassler FH JOANNEUM GmbH Alte Poststraße 149 A-8020 Graz Tel: +43 (0) Dr. Hannes Steiner Aerospace & Advanced Composites GmbH Viktor-Kaplan-Straße 2 A-2700 Wiener Neustadt hannes.steiner@aac-research.at Tel: +43 (0) Dr.-Ing. Martin Schmid Airbus Operations GmbH Department Architecture Performance EYVAV Kreetslag Hamburg Deutschland Martin.Schmid@airbus.com Tel: +49 (0) Johan Tinde Cavotec Fladung GmbH Heimbach Mömbris Deutschland johan.tinde@cavotec.com Tel: DI (FH) David Winkler ICON Austria Liebenauer Hauptstraße Graz d.winkler@iconcfd.com Tel: +43 (0) Univ.-Prof. DI Dr.-Ing. Günter Brenn Technische Universität Graz Institut f. Strömungslehre und Wärmeübertragung Inffeldgasse 25/F 8010 Graz brenn@fluidmech.tu-graz.ac.at Tel: +43 (0) Markus Villinger Villinger GmbH Gewerbepark Mieders markus@villinger.com Tel: /23

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