Vorentwurf eines Systems zur Detektion von atmosphärischem Eis auf Grundlage der Erstarrungswärme

In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Detektion eines Eisansatzes während des Fluges vorgestellt. Um auch unter Vereisungsbedingungen die notwendige Flugsicherheit zu gewährleis-ten und die aktuelle Flugroute beizubehalten, sind zuverlässige Eisdetektions- sowie Enteisungssysteme notwendig. Das Eiserkennungssystem basiert auf der, bei der Erstarrung von Tropfen frei werdenden, Erstar-rungswärme. Die Sensortemperatur liegt stets unterhalb der Umgebungstemperatur, wobei die benötigte Kälteleistung von einem geregelten Peltier-Element erbracht wird. Als Regler und Soft-ware-Hardware-Schnittstelle fungiert ein sogenannter TEC-Controller. Dazu werden zwei mögliche Ansätze untersucht. Zum einen wird eine konstante Temperaturdifferenz zur Umgebung von -5 K und zum anderen eine konstante elektrische Leistung vorgegeben. Es wird gezeigt, dass durch eine Änderung der elektrischen Leistung bzw. der Sensortemperatur, ein Eisansatz detektiert werden kann. Zusätzlich ist es möglich qualitativ die Eiswachstumsrate durch den gemessenen Temperaturgradienten des Sensors bestimmen zu können. Auf Grundlage von numerischen Simulationen in ANSYS Workbench und thermodynamischen Zusammenhängen, wurde das System in CAD-CATIA ausgelegt und dimensioniert. Ein verein-fachter theoretischer Ansatz zur Beschreibung des zusätzlich eingebrachten Wärmestroms bedingt durch den Eisansatz wird detailliert dargestellt. Zusätzlich wurde ein Prototyp zur Integration in der Flügelvorderkante entworfen und im Eiswindkanal des IAF in Braunschweig unter ver-schiedenen Randbedingungen getestet. Die Vor- und Nachteile des Systems werden schließlich unter den Gesichtspunkten der Zuverläs-sigkeit, Wartbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Umsetzbarkeit betrachtet

Experimentelle und simulative Tropfenaufprallbestimmung mit einem piezoelektrischen Sensor

Im Rahmen des SuLaDi Projekts wird unter anderem an Eiserkennungskonzepten gearbeitet. Damit sich überhaupt ein Eisansatz bilden kann, muss auf der entsprechenden Fläche des Versuchskörpers Wasser vorhanden sein. Wasser gelangt unter realen Bedingungen, wie auch im Windkanalversuch tropfenweise auf den Versuchskörper und gefriert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Problemstellung, ob der Aufprall eines Wassertropfens durch den Einsatz einer Piezofolie aus Polyvinylidenfluorid erkannt werden kann. Hierfür sind geeignete Demonstratoren und Versuchsaufbauten herzustellen, um schrittweise das Problem zu lösen. Hieraus ergeben sich folgende Fragen: • Ist eine Piezofolie aus Polyvinylidenfluorid in der Lage einen Tropfenaufprall zu registrieren? • Welcher Zusammenhang besteht zwischen Eingangsgröße (Aufprallkraft) und Ausgangsgröße (elektr. Spannung) bei Applizierung der piezoelektrischen Folie auf der Vorderseite einer planen Fläche? • Welcher Zusammenhang besteht zwischen Eingangsgröße (Aufprallkraft) und Ausgangsgröße (elektr. Spannung) bei Applizierung auf der Rückseite einer gekrümmten Fläche? • Können die experimentell ermittelten Werte in ANSYS Workbench 15 durch ein Simulationsmodell nachgebildet werden

Aus der Tiefkühltruhe in den Windkanal – Neue Methoden zur Eiserkennung

Vereisung betrifft sowohl die Luftfahrt als auch den Energiesektor. Für beide gilt: Sie reduziert die Leistungsfähigkeit von aerodynamischen Profilen, verursacht Kosten beim Einsatz von Enteisungssystemen, führt zum Stillstand von Anlagen und kann zum Sicherheitsproblem werden. Die neuen Konzepte zur lokalen Eiserkennung erkennen einen Eisansatz direkt am Ort der Vereisung. Die Vorteile liegen im kosteneffizienteren Einsatz der Enteisungssysteme, in der Erhöhung der Sicherheit und in der Vermeidung von Ertragsausfällen. Dies hilft beim Betrieb von Starr- und Drehflügler und von Windenergieanlagen. Hier können energieintensive Enteisungssysteme frühzeitiger und zielgerichteter eingesetzt werden, wodurch die Betriebskosten reduziert, der Ertrag gesteigert oder die verbleibende Reichweite erhöht werden kann

Icing wind tunnel and detection of the formation of icing by heat crystallization

In the project SuLaDI (Supercooled Large Droplet Icing) research about the icing of aerofoils through large and super cooled droplets is done at the Institute of Composite Structures and Adaptive Systems (German Aerospace Center-DLR) and at the Institute of Adaptronics and Function Integration (Technische Universität Braunschweig). In the framework of the project an icing wind tunnel was built. It consists of a cooling chamber and a wind tunnel of the Eiffel-type therein. The icing of model takes place in the test section of the wind tunnel at temperatures below 0 °C. Between the flow straightener and the contraction section a spray system is built in, which sprays water droplets into the wind tunnel. The droplets are accelerated by the airstream and supercool on their way to the model. When hitting the model they freeze on it to rime ice, clear ice or mixed ice. At the model research about a structure integrated ice detection is done. This enables the detection of icing immediate at the place of formation. Adverse existing ice detection sensors, the sensor system can be manufactured without elements that are protruded into the airflow. The aerodynamics does not get influenced and corresponds to those without an ice detection sensor. This paper describes the structure of the icing wind tunnel and that of the sensor, and the method of ice detection through the heat of crystallization. The detection of the formation of ice is shown by measurements in the icing wind tunnel

Ice detection research in DLR-FA

Overview about ice detection Research in the Institute of Composite Structures and Adaptive Systems

ICE DETECTION by MECHANICAL WAVES

Im Projekt Supercooled Large Droplet Icing (SuLaDI) wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die Technische Universität Braunschweig auf dem Gebiet der Flugzeugvereisung geforscht. Der Fokus liegt hierbei auf der Vereisung durch große, unterkühlte Wassertropfen. Innerhalb des Projekts werden neue Konzepte zur Eiserkennung untersucht. Vorteil der neuen Konzepte gegenüber den bestehenden Systemen sind die Detektion der Vereisung am Ort der Vereisung, die Erweiterung des Erfassungsbereich über die sensoreigene Fläche hinaus und die strukturkonforme Einbindung bei gleichzeitig ausbleibender Änderung der Strömungsbedingungen am Tragflügel und einer Widerstandserhöhung durch den Sensor. Die Veröffentlichung stellt Möglichkeiten der Eiserkennung durch den Einsatz mechanischer Wellen vor. Grundlage hierfür sind der Einsatz von Lambwellen und die Anregung eines Gleitsinus. Es werden Versuche an flächigen, als auch gekrümmten Strukturen durchgeführt. Diese werden in einer Tiefkühlkammer durch aufgefrorenes Wasser, als auch in einem Eiswindkanal durch unterkühlte Wassertropfen vereist. Die zu überwachenden Strukturen sind dabei eine CFK-Platte und zwei Flügelvorderkanten eines NACA 0012-Profils. Die Einflussparameter Temperatur und die Zyklenzahl (Anzahl der Perioden) bei der Anregung werden zunächst betrachtet und anhand von Messungen bewertet. Anhand der Versuche wird der Einfluss von Eisschichten mit variierenden Dicken auf die einfach zu bestimmenden Parameter Mittelwert der Absolutwerte, Maximum der Absolutwerte und die Laufzeit dargestellt

Detektion von atmosphärischem Eis aufgrund der Veränderung des Wärmewiderstandes

Bei einem Flug durch eine mit unterkühltem Wasser angereicherte Atmosphäre kommt es an der Flugzeugoberfläche zu Eisanlagerungen, welche die Flugeigenschaften negativ beeinflussen und Flugzeugkomponenten beschädigen oder ausfallen lassen können. Um dies zu verhindern und so die Flugsicherheit zu gewährleisten, werden Enteisungsmaßnahmen ergriffen, welche auf eine zuverlässige Eiserkennung angewiesen sind. Im Rahmen der Erforschung und Erprobung alternativer Detektorsysteme wird ein Verfahren zur Bestimmung des thermischen Widerstandes einer Eisanlagerung an einer Grenzfläche vorgestellt. Dazu wird ein Heizelement zusammen mit einem Temperatursensor in eine Flügelvorderkante eingelassen. Über eine Regelung wird die Sensortemperatur konstant gehalten. Bei einer auftretenden Eisanlagerung wird so eine Heizleistungsveränderung gemessen und im Vergleich mit Referenzwerten kann die Anwesenheit des Eises bestimmt werden. Die Vorteile dieses Detektors sind die bündige Integration in die Flügelvorderkante ohne eine Störung der Umströmung, der geringe Wartungs- und Energiebedarf, die geringe Baugröße und die lokale sowie direkte Messmethode

Erprobung und Weiterentwicklung eines Konzepts zur Eisschichtdetektion auf Grundlage von Körperschallwellen

Untersuchung zur Anregung und zum Empfang geführter Ultraschallwellen (Lambwellen) und deren Einsatz zur Eiserkennung an umströmten Profilen

Numerische Berechnung der elektrischen Ausgangsspannung einer applizierten PVDF-Folie bei bekannter Krafteinwirkung und Vorhersage für weitere Belastungsfälle

Die vorliegende Diplomarbeit untersucht die These, dass sich die Aufprallkraft von Wassertropfen auf einer Oberfläche mithilfe eines piezoelektrischen Sensors ermitteln lässt. Dazu wurde im Vorfeld (Bulur, 2015) eine Versuchsreihe für verschiedene Tropfenfallhöhen und Sensoranordnungen durchgeführt. Mithilfe der gemessenen Sensorausgangsspannungen und der piezoelektrischen Empfindlichkeit des Sensors wurde die Tropfenaufprallkraft bestimmt. Die vorliegende Arbeit untersucht zunächst den piezoelektrischen Effekt und insbesondere PVDF als Sensormaterial. Für weiterführende Parameterstudien wird in ANSYS Classic ein voll parametrisiertes Simulationsmodell des verwendeten PVDF-Sensors erstellt. Der Tropfenaufprall wird durch Vorgabe der experimentell ermittelten Tropfenkräfte simuliert und die Ausgangsspannung des Sensors berechnet. Der Einfluss der richtungsabhängigen piezoelektrischen Kraftkonstanten wird für verschiedene Sensoranordnungen und Substratprofile untersucht. In einer transienten Simulation können die Ergebnisse der Experimente in (Bulur, 2015) nicht bestätigt werden. Um die Ursache dafür zu ermitteln, wird der Vorgang des Tropfenaufpralls in zwei Experimenten, mithilfe eines Impulshammers und einer Hochgeschwindigkeitskamera weiter untersucht. Die Versuche kommen zu dem Ergebnis, dass die experimentell ermittelten Sensorausgangsspannungen in (Bulur, 2015) korrigiert werden müssen. Da die zeitlichen Verläufe der elektrischen Ausgangsspannung weiterhin nicht durch das Simulationsmodell des PVDF-Sensors bestätigt werden können, wird in einem weiteren Experiment der Einfluss der Tropfentemperatur auf das gemessene Sensorsignal als mögliche Fehlerquelle untersucht. Dieses Experiment führt zu dem Schluss, dass die experimentell ermittelte Sensorausgangsspannung nicht infolge des piezoelektrischen- sondern des pyroelektrischen Effekts gemessen wird. Dies wird durch eine näherungsweise Berechnung der theoretischen Tropfenaufprallkraft und den Vergleich mit der experimentell ermittelten Tropfenaufprallkraft bestätigt. Um den gemessene Verlauf der Sensorausgangsspannung in der Simulation genauer abzubilden wird das Modell um die Messstrecke erweitert. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und einige Vorschläge für weitere Untersuchungen gegeben