Digitale Werkzeuge zur Simulation der Vereisung im Flug
Eiskristallvereisung (Ice Crystal Icing, ICI) tritt auf, wenn sich an einem Flugzeug während des Flugs Eis bildet. Eis kann die Funktionsfähigkeit verschiedener Flugzeugteile beeinträchtigen, darunter die Flügel, Propeller, Windschutzscheiben und Kommunikationssysteme. In den letzten Jahrzehnten wurde ein weiteres flugzeugtechnisches Risiko festgestellt: die Ansammlung von Eis an warmen Teilen des Kerntriebwerks. Doch physikalische Triebwerktests können nur in einem Eiswindkanal durchgeführt werden und sind daher kompliziert und teuer. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts MUSIC-haic entwickelten Forschende neue Werkzeuge zur Simulation der Eiskristallvereisung, die der europäischen Luftfahrtindustrie dabei helfen können, Triebwerke der nächsten Generation zu entwickeln. „Die Simulationswerkzeuge können bei der Entwicklung eines neuen Flugzeugs oder Triebwerks eingesetzt werden, um eine Vielzahl unterschiedlicher Flugbedingungen abzufragen und Bereiche zu ermitteln, bei denen das Risiko einer Eiskristallansammlung besteht“, erklärt Phillipe Villedieu, Energieforschungsingenieur bei ONERA und Projektkoordinator von MUSIC-haic. Das Werkzeug kann zudem bei der Zulassung eingesetzt werden, wodurch Eiswindkanal- oder Flugtests kaum noch nötig sind. „Generell wäre es denkbar, beim Prozess zur Vereisungszulassung ein validiertes numerisches Vereisungstool als Nachweisverfahren einzusetzen“, fügt Villedieu hinzu.
Schützenhilfe für die Entwicklung der Triebwerke von morgen
Bei Triebwerken der neueren Generationen wird eine gegenüber der Eiskristallvereisungsgefahr sensiblere Konstruktion vorausgesetzt als bei gegenwärtigen Systemen. Solche Triebwerke haben ein sehr hohes Nebenstromverhältnis. Das bedeutet, dass eine größere Luftmasse um den Triebwerkskern geleitet wird, was den Treibstoffverbrauch senkt. Die Fans an diesen Triebwerken besitzen weniger Triebwerksschaufeln, die sich langsamer drehen. Da auf Eispartikel geringere Zentrifugalkräfte wirken, führt das dazu, dass ein höherer Anteil von Eispartikeln in den Triebwerkskern eindringt als bei heutigen Turbofans. „Die vergleichenden Analysemethoden, mit denen die Gefahren durch Eiskristallvereisung bei Triebwerken der heutigen Generation bewertet werden, lassen sich nicht auf innovative Triebwerke mit neuerer Architektur anwenden“, so Villedieu. „Es ist zudem sehr schwer, Eiskristallvereisung in Bodentests zu prüfen, da entsprechende Vereisungsanlagen physikalische Beschränkungen mit sich bringen, weltweit in geringer Zahl vorhanden sind und hohe Kosten bedeuten.“
Datengenerierung in Vereisungskanälen und im Labor
Um seine neuen Werkzeuge für die Simulation der Eiskristallvereisung zu entwickeln, führte das Team von MUSIC-haic eine Reihe von Versuchen in einem Labor bzw. einem Eiswindkanal durch. Für die meisten Versuche wurden kleinskalige Modelle – beispielsweise repräsentativ für eine Triebwerksschaufel oder ein Triebwerksteil – verwendet, die in eine künstliche Vereisungswolke im Windkanal gesetzt wurden. Mithilfe von Videokameras, die in unterschiedlichen Winkeln positioniert wurden, beobachteten und erfassten die Forschenden die Eisansammlung, um quantitative Daten für numerische Modelle zu gewinnen. „Die meisten geplanten Versuche wurden tatsächlich durchgeführt und lieferten uns in sehr großem Umfang neue quantitative experimentelle Daten, um die Eisansammlung an beheizten Wänden, das Loslösen von Eisblöcken oder die Auswirkungen von Eiskristallen an Wänden besser zu verstehen.“ „Diese Daten sind nun in ihrer Gesamtheit der internationalen Gemeinschaft zugänglich und eine unschätzbar wertvolle Hilfe zur weiteren Verbesserung und Validierung von Modellen“, so Villedieu.
Integration der Eiskristallvereisungs-Testfunktionen in Branchentools
Das wichtigste Projektergebnis bestand in der erfolgreichen Integration der Eiskristallvereisungs-Testfunktionen in die numerischen 3D-Werkzeuge, die bei den Projektpartnern Rolls Royce, General Electric, Safran, Airbus und Dassault zum Einsatz kommen. „Es wurde außerdem eine bedeutende Validierung vorgenommen, die sehr vielversprechend ausfiel, was die Fähigkeit der neuen Werkzeuge zur Prognose von Eisansammlungsstellen an Triebwerken betrifft“, so Villedieu. Die entwickelten Modelle und Werkzeuge werden weit über MUSIC-haic hinaus in der europäischen Luftfahrtindustrie und Forschungszentren intensiv eingesetzt und erprobt werden.
Schlüsselbegriffe
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