Nachfolgend einige Eindrücke von Vereisungsexperimenten aus unterschiedlichen Forschungsprojekten mit unterkühlten Wassertropfen oder Eiskristallen.
Im Rahmen dieser Versuchskampagne, die in Zusammenarbeit zwischen der TU Braunschweig und der TU Darmstadt durchgeführt wird, werden vereiste und matschige Eisschichten, die im Vereisungswindkanal der TU Braunschweig erzeugt werden, charakterisiert. Ziel ist es, drei verschiedene Messtechniken einzusetzen, nämlich Kalorimetrie, Stereoskopie und einen kapazitive Sensoren. Der gemittelte volumetrische Anteil des flüssigen Wassers in den Eisschichten wird mittels Kalorimetrie in Kombination mit dem durch Stereoskopie ermittelten Volumen der Eisschicht quantifiziert. Die Ergebnisse werden mit Messungen der kapazitiven Sensortechnik verglichen und anschließend ausgewertet. Es ergeben sich klare Trends für verschiedene einflussreiche Parameter, die sowohl für das Wachstum als auch für die Ablösung eine entscheidende Rolle spielen. Die so gewonnene umfangreiche Datenbank wird für eine genauere Modellierung der Klebeeffizienz und des Ablösungsphänomens verwendet.
Um den Beginn der Ablösung von Eisfragmenten der vereisten Vorderkante eines Tragflügelprofils zu charakterisieren, wurden am Vereisungs-Windkanal der TU-Braunschweig gezielte Versuche durchgeführt. Dabei wurden die wichtigsten Einflussgrößen variiert, um so die Ablösehäufigkeit, die Größe der Fragmente und den Zeitpunkt ihrer Entstehung näher zu untersuchen und deren Trend zu modellieren. Ablösungen, verursacht durch eine zähflüssige Eisschicht unter aerodynamischer Last und natürlichen Schmelzvorgängen, wurden im Detail untersucht. Des Weitern wurden eingehend Eisablösungen untersucht, die durch Schmelzvorgänge an der Grenzfläche zwischen erhitztem Substrat und Eisschicht entstehen. Es wurde festgestellt, dass sowohl die Feuchtkugeltemperatur als auch der zugeführte Wärmestrom die wichtigsten Parameter für das Einsetzen des Ablösungsphänomens sind. Einige Eindrücke der Messkampagne sind nachfolgend dargestellt.
Die Entwicklung, der Einsatz und die Validierung von Methoden zur Vorhersage und Abbildung von Eisansatz an Rotorblättern von Windenergieanlangen wurden im Rahmen des Projektes Drifa untersucht. Dazu wurden zahlreiche Parametervariationen durchgeführt und deren Einfluss auf den Eisansatz ausgewertet.
Folgend einige Bilder aus unterschiedlichen Messkampagnen, bei denen verschiedene Messtechniken im Braunschweiger Eiswindkanal genutzt wurden.
Die Bestimmung des Flüssigwassergehalts der Tropfenwolke mit einem rotierenden Zylinder basiert auf der Messung des Eisaufbaus unter bekannten Randbedingungen, wie der Vereisungsdauer, der Temperatur und der Tropfengröße.
Die Messtechnik wurde im Rahmen der Kalibrierung des Spraysystems gemeinsam mit einem Studierenden für den Braunschweiger Eiswindkanal entwickelt und verwendet.
Weitere Informationen zum Messprinzip des rotierenden Zylinders finden Sie in J. R. Stallabrass, "An Appraisal of the Single Rotating Cylinder Method of Liquid Water Content Measurement", National Research Council of Canada Low Temperature Laboratory, Report LTR-LT-92, November, 1978.
Ergebnisse der Messkampagne im Braunschweiger Eiswindkanal finden Sie hier: https://doi.org/10.5194/amt-14-1761-2021
Die Größe der Tröpfchenwolke lässt sich am intuitivsten messen, indem man die Größe des Schattens misst, den sie wirft, wenn sie von einer kollimierten Lichtquelle beleuchtet wird. Der Aufbau besteht im Wesentlichen aus einer kollimierten Lichtquelle mit hoher Intensität (in der Regel ein Laser mit einem fluoreszierenden Diffusor), um die Tröpfchen zu beleuchten. Die Tröpfchen wirken wie undurchsichtige Objekte, die auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle einen Schatten werfen, der als dunkle Flecken im gleichmäßigen Hintergrund mit hoher Intensität erscheint. Eine hochauflösende Kamera mit einer Kombination aus langbrennweitigen Objektiven und Teleobjektiven wird auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle angebracht, um die von den Tröpfchen erzeugten Schatten zu erfassen. Die Geschwindigkeit der Tröpfchen kann durch die Verfolgung der Verschiebung der Partikel zwischen zwei Bildern ermittelt werden, die mit einer kurzen Verzögerung zwischen den Bildern aufgenommen werden; zur präzisen Steuerung des Timings der Kameras und Lichtquellen wird eine programmierbare Timing-Einheit verwendet. Die Größe und die effektive Tiefe des Schattens sind proportional zur Tröpfchengröße, daher ist eine präzise Kalibrierung für die Schattengrafik erforderlich. Nach einer Kalibrierung von Größe und Schärfentiefe können Wolkenmerkmale wie Größenverteilung, MVD und Tröpfchenfluss aus der Verarbeitung der schattengrafischen Bilder gewonnen werden. Das ISM ist mit einem leistungsstarken Verarbeitungswerkzeug Davis ausgestattet, um Schattenbilder zu kalibrieren, zu erfassen und zu verarbeiten; weitere Einzelheiten sind in Knop et al. (2021) zu finden.Die Schattengrafik wurde zur Kalibrierung der beiden Modi der Sprühdüsen im BIWT verwendet. Es wurde ein parametrisches Modell für die Größenverteilung des neu aktualisierten großen Tropfens erstellt, das mit Korrekturen eine gute Übereinstimmung mit der weithin anerkannten Größenbestimmungsmethode PDI erzielt.
Die Particle Image Velocimetry ist eine der robustesten Strömungsvisualisierungstechniken, mit der das momentane Geschwindigkeitsfeld der Strömung ermittelt werden kann. Das Geschwindigkeitsfeld (in 2D oder 3D, stereoskopisch) kann durch die Verfolgung der sekundären Partikel (der Seeding-Partikel), die in der Primärströmung eingebettet sind, ermittelt werden. Die Seeding-Partikel sind ausreichend klein, um an jedem Punkt der Strömung dem Stokes-Gesetz zu folgen, so dass die Momentangeschwindigkeit der Partikel der Strömung entspricht. Das von einem Laser erzeugte Licht hoher Intensität wird mit einer zylindrischen Linse in ein dünnes Lichtblatt umgewandelt. Die Partikel streuen das Licht direkt proportional zum Quadrat ihres Durchmessers. Das gestreute Licht wird dann von einer Kamera aufgezeichnet (in der Regel mit Doppelbildern, mit einigen Mikrosekunden Verzögerung zwischen den Bildern). Das Bild auf jedem der Einzelbilder wird in mehrere Abfragefenster unterteilt und eine Korrelation (Kreuzkorrelation zur Schätzung der Ähnlichkeit der Partikel) wird verwendet, um die Verschiebung der Partikel zwischen den Einzelbildern zu ermitteln. Mit dem berechneten Verschiebungsvektor und der bekannten Zeitverzögerung zwischen den Bildern kann die Geschwindigkeit berechnet werden. Im Gegensatz zu anderen Anwendungen werden bei der IWT keine zusätzlichen Seeding-Partikel benötigt, da die Wassertröpfchen in der IWT-Wolke die Funktion der Seeding-Partikel übernehmen. Die Erfassung und Verarbeitung von PIV-Messungen am ISM wird durch die Davis-Software erleichtert.
Abschließend verschiedene Eindrücke von Messkampagnen mit nationalen und internationalen Projektpartnern.
Die Phasen Doppler Interferometrie (PDI) von Artium Technologies, Inc. ist eine Tropfenmesstechnik, basierend auf der Erfassung des charakteristischen Streulichtsignals eines kugelförmigen Teilchens, welches beim Durchqueren eines von zwei sich kreuzenden kohärenten Laserstrahlen erzeugten, äquidistanten Interferenzstreifenmuster, entsteht.
Die Messtechnik wurde im Rahmen der Kalibrierung des Spraysystems in einer gemeinsamen Messkampagne mit LaVision GmbH, Göttingen genutzt.
Weitere Informationen zur PDI finden Sie beim Hersteller Artium Technologies Inc.
Ergebnisse der Messkampagne im Braunschweiger Eiswindkanal finden Sie hier: https://doi.org/10.5194/amt-14-1761-2021
Die Fast Cloud Droplet Probe (FCDP) von SPEC Inc. ist eine Tropfenmesstechnik, basierend auf der Messung der Intensität von an kleinsten Tropfen gestreutem Licht.
Die Sonde wurde im Rahmen der Kalibrierung des Spraysystems in einer gemeinsamen Messkampagne mit dem Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt genutzt.
Weitere Informationen zur FCDP finden Sie beim Hersteller SPEC Inc.
Ergebnisse der Messkampagne im Braunschweiger Eiswindkanal finden Sie hier: https://doi.org/10.5194/amt-14-1761-2021
Die Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP) von SPEC Inc. ist eine Tropfenmesstechnik, basierend auf der Messung der Intensität von an kleinsten Tropfen gestreutem Licht.
Die Sonde wurde im Rahmen der Kalibrierung des Spraysystems in einer gemeinsamen Messkampagne mit dem Institut für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt genutzt.
Weitere Informationen zur FSSP finden Sie beim Hersteller SPEC Inc.
Die Cloud Combination Probe (CCP) ist eine Kombination aus einer Cloud Droplet Probe (CDP) und einer Cloud Imaging Probe (CIP). Die PSD-Bereiche der Sonden betragen 2-50 μm (30 Bins) und 12,5 bis 1550 μm (62 Bins). Damit ergibt sich ein Messbereich von 2-1550 μm, der den CCP ideal für SLD-Messungen macht. Das Funktionsprinzip des CIP basiert auf der Erkennung des Schattens, den ein Tropfen beim Durchgang eines Laserstrahl erzeugt. Das CDP misst die PSD auf der Grundlage der Vorwärtsstreuung, die durch den Tropfen beim Durchgang des Laserstrahl erzeugt wird.
Trifft Licht auf einen Tropfen, wird das Licht sowohl reflektiert als auch gebrochen. Darüber hinaus wird das Licht im Inneren des Tropfens reflektiert. Bei der Reflexion innerhalb des Tropfens streut das Licht um den Regenbogenwinkel. Anhand der Analyse des um den Regenbogenwinkel gestreuten Lichts kann mit der Standard-Regenbogen-Refraktometrie (SRR) und der Global Rainbow Technique (GRT) der Tropfendurchmesser, der Brechungsindex und damit die Tropfentemperatur gemessen werden.