EU-Horizon 2020 project titled MUSIC-haic aimed at furthering the understanding of ice crystal icing (ICI). Within the scope of this project we at TU Braunschweig provided experimental data to not only enable calibration and development but also validation of numerical models. At the end of the project we provided a comprehensive results that allowed simulating icing phenomenon usable for design and certification purposes. We focused on the fundamentals of icing physics studying inception, origins, heat transfer and quantitative analysis of ice crystal accretion and shedding phenomena. In addition to that we developed machine learning models for predicting particle fragmentation thresholds. Additionally, dedicated campaigns on characterizing the ice layers lead to better strength characterization and quantification of liquid water content, porosity and saturation of ice layers generated in the Braunschweig Icing Wind Tunnel. More details can be found on the official website, linked here.
Windenergie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung einer umweltfreundlichen, zuverlässigen und bezahlbare Energieversorgung. Eine große Herausforderung beim Betrieb der Windenergieanlagen ist die Vereisung der Anlage, welche durch gefrierenden Regen aber auch durch den Aufprall von unterkühlten Wassertropfen entsteht - Instrumentierung, Rotorblätter und Gondel sind dabei gleichermaßen betroffen.
Eisansatz auf dem Rotorblatt birgt die Gefahr von Eiswurf, was aus Sicherheitsgründen eine Abschaltung der Anlage zur Folge hat. Weiterhin erfolgen schon bei geringem Eisansatz Leistungseinbußen aufgrund einer Verminderung des aerodynamischen Wirkungsgrades sowie Steigerung der Wartungskosten und Reduktion der Lebensdauer der Anlage aufgrund der zusätzlichen mechanischen Belastungen.
Die vereisungsbedingten Verluste von Windenergieanlagen variieren stark von den klimatischen Gegebenheiten und Jahreszeiten. Dabei können z.B. Verluste von 8% (Kanada, Winter) oder 10% bzw. 50% (Skandinavien, Jahresmittel bzw. Winter) entstehen. Zur Verminderung dieser Verluste werden heutzutage Rotorblattheizungen eingesetzt. Diese besitzen jedoch einen hohen Energiebedarf, der bis zu 5% der Windkraftanlagen-Nennleistung beträgt . Um den Ertrag der Stromproduktion zukünftiger Windenergieanlagen weiter zu steigern und vereisungsbedingte Ausfälle zu vermeiden, haben wir uns mit der Landwind Gruppe, Coldsense Technologies und dem Institut für Fertigungstechnik der Technischen Universität Dresden zusammengetan und das Forschungsvorhaben MicroIce gemeinsam angestoßen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens (MicroIce) wird der Einfluss modifizierter Polymerfolien mit superhydrophoben bzw. eisphoben Eigenschaften, inspiriert vom Lotuseffekt, auf die Eisbildung an Komponenten einer Windenergieanlage untersucht.
Das Ziel der Untersuchung war die Weiterentwicklung des physikalischen Verständnisses auf Basis von generierten hochwertigen experimentellen Datensätzen. Der experimentelle Aufbau zur Untersuchung des komplexen Mehrphasenphänomens ermöglichte eine präzise Betrachtung und Dokumentation. Dafür wurde einen Versuchsstand mit einem Schwungrad entwickelt, wo der Aufprall eines einzelnen Tropfens realitätsnah - wie z.B. im Fall der Flugzeugvereisung, Fahrzeugverschmutzung oder der Vereisung von Windkraftanlagen - simuliert werden kann. Auf den Versuchen basierend wurden theoretische Modelle abgeleitet, die eine Vorhersage für viele technische Prozesse ermöglichen. Die Arbeiten in diesem Projekt wurden von Dr. David Burzynski umgesetzt.
Immer mehr „Atypische-Standorte“ müssen von der Windenergie erschlossen werden. Davon stellen Vereisungsstandorte mit einem geschätzten Potential von 12 GW/Jahr einen sehr attraktiven Markt dar. Diese sind aber mit Herausforderungen verbunden, die technologische und wissenschaftliche Lösungen verlangen. Die Entwicklung, der Einsatz und die Validierung von Methoden zur Vorhersage und Abbildung von Eisansatz an Rotorblättern wurden deshalb im Rahmen des vorliegenden Vorhabens notwendig. Zur Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften einer Windenergieanlage unter Vereisungsbedingungen ist es erforderlich, die Profilpolaren zu kennen, die sich bei unterschiedlichen Vereisungen an den jeweiligen Blattschnitten einstellen. Polaren sind nur experimentell zugänglich und können z. B. in Windkanalvermessungen erzeugt werden. Für die Quantifizierung der Reaktionszeit und Energieeffizienz der Blattheizung und die Entwicklung neuer Heizkonzepte sind, zusätzlich zu den Feldversuchen, Laborversuche des Heizmoduls bei verschiedenen Vereisungsbedingungen unerlässlich. Die Bearbeitung des Projektes seitens der TU Braunschweig wurde von Inken Knop durchgeführt.
Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung des Eisaufbaus in Bezug auf Porosität und Rauheit. Die innere und äußere Struktur des Eisaufbaus auf einem Modell einer Triebwerksgondel wurde mit innovativen Messungen mittels Mikro-Computertomographie untersucht. Die Porosität der Eisschicht wurde quantifiziert und die Rauheit wurde mit einem reduzierten Satz von Parametern umfassend beschrieben. Zwei Algorithmen wurden getestet, um auf der Grundlage dieses Parametersatzes synthetische Eisschichten zu erzeugen. Die Auswirkung der synthetischen Geometrien auf die Strömungsdynamik hat sich als übereinstimmend mit der Referenzeisakkumulation erwiesen. Eine Verbesserung der Instrumente, die zur Modellierung und Herstellung synthetischer Vereisungsgeometrien verwendet werden, ist daher möglich. Juan Velandia hat diese Untersuchungen im Rahmen seines DAAD-Stipendiums an der TU Braunschweig durchgeführt.
When exposed to deep convective clouds commercial aircrafts have been experiencing in-service events since the early 90's. Parts of the aircraft that are most afflicted and prone to mixed phase and glaciated icing are the heated probes and aircraft engines. High Altitude Ice Crystals (HAIC) project aimed at providing Acceptable Means of Compliance (numerical and test capabilities) and appropriate ice particle detection/awareness technologies for enhancing flying safety & control and aircraft certification.
Technical University of Braunschweig's participation in a 4-year integrated project aimed at providing experimental icing testing facilities to help calibrate and validate numerical models and tools. The project comprised 34 partners representing the European key stakeholders of aeronautical industry from 11 European countries and 5 partners from Australia, Canada and the United States. The project aimed at achieving TRL 6 and enhanced understanding of mixed phase and glaciated icing. Dr.-Ing. Arne Baumert was responsible for successful completion and contribution of TUBS towards the HAIC project.