Ice accretion prediction with mixed phase cloud particles
Karışık fazdaki bulut partikülleri ile buz birikimi tahmini
- Tez No: 474978
- Danışmanlar: PROF. DR. SERKAN ÖZGEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Taşıyıcı bulutlarda oluşan buz kristalleri uçuş güvenliği için başlıca tehditlerden biri haline gelmiş ve son yıllarda hava sensörleri, motor parçaları gibi ısıtılan veya sıcak yüzeyler etrafında oluşan buzlanmadan ötürü birçok problemli uçuş olayı rapor edilmiştir. Sıvı damlacıklardan dolayı oluşan buzlanma iyi bilinen bir konu olmasına rağmen katı fazdaki buz parçacıklarından dolayı oluşan buzlanma göreceli olarak yeni araştırılmaya başlanmış bir konudur. Ayrıca buzlanmaya sebep olan fiziksel mekanizma tam olarak henüz anlaşılamamış ve doğru olarak modellenememiştir. Bu problemin anlaşılması ve çözümü için konuyla ilgili birçok proje başlatılmıştır. Yüksek irtifa buz kristalleri (HAIC) projesi bu amaçla oluşturulan projelerden bir tanesi olarak 2012 yılında başlatılmış ve çalışmalar 2017 yılı Ocak ayında tamamlanmıştır. HAIC projesi konuyla ilgili değişik çalışma gruplarını bir araya getiren büyük çaplı bir Avrupa Birliği 7. çerçeve programı projesidir. Projenin amaçlarından bir tanesi de buz kristalinden dolayı oluşan buzlanma tahmini için modeller geliştirmektir. Proje çalışmaları süresince buz kristallerinin su damlacığından farklı olarak ısıtılan yüzeylere yaklaştıklarında kısmi olarak eriyerek veya yüzey üzerinde su tabakası oluştuğunda bir tehdit unsuru haline geldikleri gözlemlenmiştir. Buz kristalleri yörünge süresince veya yüzeye çarptıktan sonra eriyebilir. Bu sebepten ötürü yüzey üzerinde oluşan su tabakasının yüksekliğinin artması daha çok buz kristalinin yüzeye yapışmasına ve onların da erimesi durumunda su tabakasının yüksekliğinin daha çok artmasına ve yeterince soğuma sağlanırsa yüzey üzerinde buz oluşumuna sebep olmaktadır. Ayrıca proje süresince buz kristallerinin yüzeye çarpması ve yüzey üzerindeki buz birikimi üzerindeki erozyon etkisi için güvenilir modeller oluşturmak amacıyla bazı deneyler yapılmıştır. Bu tez kapsamındaki amaçlardan bir tanesi öz kaynaklarla geliştirilmiş olan buzlanma tahmin aracı TAICE'ın buz kristallerinden dolayı oluşan buzlanmanın tahmini için gerekli modellerin eklenerek kabiliyetlerinin artırılmasıdır. Bu amaçla yazılıma sürükleme katsayısı, ısı transferi, faz değişimi, çarpma, erozyon ve buz birikimi modelleri eklenmiştir. Eklenen bu modellerden bazıları literatürdeki deney sonuçları kullanılarak geliştirilmiş ve kalibrasyon yapılmıştır. Tez kapsamındaki bir başka amaç ise ikitabaka buz oluşumu modelinin karışık faz durumlarına uygun olarak kullanılabilmesi için geliştirilmesidir. ˙Iki-tabaka modelinde klasik Messinger modelinden farklı olarak denge sıcaklığı tahmini yerine su ve buz tabakaları boyunca sıcaklık değişimleri modellenerek buzlanma tahminin doğruluğu arttırılmıştır fakat bugüne kadar karışık faz problemleri kullanımı için uygun hale getirilmemiştir. Bu tezde iki-tabaka modeli karışık faz problemlerine de uygun hale getirilmiş ve eklenen diğer modeller ile birlikte doğrulaması yapılmıştır. Kullanılan tüm modeller teori kısmında açıklanmış ve geliştirilen yazılımın doğrulaması için NASA-NRC ve COX deneyleri kullanılmıştır. Ayrıca endüstri uygulamalarına örnek olması için motor hava alığı ve pitot tüp gibi bazı 2-B ve 3-B parçalar üzerinde buz birikimi hesaplamaları da tez kapsamında ele alınmıştır.
Özet (Çeviri)
Existence of ice crystals in convective clouds has become one of the major threats for flight safety. Several flight incidents have been reported in the last decades due to ice accretion around heated surfaces like air probes or on engine components. Ice accretion due to water droplets is a well studied issue. However, ice accretion due to ice particles is a relatively new aspect and the physics are not yet fully understood. Hence adequate models for representing the physical phenomena are very scarce. Within the recent years, several projects and groups have focused on this topic. High Altitude Ice Crystals (HAIC) project is one of them which has started in 2012 and completed in January 2017. HAIC FP7 European project is a large-scale integrated project and ice crystal accretion prediction is one of the issues within the scope of this project. It is observed in these studies that difering from water droplets, ice crystals generally pose a threat once they reach heated surfaces and either when they are partially melted or when water film is already accreted on the surface. Ice crystals can either melt completely during their trajectories by convection or melt upon impact on warmer components. Thus, the height of the liquid film on corresponding components increases resulting in more ice crystals sticking. This scenario causes reduction in local surface temperature and enhances the probability of in-flight incidents by developing suitable conditions for ice accretion. Within the scope of this thesis, one aim is to enhance capabilities of an in-house developed tool TAICE by including models related to ice crystals accretion. Drag coecient, heat transfer, phase change, impingement, erosion and accretion models have been implemented to TAICE. Some of them have been modified and further calibrated thanks to the available experimental results in literature. Another aim is to extend the two-layer ice accretion model (Extended Messinger Model) for mixed phase and glaciated icing conditions. In twolayer method, instead of predicting the equilibrium temperature in Original Messinger Model, temperature variation is modeled within the ice and water layers to improve accuracy of the prediction. Extension of the Messinger Model has not been performed up to now in the literature for ice crystal accretion and this motivates the study. All of the implemented models are detailed in theory part and validation of the tool has been performed by using NASA-NRC, COX and TUBS experiments. Moreover, some 2-D and 3-D industrial applications like ice accretion prediction on engine inlet and pitot-tube have been included in this thesis.
Benzer Tezler
- Numerical simulation of aircraft icing with an adaptive thermodynamic model considering ice accretion
Buz birikimini göz önüne alarak uyarlanmış bir termodinamik model ile uçakta buzlanmanın sayısal benzetimi
HADI SIYAHI
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- An ice accretion prediction tool for airfoils based on OpenFOAM
OpenFOAM'a dayalı uçak kanatları için bir buzlanma tahmin aracı
SEGHAER HOSSEIN EDEEB
Doktora
İngilizce
2019
Havacılık MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMühendislik Sistemlerinin Modellenmesi ve Tasarımı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN UMUR AKAY
PROF. DR. SERKAN ÖZGEN
- Uçaklarda buzlanmanın nümerik olarak incelenmesi ve uçuş profili boyunca hava tahmin modeli uygulaması
Numerical investigation of aircraft icing and practice of weather forecast model along flight profile
ÖMER AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
- Ice accretion simulation and scaling analysis for conceptual design of an icing wind tunnel
Buzlanma rüzgar tünelı̇nı̇n kavramsal tasarımı ı̇çı̇n buz oluşumu sı̇mülasyonu ve ölçeklendı̇rme analı̇zı̇
MEHMET HARUN ÖZKANAKTI
Doktora
İngilizce
2023
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN ÖZGEN
- In-flight icing simulation on engine nacelles
Hava alığı üzerinde uçuş esnasında buzlanma simülasyonu
NERMİN UĞUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN ÖZGEN