Development of a Laser Optical Measurement Technique for the Characterization of Particle Clouds in Icing Wind Tunnels

LOM-Ice is researching the innovative use of an optical laser measurement technique to quantitatively characterize particle clouds generated in the climatic wind tunnel for aviation testing. For the first time, a measurement technique is being researched and tested in the RTA climatic wind tunnel (KWK) that is both non-intrusive and able to capture a wide spatial area and a large set of cloud properties.

Testing aircraft in snow and ice conditions is required by the European Aviation Safety Agency (EASA) to demonstrate conformity with the certification regulations (CS-23/25/27/29). Testing in a climatic wind tunnel is one of the most important verification methods in this regard. Snow and ice conditions are created in the climatic wind tunnel by injecting water particles (liquid droplets or ice particles) into the air jet. The major challenges of testing super-cooled large droplets require detailed characterization and monitoring of the injected particle clouds. This is particularly important in snow conditions, where data collection is essential for the development of generation technologies and reliable physical and numerical models to support certification. In this respect, it is essential to reliably determine many cloud properties (particle size distribution, shape, velocity, trajectory, and total liquid or water content). In addition, the measured quantities must be recorded over wide spatial and temporal spans to demonstrate uniformity and reproducibility of the conditions. The current state-of-the-art measurement techniques are based on different types of probes that scan multiple locations to provide all the information. This is very time-consuming and expensive.
LOM-Ice will investigate (i) whether it is possible to develop a versatile measurement technique that has all the required properties and (ii) whether and to what extent the measurement technique can be used for testing in CHP for aviation applications. For this purpose, an innovative laser-optical measurement technique for the non-intrusive and wide-area detection of particle clouds will be developed. This approach has the potential to enable a complete, end-to-end and cost-effective characterization of test conditions in CHP. The capabilities of the measurement technology will be evaluated using simplified and CHP experiments and validated using the shadowgraphy technique and precipitation imaging probe. The experiments will primarily focus on snow conditions, as this is the least investigated research area. The high uncertainty regarding the accuracy of the measurement technology represents a considerable risk for the proposed project.
If successful, LOM-Ice will represent a significant improvement in the characterization of snow conditions in the climatic wind tunnel and thus provide RTA with a considerable tool to support CHP calibration and testing. The proposed measurement technology is highly necessary to bridge existing technological and modeling gaps in snow testing. Ultimately, this strengthens the capabilities of RTA and thus contributes to the competitiveness of Austrian research and technology organizations in the field of simulation and testing for ice and snow.

[Original text]
"Development of a Laser Optical Measurement Technique for the Characterization of Particle Clouds in Icing Wind Tunnels"
LOM-Ice erforscht den innovativen Einsatz einer optischen Lasermesstechnik zur quantitativen Charakterisierung von im Klima-Wind-Kanal entstandenen Partikelwolken für Luftfahrttests. Erstmals wird im RTA Klima-Wind-Kanal (KWK) eine Messtechnik erforscht und getestet, die sowohl nichtintrusiv als auch in der Lage ist, ein breites räumliches Gebiet und eine große Menge von Wolkeneigenschaften zu erfassen.
Das Testen von Flugzeugen in Schnee- und Eisbedingungen wird von der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) vorgeschrieben, um Konformität mit den Zertifizierungsbestimmungen (CS-23/25/27/29) nachzuweisen. Tests in einem Klima-Wind-Kanal stellen in dieser Hinsicht eine der wichtigsten Nachweisverfahren dar. Schnee- und Eisbedingungen werden im Klima-Wind-Kanal durch Injektion von Wasserpartikeln (flüssige Tröpfchen oder Eispartikel) in den Luftstrahl erzeugt. Die großen Herausforderungen beim Testen von supergekühlten großen Tröpfchen erfordern detaillierte Charakterisierung und Monitoring der injizierten Partikelwolken. Das ist bei Schneebedingungen besonders wichtig, wo die Datenerhebung essenziell für die Entwicklung von Erzeugungstechnologien sowie zuverlässiger physikalischer und numerischer Modelle zur Unterstützung der Zertifikation ist. In dieser Hinsicht ist es essentiell, viele Wolkeneigenschaften (Teilchengrößenverteilung, Form, Geschwindigkeit, Trajektorie, sowie Gesamtflüssigkeits- oder Wassergehalt) zuverlässig zu ermitteln. Darüber hinaus müssen die Messgrößen über weite räumliche und zeitliche Spannen erfasst werden um Einheitlichkeit und Reproduzierbarkeit der Bedingungen nachzuweisen. Die aktuell modernsten Messverfahren basieren auf verschiedenen Arten von Sonden, die mehrere Standorte abtasten um alle Informationen zu liefern. Das ist sehr zeitaufwändig und teuer.
LOM-Ice soll erforschen (i) ob es möglich ist eine vielseitige Messtechnik zu entwickeln, die alle benötigten Eigenschaften aufweist und (ii) ob und in welchem Ausmaß die Messtechnik für das Testen in KWK für Luftfahrtanwendungen eingesetzt werden kann. Dazu wird eine innovative laser-optische Messtechnik zur nichtintrusiven und breitflächigen Erfassung von Partikelwolken entwickelt. Diese Herangehensweise hat das Potenzial eine komplette, durchgehende und kostengünstige Charakterisierung von Testkonditionen in KWK zu ermöglichen. Die Fähigkeiten der Messtechnik werden mittels vereinfachter sowie KWK-Experimenten evaluiert und unter Einsatz der Shadowgraphy-Technik und Precipitation Imaging Probe validiert. Die Versuche werden primär auf Schneebedingungen fokussiert sein, da dies das am wenigsten untersuchte Forschungsgebiet darstellt. Die hohe Unsicherheit hinsichtlich der Genauigkeit der Messtechnik stellt ein beträchtliches Risiko für das vorgeschlagene Projekt dar.
Im Erfolgsfall wird LOM-Ice eine erhebliche Verbesserung der Charakterisierung von Schneebedingungen im Klima-Wind-Kanal darstellen und RTA somit ein beachtliches Werkzeug zur Unterstützung der KWK-Kalibrierung und des Testens an die Hand geben. Die vorgeschlagene Messtechnik ist höchst notwendig um vorhandene technologische und Modellierungslücken beim Schneetesten zu überbrücken. Letztendlich stärkt dies die Fähigkeiten von RTA und trägt somit zur Wettbewerbsfähigkeit der österreichischen Forschungs- und Technologieorganisationen im Bereich der Simulation und des Testens für Eis- und Schnee bei.