3D aircraft icing code development based on high resolution icing wind tunnel tests

Aircraft icing occurs when aircraft fly through clouds containing so-called supercooled droplets. These are liquid droplets whose temperature is below freezing. When these supercooled droplets hit the aircraft surface, they usually freeze immediately, resulting in ice buildup. Unfortunately, several incidents and accidents have occurred in recent years due to ice buildup. The aerospace industry must develop sustainable, cost-effective and ultimately safe ice protection systems and prove their functionality in rigorous certification procedures. According to the current state of the art, the determination and characterization of ice formation on aircraft structures is mainly carried out experimental tests (in icing wind tunnels or under natural or artificial icing conditions during flight testing) and mainly 2D simulation tools are used. The experimental methods are time-consuming and costly and lead to very conservative system designs due to their uncertainties.

The 3D-ICESIM project aims to develop a well-validated 3D icing code as a solution. A well-validated 3D icing code would be of great benefit to the development process of new ice protection systems and innovative aircraft. This can significantly reduce the testing effort in icing wind tunnels and in flight, and improve and accelerate the development process. In addition to the resulting time and cost savings, there is also a positive effect on the climate and the environment. By optimizing the testing effort and more efficient ice protection systems, energy consumption and emissions are significantly reduced. The prerequisite for this is close and long-term cooperation in the field of developing 3D ice codes to simulate ice formation in order to maintain and further strengthen competitiveness with regard to industrial and research applications in an international environment. The existing icing codes developed by FH JOANNEUM, AeroTex and the University of Seoul will be merged and further developed together. Documentation methods are being developed and refined to significantly increase the output of experimental icing tests. These include water impact measurements, the determination of local ice density and the measurement of the local heat transfer coefficient.

High-quality 3D validation data is generated during an icing wind tunnel test campaign in RTA's climatic wind tunnel. The tests are recorded using both the newly developed methods and modern existing documentation methods such as 3D and 4D scanning. The validation data is evaluated accordingly and integrated into the world's largest searchable online validation database for experimental icing tests.

The following three overarching goals are defined:

1) Merging the existing simulation tools (FHJ, ATX and SNU) and pooling development capacities to develop advanced 3D ice deposition tools.

2) Developing new and improved experimental documentation methods to enable the generation of high-quality validation data.

3) Generation and evaluation of high-quality 3D validation data.

[Original text]
"3D aircraft icing code development based on high resolution icing wind tunnel tests"
Flugzeugvereisung tritt auf, wenn Flugzeuge durch Wolken fliegen, die sogenannte unterkühlte Tröpfchen enthalten. Darunter versteht man flüssige Tröpfchen, deren Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Wenn diese unterkühlten Tröpfchen auf die Flugzeugoberfläche auftreffen, gefrieren sie in der Regel sofort, was zu Eisanlagerungen führt. Bedauerlicherweise kam es auch in den letzten Jahren zu mehreren Zwischenfällen und Unfällen aufgrund von Eisanlagerungen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie muss nachhaltige, kosteneffiziente und letztlich sichere Eisschutzsysteme entwickeln und deren Funktionalität in strengen Zertifizierungsverfahren nachweisen. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden zur Bestimmung und Charakterisierung der Eisbildung auf Flugzeugstrukturen hauptsächlich experimentelle Tests (in Vereisungswindkanälen oder unter natürlichen bzw. künstlichen Vereisungsbedingungen während der Flugerprobung) durchgeführt und hauptsächlich 2D-Simulationswerkzeuge verwendet. Die experimentellen Methoden sind zeit- und kostenaufwendig und führen aufgrund ihrer Unsicherheiten zu stark konservativen Systemauslegungen. 

Das Projekt 3D-ICESIM zielt darauf ab einen gut validierten 3D-Vereisungscode als Lösung zu entwickeln. Ein gut validierter 3D-Vereisungscode wäre für den Entwicklungsprozess neuer Eisschutzsysteme und innovativer Flugzeuge von großem Nutzen. Damit kann der Testaufwand in Vereisungswindkanälen und im Flug deutlich reduziert werden, sowie der Entwicklungsprozess verbessert und beschleunigt werden. Neben der resultierenden Zeit- und Kostenersparnis, entsteht auch ein positiver Effekt für das Klima und die Umwelt. Durch Optimierung des Testaufwands und effizienteren Eisschutzsystemen werden Energieverbrauch und Emissionen wesentlich reduziert. Die Voraussetzung hierfür ist eine enge und langfristige Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Entwicklung von 3D-Eiscodes zur Simulation des Eisansatzes, um die Wettbewerbsfähigkeit im Hinblick auf Industrie- und Forschungsanwendungen in einem internationalen Umfeld zu erhalten, und noch weiter zu stärken. Die bestehenden Vereisungscodes, die von der FH JOANNEUM, AeroTex und der Universität Seoul entwickelt wurden, werden zusammengeführt und gemeinsam weiterentwickelt. Methoden zur Dokumentation werden neu- und weiterentwickelt, um den Output von experimentellen Vereisungsversuchen deutlich zu erhöhen. Dazu gehören Wasseraufprallmessungen, die Bestimmung der lokalen Eisdichte sowie die Messung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten. 

Hochwertige 3D-Validierungsdaten werden während einer Vereisungswindkanal-Testkampagne im Klimawindkanal von RTA generiert. Die Versuche werden sowohl mit den neu entwickelten Methoden als auch mit modernen existierenden Dokumentationsmethoden wie 3D- und 4D-Scanning erfasst. Die Validierungsdaten werden entsprechend ausgewertet und in die weltweit größte durchsuchbare Online-Validierungsdatenbank für experimentelle Vereisungstests integriert.  

Folgende drei übergeordnete Ziele werden definiert: 

1) Zusammenführung der bestehenden Simulationswerkzeuge (FHJ, ATX und SNU) und Bündelung der Entwicklungskapazitäten, um fortschrittliche 3D Eisanlagerungstools zu entwickeln. 

2) Entwicklung neuer und verbesserter experimenteller Dokumentationsmethoden, um die Generierung hochwertiger Validierungsdaten zu ermöglichen. 

3) Erzeugung und Auswertung von hochwertigen 3D-Validierungsdaten.