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
Yazar: ÖMER AKBAL
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Atmosfer modelleri = Atmospheric models ; Havacılık meteorolojisi = Aeronautic meteorology ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Buzlanma, bulut içerisindeki aşırı soğumuş su damlacığın sıvı fazda halini sürdürmesi ile donma sıcaklığının altında veya civarındaki sıcaklıklarda, uçuş esnasında uçak yapısı üzerinde direk hava akışına maruz kalan bölgelerde tutunarak gelişen, uçaklar için tehlike arz eden önemli bir meteorolojik hadisedir. Havacılıkta, buzlanma önemli bir uçuş riski olarak tanımlanır. Buzlanma uçağın dış yüzeylerindeki bölgelerde, genellikle kanat hücum kenarları gibi ince yapılarda ve küçük yarıçapa sahip bölgelerin ön kısımlarda görülmekte olup, uçuş performansını ve emniyeti olumsuz etkiler. Dolayısıyla, uçağın çevresel koşullara karşı hayatına idame ettirme yeteneğine sahip olması gerektiğinden ve emniyetli olarak uçuşa devam etmesi adına sertifikalandırma sürecinde buzdan koruma sistemi donanımına ihtiyaç vardır. Buzdan koruma sistemi seçimi ve bilinen buzlanma koşullarında uçuş gerçekleştirme süresince de buzlanmayı etkileyen meteorolojik ve aerodinamik parametrelerin etkisinin incelenmesi gerekmektedir. 
Uçak kanadı üzerinde buz birikiminin nümerik olarak çözümleme sürecinde,  hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi olan OpenFoam ile hava hızı ve taşınımlı ısı transfer katsayısı hesaplanmıştır. Kanat yüzeyi ile havada bulunan su damlacığı arasında termodinamik ve enerji dengesi genişletilmiş messinger modeli kullanılarak yüzey üzerinde maksimum hava hızı görülen bölgede buz birikim kalınlığı hesaplanıp, buzun çeşidi belirlenmiştir. 
Kanat yüzeyi üzerindeki kırağı buz birikimi belirli bir zamandan sonra camsı buza geçtiği süre ve camsı buza geçiş sürecinde yüzey üzerindeki su tabakasının kalınlığı hesaplanmıştır. Camsı buzlanma tipi kırağı buzlanma tipine göre akış alanını önemli ölçüde etkilediğinden dolayı daha tehlikelidir. Buz birikim kalınlığı hava hızı, sıvı su içeriği, birikim verimliliği ve hava sıcaklığa bağlı olarak paremetrik incelenmiştir. Sıvı su içeriğinin artması, uçak üzerinde görülen buz tipinin kırağı tipinden camsı şekline dönüşmesine etki ettiği görülmüştür. Hava sıcaklığının düşmesi buz kalınlığı değerinden daha çok oluşan buzun çeşidini değiştirdiği tespit edilmiştir. Hava sıcaklığı donma seviyesinin altında olduğu sıcaklıklarda, sıfır dereceye yakın sıcaklıklarda daha çok camsı buz oluşumuna neden olurken, daha düşük sıcaklıklarda ise kırağı buz oluştuğu gözlemlenmiştir. Birikim verimliliği değeri ise doğrudan buz kalınlığının artışı ile oranlıdır. Birikim verimliliği ise uçak kanat geometrisi, damlacık çapı, hücum açısına bağlı olarak değişmektedir. Dolayısıyla, havada bulunan damlacıkların çapının ve konsantrasyonun artması, geometrinin küçülmesi, hücum açısının artması da hava hızı ve ışınımlı transfer katsayısının da artışı ile buz birikim değerinin artmasına neden olduğu görülmüştür. Hava hızı değerinin artması ile de buz birikim değeri arttığı görülmüştür. Fakat ses üstü hava hızlarında yüzey üzerinde aerodinamik ısınmadan kaynaklı buz oluşumu gözlemlenmemektedir.
İrtifa parametresinin uçuş profili, performansı ve uçuş rotası boyunca buzlanma oluşumu üzerinde önemli bir etkisi vardır. Tez kapsamında ilk olarak raporlanan buzlanma hadiseleri verileri kullanılarak Türkiye İSTANBUL FIR sahasında potansiyel buzlanma yükseklikleri belirlenmiştir. Atmosferin dinamik yapısından dolayı buzlanmayı etkileyen meteorolojik parametrelin gün, yatay ve düşey eksen boyunca değişikliği söz konusudur. Havada bulunan sıvı su içeriğinin oluşması hakkında teorik bilgilerin olmasına rağmen gerçek zamanlı parametrelerin tahmini bilgisayarların ve modellerin gelişimi ile söz konusu olmuştur. Dolayısıyla, uçuş profili ve rotası boyunca potansiyel buzlanma bölgesinin WRF hava tahmin modeli ile tahmin edilerek buz birikimi ile ilişkilendirilmiştir. Belirlenen uçuş profili boyunca buzlanma bölgelerinin önceden WRF hava tahmin modeli kullanılarak belirlenerek uçak yüzeyindeki bir bölgede buz birikim kalınlığı ve tipi hesaplanıp, yüksekliğe göre değişimi saatlik tahmin olacak şekilde gösterilmiştir. Raporlanan SIGMET ve AIRMET verilerine göre, buzlanma 1500 m ile 4500 m aralığında gözlemlenirken, en sık yaşanan yükseklik 2500 m irtifasındadır. WRF modeli ile buz birikim modelinin sonucunda uygun meteorolojik ve aerodinamik koşullar altında belirlenen rota üzerinde buz birikimi irtifalara göre değişiklik göstermiştir. 700 m altında ve 2200 m yukarısında Türkiye üzerinde belirlenen bir rota üzerinde ve zamanda buzlanma görülmediği tahmin edilmiştir. Buz birikim değeri ise rota boyunca değişiklik göstermekle birlikte deniz üzerinde daha yüksek değerlere ulaştığı modellenmiştir. Maksimum 14 mm kalınlığa ulaşan buzlanma 1600 m yüksekliğinde camsı buz şeklinde tahmin edilmiştir. Ek olarak, yüzey üzerinde buz oluşumu için gerekli enerji dengesinin kurulabilmesindeki için geçen süre yaklaşımı hava hızı ile WRF çözünürlüğüne göre belirlenmiştir.

Abstract:
Icing is an important atmospheric phenomenon which has dangerous effects on aircraft and ice develops by clinging to areas exposed to direct air flow on the aircraft structure surfaces during in-flight at below or near freezing temperatures as the particle or supercooled water droplet in the cloud maintains its liquid state. In aviation, icing is defined as an important flight risk. Icing occurs in areas on the outer surfaces of the aircraft, usually in thin structures such as wing and tail leading edges, propeller, windshield, antennas, air intake zone, engine, flight sensors and in the front of small radius areas, adversely affecting flight performance and safety. Therefore, there is a need for an ice protection and detection system in the certification process to ensure that the aircraft must be capable of maintaining its life against environmental conditions and that it continues to fly safely. There are several types of ice protection and ice detection systems. The ice protection system equipment is selected considering weight, power consumption, applicability, cost, design, flight profile parameters. Therefore, it is not possible to define the best ice protection system for aircraft. System design should be chosen in accordance with requirements of aircraft.
Meteorological and aerodynamic parameters are main factocrs affecting ice accumulation on the aircraft. Liquid water content, air temperature, droplet diameter, altitude, collection efficiency are evaluated as meteorological parameters while air speed, aircraft geometry such as chord distance and time in known icing condition are evaluated as aerodynamic parameters. These parameters effect the icing needs to be  examined during the selection of the ice protection system and during the flight into known icing conditions. Furthermore, supercooled water droplet is fundamental parameters for ice formation on aircraft surface. Supercooled water droplets cores have properties maintaining water between -40 °C and 0 °C temperatures without any condensation nuclei. While maintaining the liquid phase of the supercooled droplets, under suitable atmospheric conditions, water film is required for ice formation. In this process, the energy balance, the elapsed time and pressure between the surface and droplet particles are important for ice formation process. Also, the description of clouds are an important determinant of icing. There are two kinds of clouds cause icing on the aircrafts which are stratiform and cumuliform clouds.
There are several methods for the investigation of ice accumulation under certain meteorological and flight conditions on the aircraft. Experimental icing tunnel and flight tests such as natural icing flight tests and artifical ice shape method complicate the design process in both time and cost. Therefore, interest in icing studies with numerical approach has increased. In thesis, numerical analysis process of ice accumulation on aircrafts, air speed and convective heat transfer coefficient were calculated with OpenFoam which is open source computational fluid dynamics method. NACA 0012 airfoil is selected as wing-geometry platform for ice accretion analysis. For fluid flow analysis, Spalart-Allmaras model are chosen as the turbulence model and validated with pressure and lift & drag coefficient values with existence literature data certain flight conditions and different angle of attacks. Convective heat transfer coefficient is also calculated with integral boundary layer method to compare OpenFoam results. Both calculations of heat transfer coefficients are compatible with each other. Moreover, along the airfoil surface at the specified angle of attack, maximum air speed and heat transfer coefficient  value and region are extracted from CFD results to operate as input for thermodynamic and energy balances approach which based on extended messinger method in one dimensional solution. After that, ice accumulation is calculated in the region where maximum air speed and convective heat transfers coefficient are observed on the surface by the numerical approach and the type of ice is determined as rime or clear ice.
Ice accumulation on the wing surface passes the rime from ice to clear ice at a certain time. The thickness of the water layer on the surface is also calculated during the transition to clear ice. Clear ice type is more serious than rime ice type due to its significantly affets the aerodynamic flow and run-back ice. In this study, thickness of ice accumulation is evaluated as parametric depending on air velocity, liquid water content, collection efficiency and air temperature. The increasing in the liquid water content has been shown to affect the conversion of the ice type seen on the aircraft from the rime to the clear ice type. As a result of this section of study, it was found that the decrease in the air temperature changed the icing type and shape more than the ice thickness value. At temperatures where the air temperature is below freezing level, clear ice formation is observed at temperatures close to zero degrees and rime ice is mostly formed at more lower air temperatures. The collection efficiency value is directly proportional to the increase in ice thickness. Collection efficiency varies depending parameters such as airspeed, aircraft geometry, droplet diameter and angle of attack. Therefore, it has been observed that the increase in ice accumulation value increases with increasing diameter and concentration of droplets, decreasing geometry, increasing angle of attack and increasing airspeed and convective heat transfer coefficient. It is shown that with the increasing of air velocity value, ice accumulation value also increased. However, at supersonic air speeds, ice formation is not observed on the surface due to heat is generated by friction which is aerodynamic heating.
The altitude parameter has a significant effect for ice accumulation on aircraft along the flight profile and route. Firstly, the altitude effect was anaylzed by SIGMET and AIRMET report obtained from the Turkish State Meteorological Service between 2015 and 2017 years to determine potential icing heights and location on Istanbul FIR field. Atmospheric icing potential is not easy to forecast, however, there are some therotiacal atmospheric process producing aircraft icing conditions such as barrier forcing, frontal forcing, shear enhancement of large water droplet size by aggretion and advection. Nevertheless, due to the dynamic nature of atmosphere, meteorological parameters affecting the icing change rapidly along the horizontal and vertical axis hourly. Therefore, real-time forecasting of atmoshperic parameters made possible by the development of computers and models. Because of that the potential icing area along the flight profile and route was estimated by the WRF weather forecast research model and enable to associate with ice accumulation. The WRF model has been calculated for the estimated hourly temperature, pressure, wind, humidity and liquid water content. Icing zones were determined using the WRF weather prediction model with 9 km resolution, and thickness and type of ice accumulation in an area on the surface of the aircraft were calculated along the flight profile. Then, variation of ice accretion with respect to altitudes are shown as an hourly forecast for specified day. According to the reported SIGMET and AIRMET data, icing is observed in the range of 1500 m to 4500 m, while the most frequent altitude is found as 2500 m altitude.
As a result of the WRF and ice accretion model, ice accumulation on the route under appropriate meteorological and aerodynamic conditions varied according to the altitudes. Icing estimation is not expected between below 700 m and above 2200 m on a specific route over Turkey. Ice accumulation values varies along the route but it is modeled to reach higher values on the sea. The icing reaching a maximum thickness of 14 mm was estimated as clear ice at a height of 1600 m. In addition, the time approach for establishing the energy balance required for ice formation on the surface was determined by airspeed of aircraft and WRF resolution.