Die Vereisung durch Schnee- und Eiskristalle stellt in der Luftfahrt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Eiskristalle, die in Triebwerke eingesaugt werden, können teilweise schmelzen, wodurch das Anhaften der Eispartikel an Triebwerkskomponenten erleichtert wird. Auftretende Eisansammlungen verschlechtern die Triebwerksleistung und deren Ablösen kann die Verbrennung zum Erlöschen bringen oder schwere Schäden verursachen. Hubschrauber sind insbesondere durch nassen Schnee gefährdet, der den Triebwerkseinlass verstopfen kann, wodurch die Effizienz beeinträchtigt wird und es zu einem Flammabriss kommen kann, wenn das Eis in das Triebwerk gelangt. Die damit verbundenen physikalischen Phänomene sind vielfältig und noch nicht vollständig verstanden.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Einblick in mehrere entscheidende Prozesse zu geben, die an der Schnee- und Eiskristallvereisung beteiligt sind. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Transportprozesse von Schneeflocken in Luftströmungen untersucht.

Numerische Werkzeuge zur Vereisungsvorhersage erfordern genaue Modelle für die Berechnung der Trajektorie und des Flüssigkeitsanteils von Schneeflocken, was aufgrund deren komplexer Form eine Herausforderung darstellt. Um die Vorhersage des Widerstandsbeiwertes zu verbessern, wird eine experimentelle Studie mit künstlichen Schneeflocken durchgeführt. Zusätzlich wird ein theoretisches Modell entwickelt, das auf der konvexen Hülle des Partikels basiert. Dieses Modell ermöglicht die Schätzung dreidimensionaler Beschreibungsgrößen anhand zweidimensionaler Partikelprojektionen, wodurch die für die Vorhersage des Luftwiderstandes von Schneeflocken erforderlichen Informationen drastisch reduziert werden.

Das Schmelzen von im Labor erzeugten Schneeflocken wird experimentell untersucht. Ein theoretisches Modell wird vorgeschlagen und durch den Vergleich der vorhergesagten Größenentwicklung und Schmelzdauer mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Das neue Modell erfordert weniger Empirie als frühere Modelle und ist in der Lage, unterschiedliche Partikelmorphologien zu berücksichtigen.

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Wassertransports in porösen Eisschichten. Zunächst wird das Aufsaugen von Wasser in schmelzende granulare Eisschichten untersucht. Ein kapazitiver Sensor wird entwickelt und eingesetzt, um die räumlich und zeitlich aufgelöste Flüssigkeitsverteilung während des Prozesses zu charakterisieren. Es wird festgestellt, dass die Sättigung der Poren mit abnehmender Porosität ansteigt. Eine abnehmende Korngröße, sowie eine zunehmende, durch das Schmelzen bedingte Volumenstromdichte, führen zu einem steileren Abfall der Sättigung.

Schließlich wird ein kapazitives Messinstrument für den Einsatz in Vereisungswindkanälen entwickelt. Dieses neuentwickelte Instrument ermöglicht die Untersuchung der Flüssigkeitsverteilung in Eisanwüchsen, welche zuvor in experimentellen Untersuchungen nicht gemessen werden konnte. Die durchgeführten Windkanalversuche zeigen einen Zusammenhang zwischen dem Flüssigkeitsanteil einer anwachsenden Eisschicht und ihrer Wachstumsrate.

Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine verbesserte Vorhersage der Schnee- und Eiskristallvereisung und können so die Sicherheit und Effizienz in der Luftfahrt verbessern.