Un modello semplificato per l'accrescimento di ghiaccio su profili alari oscillanti

The study of ice accretion is of fundamental importance in many aeronautical applications. Several models have already been introduced to estimate ice formation, but most are able to provide a solution in the steady or quasi-steady flow. In this work an unsteady ice accretion study is conducted, due to the oscillation motion of airfoils. In order to predict the ice accretion in unsteady flow, a two-dimensional code has been developed to solve the equation of the unsteady potential flow and the drop trajectories are calculated with an explicit integration scheme. Both have been verified in comparison with reference solutions. Among the parameters involved in ice accretion estimation, the one most affected by the unsteady effects is the collection efficiency, for which is chosen a time-average definition. This parameter depends on the reduced frequency of oscillation, its amplitude, and the position of the rotation center. It has been observed that as the reduced frequency increases, the impact limits remain unchanged, while the maximum value assumed by the collection efficiency converges to the maximum one obtained by the steady approximation. As the oscillation amplitude increases, the impact limits move gradually towards the trailing edge, while the maximum value of the collection efficiency decreases. Finally, if the center of rotation moves backwards, the wet surface increases progressively to the trailing edge. Ice accretion is evaluated with the PoliMIce computing code. After a sufficiently long time interval the total ice formation estimated by the sum of the increments evaluated using the time-average definition of the collection efficiency is the same to the sum of the increments evaluated after impact of each injection front of drops. The second approach is to be preferred because it has a computational cost much lower compared to the first one. Finally, some comparisons of ice accretion between the results obtained in the present code and the experimental data of helicopter applications are proposed.

Lo studio della formazione del ghiaccio è di fondamentale importanza in molte applicazioni aeronautiche. Sono già stati introdotti diversi modelli per prevederne l'accrescimento, ma la maggior parte opera nell'ipotesi di flusso stazionario o quasi stazionario. In questo lavoro di tesi viene condotto uno studio di formazione del ghiaccio in regime instazionario dovuto al moto oscillatorio di un profilo aerodinamico. Per la soluzione dell'equazione del potenziale instazionario è stato sviluppato un codice bidimensionale, mentre per il calcolo delle traiettorie delle gocce è stato utilizzato uno schema d'integrazione esplicito. Entrambi i codici sono stati confrontati con soluzioni di riferimento. Tra i parametri utili alla previsione del ghiaccio, a risentire maggiormente dell'instazionarietà è la collection efficiency, di cui ne è stata introdotta una formulazione mediata nel tempo. Questa, come atteso, dipende dalla frequenza ridotta di oscillazione, dalla sua ampiezza e dalla posizione del centro di rotazione. All'aumentare della frequenza ridotta i limiti d'impatto rimangono invariati, mentre il modulo massimo della collection efficiency converge a quello ottenuto approssimando il problema come stazionario. All'aumentare dell'ampiezza di oscillazione i limiti di impatto si spostano verso il bordo di uscita, mentre il modulo massimo della collection efficiency diminuisce. Infine per posizioni del centro di rotazione più arretrate, aumenta la superficie bagnata sia lungo il dorso che lungo il ventre del profilo. L'accrescimento di ghiaccio è stato valutato con il codice di calcolo PoliMIce. Dopo un intervallo di tempo sufficiente la formazione di ghiaccio complessiva valutata come somma degli accrescimenti ottenuti con la definizione di collection efficiency mediata nel tempo è la stessa di quella valutata come somma degli accrescimenti a seguito dell'impatto di singoli fronti di gocce consecutivi. Dai casi test analizzati in questo lavoro si è osservato che il secondo approccio è da preferirsi poiché ha un costo computazionale molto inferiore al primo. Infine vengono proposti confronti di accrescimento del ghiaccio con diversi dati sperimentali di ambito elicotteristico.