Droplet-wall interaction modelling for in-flight ice accretion

Ice accretion is one of the main concerns about in-flight applications and it plays a crucial role in aircraft design and safety requirements. When an aircraft or rotorcraft flies in cold wet air, water collected from clouds may freeze on its surfaces, leading to a degradation of aerodynamic performances which may severely compromise controllability and passengers safety. Ice protection systems improve safety standards, but their design requires a deep knowledge of the icing phenomenon and an accurate prediction of the related performance degradation. In this context, the challenge of an improvement of numerical ice accretion prediction tools arises and the present work stems from this need. The framework for ice accretion simulations developed at Politecnico di Milano is updated by merging the open-source suite SU2 for the computation of the flow field and the in-house codes performing the computation of particle trajectories (PoliDrop) and ice accretion (PoliMIce). In particular, the present thesis improves the particle tracking code including a more detailed description of the behaviour of Supercooled Large Droplets (SLD). These droplets, due to their bigger dimension, have a greater tendency to deform under the influence of aerodynamic shear forces and they are more likely to splash or rebound upon impact on the surface. If this happens, only a portion of the approaching mass is deposited at the predicted impingement location while the splashed or rebounded mass fraction is re-introduced into the flow field. This may potentially result in re-impingements on aerodynamic surfaces located downstream of the impact position. Different drag coefficients for droplets and droplet-wall interaction models are implemented in the particle tracking code and results are compared with reference solutions and experimental data in order to assess their accuracy. A modified splashing model is introduced, which leads to a significant improvement in the collection efficiency computation. Conversely, the rebound model is used to simulate the behaviour of Super Hydrophobic Surfaces (SHS), whose surface roughness can be exploited in the design of anti-icing systems. Particle tracking simulations are performed to study the influence of different flight and atmospheric conditions on the impingement limits and on the effectiveness of two different SHS.

L’accrescimento di ghiaccio è uno dei principali problemi in campo aeronautico e riveste un ruolo fondamentale nella progettazione di velivoli per quanto riguarda i requisiti di sicurezza. Quando un velivolo vola in aria fredda e umida, l’acqua presente nelle nuvole può impattare sulla sua superficie e congelare, causando un degrado delle prestazioni aerodinamiche che può compromettere la controllabilità del velivolo e la sicurezza dei passeggeri. I sistemi anti-ghiaccio migliorano gli standard di sicurezza, ma una corretta progettazione richiede una profonda conoscenza del fenomeno dell’icing e una previsione accurata del degrado delle prestazioni. In questo contesto nasce la necessità di migliorare i codici numerici per la previsione dell’accrescimento di ghiaccio, da cui deriva il lavoro qui presentato. La piattaforma per simulare l’accrescimento di ghiaccio sviluppata al Politecnico di Milano è stata aggiornata interfacciando il software open-source SU2 per il calcolo del campo di moto con i codici per il calcolo delle traiettorie delle gocce (PoliDrop) e dell’accrescimento di ghiaccio (PoliMIce). In particolare, la tesi migliora il codice di calcolo delle traiettorie, includendo una descrizione più accurata del comportamento delle Supercooled Large Droplets (SLD). A causa delle loro dimensioni, queste gocce presentano una maggiore tendenza a deformarsi per effetto degli sforzi aerodinamici ed è inoltre più probabile che si verifichino fenomeni di splash e rimbalzo a seguito dell’impatto sulla parete. Se ciò avviene, solo una porzione della goccia incidente viene depositata sulla superficie, mentre una frazione della massa viene reimmessa nella corrente sotto forma di gocce secondarie. Ciò può provocare successivi impatti sulle superfici aerodinamiche poste a valle. Diversi modelli per il coefficiente di resistenza della goccia e per l’interazione goccia-parete sono stati implementati nel codice di tracciamento delle traiettorie e i risultati sono stati confrontati con soluzioni di riferimento e dati sperimentali per valutarne l’accuratezza. Il modello introdotto per lo splash permette di ottenere un notevole miglioramento nel calcolo della collection efficiency, mentre il modello di rimbalzo è stato usato per simulare il comportamento di superfici superidrofobe (SHS), la cui rugosità superficiale può essere utilizzata per progettare sistemi anti-ghiaccio. Sono quindi state effettuate simulazioni per studiare l’influenza di diverse condizioni di volo e atmosferiche sui limiti di impatto e sull’efficacia di due diverse SHS.