A Lagrangian 3D particle tracking solver for in-flight ice accretion

The study of particle laden flows is of great importance in the modelling of diverse problems in science and engineering; for example pollution dispersion in the atmosphere or tracking of water droplets in the air near a flying object. The latter is a problem arising in the simulation of in-flight ice accretion which occurs if the aircraft flies through a cloud of supercooled droplets. In the present thesis, in-flight icing is simulated using the software suite PoliMIce developed at Politecnico di Milano. The computation of the water mass impinging the aerodynamic surfaces of a plane is obtained via the solution of the flow of water droplets in air by means of an Eulerian-Lagrangian solver. The particle tracking accounts for the Lagrangian part of the solver and it is addressed in this thesis. The accuracy of the particle solver is the main focus of this work. The effects of the interpolation strategy used to compute the forces acting on the particles, together with the numerical scheme for integrating the particles trajectories are evaluated. A particle tracking scheme for unstructured meshes is presented, making use of multiple precision arithmetics to address some robustness issues. A particle tracking code was developed implementing the algorithms devised and it was used to replicate experimental data in both two and three dimensional cases. Numerical simulations compare fairly well with available experimental data, thus confirming the correctness of the present approach. A parallel implementation using MPI is also provided for distributed memory architectures.

Diversi problemi di interesse scientifico ed ingegneristico riguardano correnti fluide di gas o liquidi al cui interno si trovano particelle in una fase differente (solida, liquida o gassosa). La diffusione di inquinanti nell’atmosfera e il moto di gocce d’acqua in una corrente d’aria sono solo alcuni esempi di questo tipo di correnti. Il secondo problema è tipico della modellazione dell’accrescimento di giaccio in volo, che avviene quando un aereo vola attraverso una nuvola contente gocce d’acqua in uno stato metastabile detto sottoraffreddato. Le gocce di acqua solidificano all’impatto o in istanti successivi causando la formazione di ghiaccio sul velivolo, che pone importanti problemi di sicurezza e può limitare l’inviluppo di volo. In questa tesi l’accrescimento di ghiaccio è simulato attraverso il codice PoliMIce sviluppato al Politecnico di Milano. Il calcolo della massa d’acqua che viene raccolta dalle superfici aerodinamiche di un aereo è ottenuta dalla soluzione del moto delle gocce d’acqua immerse nella corrente d’aria attraverso un solutore Euleriano-Lagrangiano. La soluzione del moto delle particelle, che prende il nome di particle tracking, rappresenta la parte Lagrangiana del solutore, ed è affrontata da questo lavoro. Nell’ambito di questa tesi il solutore Lagrangiano è stato completamente riscritto per migliorarne l’accuratezza. Sono stati valutati gli effetti della procedura di interpolazione usata per calcolare le forze agenti sulle particelle, insieme a quelli dati dallo schema numerico usato per integrare le traiettorie delle gocce. Viene presentato un algoritmo per localizzare le particelle all’interno di una griglia di calcolo non strutturata facendo uso di aritmetica a virgola mobile con precisione arbitraria per rendere robusta la procedura di calcolo in prossimità dei contorni degli elementi della griglia. Il nuovo codice per il particle tracking è stato usato per replicare alcune misure sperimentali sia in due che tre dimensioni. I risultati ottenuti sono in buon accordo con i dati ottenuti sperimentalmente, confermando la bontà dell’approccio seguito. Viene inoltre presentata un’implementazione parallela del codice per architetture a memoria distribuita ottenuta tramite lo standard MPI.