A novel simulation framework for in-flight ice accretion and electro-thermal anti-icing including state-of-the-art liquid film models

The accurate modeling of icing phenomenon and ice protection systems is crucial for both the aircraft design problem and for safety requirements. Several studies have been conducted throughout the years to develop software that is capable of correctly predict the ice accretion phenomena. In this context, a framework for ice accretion simulations have been developed at Politecnico di Milano: PoliMIce. In this work the effect of non-negligible water film thickness during ice accretion is studied through the investigation of two different liquid film models: a steady model and an unsteady model based on the lubrication theory. Moreover, a 2D model for electro-thermal ice protection system has been studied and implemented. To achieve these objectives, a completely new code structure has been developed to overcome limitations of the previous version of PoliMIce. The new software and the liquid film models have been tested with 2D simulations for different icing conditions, showing good agreement with reference data. Lastly, the IPS model capability has been tested on 2D simulations in three anti-ice condition: fully evaporative, evaporative and running-wet. The results obtained compare fairly well with available reference data, confirming the correctness of the present approach.

L’accurata modellazione dei fenomeni di formazione di ghiaccio e dei dispositivi antighiaccio riveste fondamentale importanza, sia nella progettazione dell’aeromobile e sia nel garantirne la sicurezza in volo. Nel corso degli anni numerosi studi sono stati condotti per sviluppare programmi che permettessero di predire la formazione del ghiaccio sempre più accuratamente. In questo contesto, al Politecnico di Milano venne sviluppato un programma per la simulazione dei fenomeni di accrescimento di ghiaccio: PoliMIce. In questa tesi sono stati studiati gli effetti che uno strato di acqua di spessore non trascurabile ha nel processo di accrescimento di ghiaccio attraverso due modelli differenti: un modello stazionario e uno instazionario basato sulla teoria della lubrificazione. Inoltre è stato studiato e implementato un modello 2D di dispositivo antighiaccio elettro-termico. A causa delle limitazioni date dalla precedente versione di PoliMIce, è stato necessario sviluppare una nuova versione con una nuova struttura dati. Il nuovo codice e i nuovi modelli per il film liquido superficiale sono stati testati effettuando simulazioni di accrescimento 2D in differenti condizioni ambientali, mostrando risultati in buon accordo con i dati ottenuti sperimentalmente. Infine, il modello di dispositivo antighiaccio è stato testato effettuando simulazioni 2D in tre differenti condizioni: fully evaporative, partially evaporative e running-wet. Anche in questo caso i risultati ottenuti sono in buon accordo con i riferimenti, confermando la bontà dell’approccio seguito.