Ice shedding : a two-dimensional structural analysis for fixed-wing aircraft and a new iterative volume-mesh approach for rotorcrafts

In-flight ice accretion poses a lot of concerns regarding the security of business, commercial and military flights. It affects fixed-wing aircraft as well as rotorcraft that fly in cold wet air, where supercooled water droplets present in clouds impinge on their surfaces and freeze upon impact. It can cause instrument failures and high degradation of the aerodynamic performances of every lifting surface. Regarding rotorcraft, for example, the deformation of the shape of two dimensional blade sections could cause an increased request of rotor torque and power, together with erosion of blade stall margin. Another problem that is related to ice accretion is the possibility of pieces of ice shedding from the main body and impacting other parts of the aircraft, as well as being ingested by the engines. The occurrence of this event is caused by the action of the aerodynamic pressure on the ice shape formed on a fixed- wing aircraft. For a rotorcraft, instead, there is a self-shedding phenomenon where the centrifugal force caused by the high rotational velocity wins both adhesion and cohesion forces of the ice, thus leading to ice-projectiles with high speed. The work done in this thesis makes use of PoliMIce, the ice accretion simulation framework developed at Politecnico di Milano. This framework is the result of the merging of the open-source code SU2 used for the computation of the flow field and the in- house codes performing the computation of particle trajectories (PoliDrop) and ice accretion (PoliMIce). The present work aims at studying the process of ice shedding. This is achieved by extending the aforementioned framework with the tools needed for the simulation of the phenomenon. The analysis is differentiated according to the conditions causing the shedding. Regarding ice shedding on non-rotational frame a full structural analysis is performed on the accreted ice shape by means of the open-source code MoFEM which is used for the computation of internal stresses within the ice geometry and the, possibly, cracked shape. On the other hand, if ice shedding occurs on rotating-frames a simpler balance of forces based on empirical considerations is used to predict the onset of this phenomenon. Two-dimensional ice accretion simulations are performed in order to check the validity of the present work, comparing computed results with the experimental ones obtained in the AERTS test facility. In the end, conclusions are provided, as well as some ideas on the future developments related to the present project.

L’accrescimento di ghiaccio durante la fase di volo introduce molte preoccupazioni sulla sicurezza di voli commerciali, militari e privati. Tale problema affligge i velivoli ad ala fissa e quelli ad ala rotante che volano in aria fredda ed umida, dove le gocce d’acqua sovraraffreddate presenti nelle nubi impattano le loro superfici e congelano all’istante. Questo processo può rendere inutilizzabile la strumentazione di volo e provocare una degradazione dell’efficienza aerodinamica delle superfici portanti. Per quanto riguarda i velivoli ad ala rotante, ad esempio, la modifica della sezione della pala può causare un incremento della potenza e della coppia richieste, oltre a ridurre i margini di stallo. Un altro problema che è legato all’accrescimento di ghiaccio è la possibilità del distacco di pezzi di ghiaccio dal corpo principale e del loro impatto con altre parti del velivolo o della loro ingestione da parte dei motori. Nel caso di velivoli ad ala fissa, questo fenomeno può essere causato dall’azione delle forze aerodinamiche sul ghiaccio creatosi sulle superfici portanti. Per un’ala rotante, invece, vi è un fenomeno di auto-distacco causato dalle forze centrifughe dovute all’alta velocità di rotazione a cui il ghiaccio è sottoposto. Queste forze aumentano con l’accrescimento del ghiaccio ed eventualmente sovrastano sia le forze di coesione che quelle di adesione, portando quindi al distacco di un pezzo di ghiaccio che si allontana ad alte velocità. Il lavoro svolto in questa tesi si avvale di PoliMIce, un framework di codici sviluppati dal Politecnico di Milano per la simulazione dell’accrescimento del ghiaccio. Tale framework è il risultato dell’unione del software open-source SU2, usato per il calcolo del campo di moto, con dei codici sviluppati all’interno del Politecnico e che si occupano del calcolo delle traiettorie delle particelle (PoliDrop) e del calcolo dell’accrescimento di ghiaccio (PoliMIce). Il lavoro qui sviluppato ha l’obiettivo di studiare il processo di rottura e distacco del ghiaccio. Tale fine è raggiunto estendendo il framework prima menzionato con gli strumenti necessari alla simulazione di questo fenomeno. L’analisi è diversificata in base alle condizioni che provocano il distacco. Per quanto riguarda il distacco di ghiaccio da sistemi non rotanti, viene effettuata un’analisi strutturale sulla forma di ghiaccio tramite il software open-source MoFEM. Tale codice è usato per il calcolo degli sforzi interni alla geometria di ghiaccio e dell’eventuale forma conseguente alla rottura. Se invece il distacco avviene da sistemi rotanti, viene impiegato un più semplice bilancio di forze basato su considerazioni empiriche in modo tale da poter prevedere tale evento. Le simulazioni effettuate saranno bidimensionali in modo tale da verificare la validità del presente lavoro, confrontando i risultati calcolati numericamente con quelli sperimentali ottenuti nella struttura AERTS. Alla fine, si presenteranno le conclusioni, così come alcune idee per poter migliorare questo progetto.