Simulation and detection of ice formation and shedding on rotorcraft

In-flight icing is a peculiar phenomenon. Clouds of supercooled liquid water droplets exist within the atmosphere that are in an unstable state while undisturbed. However, when brought into contact with aircraft at sub-zero temperatures, these supercooled water droplets freeze on impact leading to the formation of ice. Ice induced geometric modifications on aerodynamically sensitive surfaces such as wings or rotors presents a serious issue to flight safety. Operating in the presence of icing clouds is therefore inherently dangerous and ill-advised without prior assessment of the effects of ice accretion. Accordingly, this influences the decision to provide icing clearance by the regulatory authorities. Moreover, the altitude in which rotorcraft operate coincides with the icing envelope where the likelihood of encountering supercooled water droplets is highest. Subsequently, rotorcraft are particularly vulnerable to the icing environment which makes understanding the phenomenon critical. Understanding this safety-critical issue for rotorcraft however is non-trivial, as this thesis will go on to present. The scarce knowledge of both rotorcraft ice shapes and of their detection is disconcerting. Numerical modelling techniques represent a powerful tool to investigate the physics of rotorcraft icing and to assist in the design of new ice detection and protection technologies. Progress in the multidisciplinary field of computational rotorcraft icing requires knowledge of research disciplines such as computational fluid dynamics, particle in cell techniques, phase change modelling, and mesh deformation strategies. This thesis presents original research in each of these aforementioned disciplines associated to computational rotorcraft icing. The core of the thesis is divided into three main technical parts and aims to; (i) introduce a conceptual framework for ice modelling and detection in a non-inertial, rotating framework; (ii) develop and validate novel three-dimensional numerical tools suitable for simulating rotorcraft aerodynamics and icing; (iii) analyse high-fidelity rotorcraft icing simulations while addressing the limitations identified within the literature. The first part of the thesis is devoted to the conceptual design phase of an acoustic ice detection system. An acoustic characterization of glaze and rime ice structures is introduced to quantify different ice shape noise signatures which directly transcend from the iced performance characteristics. The feasibility of the detection technique is assessed on a two-dimensional oscillating Sikorsky 2110 airfoil based on the experimental model from Phase-I of the High Fidelity Icing Analysis for Rotors consortium. The second part of the thesis is committed to the development and validation of three-dimensional rotorcraft icing tools, namely; (i) efficient and robust mesh deformation strategies for aircraft icing, (ii) open-source rotorcraft computational fluid dynamics software, (iii) influence of rotor-wing interactions on predictions, and (iv) novel particle tracking techniques. Firstly, radial basis function mesh deformation techniques and data reduction schemes are introduced to address the issues intrinsic to the moving ice boundary. Radial basis functions provide a suitable cost-effective approach to ensure high-quality mesh deformation for challenging iced geometries and multi-step ice accretion. While the data reduction schemes presented, facilitate the use of radial basis functions even on large datasets. Secondly, this thesis provides the first open-source and validated rotorcraft Computational Fluid Dynamics code by developing the well established SU2 solver. The incorporation of a new core feature to accommodate the blade kinematics of rotorcraft has been introduced. Thirdly, the flow physics associated to complex interactional behaviour of rotors and wings can be unlike that of isolated components and thus requires additional investigation. To this purpose, the turbulent flow field around a wing-tip mounted propeller configuration was simulated and validated using the model and test conditions released by the Workshop for Integrated Propeller Prediction. Fourthly, new techniques are introduced concerning Lagrangian particle tracking in mesh with arbitrary motion as well as across non-conformal boundary interfaces to enable the simulation of clouds containing individual supercooled water droplets in complex rotorcraft flow fields. The third part of the thesis is dedicated to establishing state-of-the-art rotorcraft icing codes to help understand complex icing physics which can be difficult to comprehend using already existing icing analysis approaches. An original high-fidelity approach for the modelling of rotorcraft icing using new and entirely three-dimensional techniques is introduced, harnessing the previously developed numerical tools. The new approach is demonstrated on the experimental SRB-II model rotor in forward-flight developed at the Anti-icing Material International Laboratory in the Universite du Quebec a Chicoutimi, Canada. Overall, the numerical predictions are in good agreement with the experimental data. Subtleties in the modelling techniques, which subsequently have a significant impact on the final ice shapes, are highlighted. Additionally, the instantaneous pressure fluctuations of the iced rotors are analysed to provide an early insight into the potential use of computational aeroacoustic codes further down the line.

La formazione di ghiaccio in volo è un fenomeno molto particolare. Nell'atmosfera si trovano nuvole composte da gocce d'acqua allo stato liquido super-raffreddato che è uno stato instabile della materia. Tuttavia, quando entrano in contatto con gli aerei, le gocce d'acqua super-raffreddate si congelano all'impatto, portando alla formazione di ghiaccio. Le modifiche alla geometria indotte dal ghiaccio su superfici aerodinamicamente importanti, come le ali o i rotori, rappresentano un serio problema per la sicurezza del volo. Operare in presenza di ghiaccio è quindi intrinsecamente pericoloso e sconsigliato senza una valutazione preventiva degli effetti dell'accumulo di ghiaccio. Di conseguenza, questo influenza la decisione di fornire un'autorizzazione al volo in condizioni di ghiaccio da parte delle autorità di regolamentazione. Inoltre, l'altitudine a cui operano gli aeromobili ad ala rotante coincide con condizioni ad alta probabilità di incontrare goccioline d'acqua super-raffreddate. Di conseguenza, gli aeromobili ad ala rotante sono particolarmente vulnerabili a condizioni di possibile formazione di ghiaccio, il che rende critica la comprensione del fenomeno. Lo studio di questo problema critico per la sicurezza dei velivoli ad ala rotante non è tuttavia banale, come questa tesi dimostrerà. La conoscenza delle forme di ghiaccio dei velivoli ad ala rotante e del loro rilevamento è al momento molto scarsa. Le tecniche di modellazione numerica rappresentano un potente strumento per indagare la fisica del ghiaccio sui velivoli ad ala rotante e per contribuire alla progettazione di nuove tecnologie di rilevamento e protezione dal ghiaccio. Il progresso nel campo multidisciplinare del calcolo del ghiaccio sui velivoli a ala rotante richiede la conoscenza di diverse discipline come la fluidodinamica computazionale, le tecniche di tracciamento di particelle, la modellazione dei cambiamenti di fase e le strategie di deformazione della griglia di calcolo. Questa tesi presenta dei risultati originali in ognuna delle discipline sopra menzionate. Il nucleo della tesi è diviso in tre parti tecniche principali e mira a: (i) introdurre un quadro concettuale per la modellazione e il rilevamento del ghiaccio su un rotore di elicottero; (ii) sviluppare e convalidare nuovi strumenti numerici tridimensionali adatti a simulare l'aerodinamica e la formazione di ghiaccio sugli elicotteri; (iii) analizzare simulazioni di ghiaccio ad alta accuratezza su elicotteri, affrontando le limitazioni identificate nella letteratura. La prima parte della tesi è dedicata alla fase di progettazione concettuale di un sistema di rilevamento acustico del ghiaccio. Viene introdotta una caratterizzazione acustica delle strutture di ghiaccio glaze e rime per quantificare diverse caratteristiche del rumore generato della forma del ghiaccio, che discendono direttamente dalle caratteristiche del struttura ghiacciata. La fattibilità della tecnica di rilevamento è valutata su un profilo alare bidimensionale oscillante Sikorsky 2110 basato sul modello sperimentale della Fase-I del consorzio High-Fidelity Icing Analysis for Rotors. La seconda parte della tesi è dedicata allo sviluppo e alla convalida di strumenti tridimensionali per la formazione di ghiaccio su elicotteri, vale a dire: (i) strategie di deformazione della griglia di calcolo efficienti e robuste per la formazione di ghiaccio, (ii) software open-source di fluidodinamica computazionale per elicotteri, (iii) influenza delle interazioni rotore-ala sulle previsioni, e (iv) nuove tecniche di tracciamento delle particelle. In primo luogo, vengono introdotte tecniche di deformazione della griglia di calcolo con funzioni a base radiale (RBF) e schemi di riduzione dei dati per affrontare i problemi propri del contorno mobile del ghiaccio. Le funzioni a base radiale forniscono un approccio efficace dal punto di vista dei costi computazionali per assicurare una deformazione della griglia di alta qualità per geometrie ghiacciate complesse e per l'accrescimento del ghiaccio in più passi. Gli schemi di riduzione dei dati semplificano l'uso delle funzioni a base radiale anche su grandi insiemi di punti. In secondo luogo, questa tesi fornisce il primo codice di Computational Fluid Dynamics open-source e validato per elicotteri sviluppando ulteriormente il solutore SU2. È stata introdotta una nuova metodologia di base per includere la cinematica delle pale dei velivoli ad ala rotante. In terzo luogo, la fisica della corrente associata al complesso meccanismo di interazione di rotori e ali può essere diversa da quella dei componenti isolati e quindi richiede ulteriori indagini. A questo scopo, il campo di moto turbolento intorno a una configurazione di elica montata sulla estremità dell'ala è stato simulato e verificato utilizzando il modello e le condizioni di prova del Workshop for Integrated Propeller Prediction. In quarto luogo, sono state introdotte nuove tecniche riguardanti il tracciamento Lagrangiano di particelle in griglie di calcolo con movimento arbitrario e attraverso interfacce non conformi per consentire la simulazione di nuvole contenenti singole goccioline d'acqua super-raffreddate in campi di moto complessi attorno ad aeromobili ad ala rotante. La terza parte della tesi è dedicata alla creazione di codici di calcolo allo stato dell'arte per simulare la formazione di ghiaccio per aeromobili ad ala rotante, per aiutare a comprendere la complessa fisica della formazione di ghiaccio che può essere difficile da rappresentare con gli approcci di analisi già esistenti. Viene introdotto un approccio originale ad alta fedeltà per la modellazione dell'accrescimento di ghiaccio dei rotori utilizzando tecniche nuove e interamente tridimensionali, sfruttando gli strumenti numerici precedentemente sviluppati. Il nuovo approccio è dimostrato sul modello sperimentale di rotore SRB-II in volo in avanti sviluppato presso l'Anti-icing Material International Laboratory dell'Università del Québec a Chicoutimi, Canada. Nel complesso, le previsioni numeriche sono in buon accordo con i dati sperimentali. Vengono evidenziate anche alcune particolarità nelle tecniche di modellazione, che successivamente hanno un impatto significativo sulle forme finali del ghiaccio. Inoltre, le fluttuazioni di pressione istantanee dei rotori ghiacciati sono analizzate per fornire una prima indicazione sul potenziale uso dei codici aeroacustici computazionali.