A numerical study of the ice accretion over sinusoidal leading edge wings

Ice accretion on aerodynamic bodies is one of the main troubles when flying trough clouds or cold wet air, where supercooled water droplets may impact and freeze upon surfaces, drastically worsening performances and controllability of aircraft and threatening flight safety. Hence there is often the need to account for devices that prevent or reduce the ice accretion by melting or breaking ice structures (anti- or de-icing systems), which however usually introduce a certain energy consumption, as well as an increase in total weight and design complexity. In the present thesis it is investigated how the introduction of wings with a sinusoidal leading edge may modify, and to what extent, both the impinging droplets' trajectories and the accreted ice structures. In particular, the three-dimensional flow field in proximity of the wing's nose, may possibly drive away a portion of water droplets and modify the collection efficiency and total mass of impacted particles, effects which lead to a reduced or altered ice accretion. The flow field is computed using the open-source CFD code SU2, while the PoliMIce software suite by Politecnico di Milano is employed to compute particles trajectories and to esteem ice accretion rate and resulting iced shapes. While the aerodynamic data are compared to experimental results available in the open literature, showing a good match, on the other hand icing results cannot find an experimental counterpart in literature due to the great novelty of such application in this research field. A parametric study, varying several environmental and cloud quantities, is performed. Results of ice accretion on a three-dimensional straight wing and on various geometries having a sinusoidal leading edge are compared. A measure of the required thermal power to de-ice both types of wings is then introduced and, when accounting also for the variations in aerodynamic drag losses, indicates possible energetic benefits in employing sinusoidal leading edge wings.

L'accumulo di ghiaccio sui corpi aerodinamici è uno dei principali problemi quando si vola attraverso nuvole o aria fredda e umida, dove le gocce d'acqua possono impattare e congelare sulle superfici, deteriorando drasticamente le prestazioni e la controllabilità dei velivoli e minacciando la sicurezza del volo. Da qui spesso deriva la necessità di prevedere dei dispositivi atti a prevenire o ridurre l'accrescimento di ghiaccio sciogliendo o rompendo lo strato ghiacciato (sistemi anti- o de-icing), che però spesso introducono un ulteriore consumo di energia e/o aumentano i costi di manutenzione. Nella presente tesi si studia come l'impiego di ali con bordo d'attacco sinusoidale modifichi, e in che misura, sia le traiettorie delle gocce d'acqua che la formazione delle strutture di ghiaccio. In particolare, il campo di flusso tridimensionale in prossimità del bordo d'attacco stesso, può ridurre il numero di impatti delle particelle liquide con conseguente diminuzione della massa d'acqua sull'ala, portando a una distribuzione di ghiaccio ridotta o alterata. Il campo di flusso viene calcolato utilizzando il codice CFD open source SU2, mentre il software PoliMIce del Politecnico di Milano viene utilizzato per calcolare le traiettorie delle particelle e stimare l'accrescimento di ghiaccio. Mentre i dati aerodinamici vengono confrontati con i risultati sperimentali disponibili in letteratura, mostrando una buona corrispondenza, d'altra parte non si sono trovate conferme sperimentali riguardanti l'accrescimento dello strato di ghiaccio su profili alari così particolari, evidenziando l'originalità di tale studio. Viene inoltre eseguita un'analisi parametrica, in cui si variano quantità relative all'ambiente esterno e le caratteristiche delle gocce d'acqua. I risultati dell'accrescimento di ghiaccio su un'ala classica tridimensionale e su varie geometrie aventi bordo d'attacco sinusoidale vengono paragonati per individuare somiglianze e differenze. Infine si introduce una misura della potenza termica richiesta per rimuovere l'accrescimento di ghiaccio su entrambi i tipi di ali e, tenendo conto anche delle variazioni di resistenza aerodinamica, si evidenziano i possibili benefici energetici nell'impiego di ali con bordo d'attacco sinusoidale.