Model validation and optimization of a nacelle electro-thermal ice protection system for icing wind tunnel testing

In flight ice accretion has always been one of the main dangers for flight safety. The study of this problem requires considerable costs and for this reason it is essential to find accurate numerical models that are able to simulate ice accretion conditions, leading to the reduction of icing wind tunnel tests and therefore reducing the total cost. The first objective of this thesis was to validate the numerical code PoliMIce, developed within the Politecnico di Milano to simulate in flight ice accretion and ice protection system, against the experimental data provided by Leonardo - Aircraft Division for different flight conditions. At the end of the validation it was noticed that PoliMIce results are in good agreement with the experimental data. Afterwards, the second objective was to reduce the power consumption optimizing the design of an electro-thermal ice protection system for the nacelle of a business jet, replacing a thermo-pneumatic ice protection system. The optimization process was conducted by means of the genetic algorithm with different genetic operators such as mutation, cross-over and a combination of the two. In addition, constraints have been imposed on the ice formation on the nacelle surface and on the admissible surface temperature. Finally, the results of these optimizations showed that it is possible to reduce power consumption using an electro-thermal ice protection system instead of a thermo-pneumatic one.

L’accrescimento di ghiaccio in volo rappresenta da sempre uno dei principali pericoli per la sicurezza di volo. Lo studio di questa problematica richiede costi ingenti e per questo motivo oggi è di fondamentale importanza la ricerca di accurati modelli numerici in grado di simulare le condizioni di accrescimento di ghiaccio contribuendo così alla riduzione delle prove di galleria e di conseguenza ai costi collegati a questi test. Il primo obiettivo di questa tesi è stato quello di validare il codice numerico PoliMIce, sviluppato all’interno del Politecnico di Milano per la simulazione di accrescimento di ghiaccio in volo e di sistemi antighiaccio, con i dati di galleria forniti dalla Leonardo – Divisione Velivoli per diverse condizioni di volo. Al termine della validazione è emerso che i risultati numerici sono in buon accordo con i dati sperimentali. Successivamente, il secondo obiettivo è stato quello di ottimizzare il design, riducendo la potenza richiesta per il funzionamento, di un sistema di protezione antighiaccio elettro-termico per la nacelle di un business jet, in sostituzione di un sistema di protezione antighiaccio termo-pneumatico. Il processo di ottimizzazione è stato condotto utilizzando l’algoritmo genetico con diversi operatori genetici quali la mutazione, il cross-over e una combinazione dei due. Inoltre, sono stati imposti dei vincoli sulla formazione di ghiaccio sulla superficie della nacelle e sul range di temperatura superficiale ammissibile. Infine, l’analisi dei risultati delle simulazioni ha evidenziato come sia possibile ottenere un risparmio di potenza richiesta utilizzando un sistema di protezione antighiaccio elettro-termico al posto di un sistema termo-pneumatico.