Mixed Eulerian. Lagrangian polydispersed 3D droplet tracking

In-flight icing is one of the major threats to air travel safety. It occurs when super cooled droplets freeze upon impact with the airplane’s surfaces. To study this phenomena, droplets are tracked within the airflow in order to compute the amount of mass caught by the surfaces. Once this is done, ice accretion is computed. This thesis aims at providing a state of the art three dimensional Euler-Euler 2nd order finite volume tracking tool for polydispersed droplets, with the capability of also tracking splashing and rebounding droplets in a Lagrangian manner. The numerical tools and theory used to implement a 2nd order Godunov solver are presented. A multibin approach is described in order to simulate polydispersed droplets impinging on solid surfaces. A splashing model is presented and a Lagrangian reinjection and reimpigement step is added to track splashed droplets. All of the above are implemented within SU2 (an open source CFD solver) and PoliDrop (Politecnico di Milano’s in-house Lagrangian particle tracker). The tools presented are then tested in 2D and 3D against experiments, Lagrangian simulations and industry leading softwares with great agreement. Furthermore, enabling the Lagrangian reimpingement step yields a substantial increase in solution quality for multi-element configurations, and a small increase for three dimensional ones in SLD conditions. Finally, a simple bin restart strategy allows for a computational cost decrease of up to 65%, decreasing the amount of iterations required to achieve convergence.

La formazione di ghiaccio in volo è uno dei principali pericoli posti alla sicurezza del trasporto aereo. Accade quando gocce sottoraffreddate congelano all’impatto con le superifici del velivolo. Per studiare questo fenomeno le traiettorie delle gocce vengono calcolate in modo da ottenere la massa di acqua catturata dalle superfici. Successivamente, viene effettuato il calcolo dell’accrescimento di ghiaccio. Questa tesi ha l’obbiettivo di fornire un solutore Euler-Euler ai volumi finiti del 2o ordine per il tracciamento di gocce polidisperse, con la capacità di tracciare in modo Lagrangiano le gocce schizzate e rimbalzate sulle superfici. Verranno presentati gli strumenti teorici e numerici usati per implementare un solutore di Godunov del 2o ordine. Verrà descritto un approccio multibin per simulare gocce polidisperse che impattano sulle superfici. Un modello di splash verrà presentato insieme ad una strategia per reiniettare le particelle in modo Lagrangiano. Tutto questo verrà poi implementato in SU2 (un solver CFD open source) e PoliDrop (il solutore Lagrangiano in-house del Politecnico di Milano). I tool presentati verranno poi confrontati con esperimenti, simulazioni Lagrangiane e software leader dell’industria sia in 2D che 3D, con ottimo accordo. Usando la reiniezione Lagrangiana si ha inoltre un aumento significativo della qualità dei risultati nel caso di configurazioni multi elemento ed uno più modesto per casi tridimensionali in condizioni SLD. Infine, una semplice strategia di inizializzazione del multibin permette di ottenere fino a 65% di risparmio in tempo computazionale, diminuendo il numero di iterazioni necessarie ad ottenere la convergenza.