Design and optimization of a multi-layered heater for composite wing electro-thermal ice protection system operating in de-icing mode

Accurate modelling of icing phenomenon and protection systems is of paramount importance for meeting safety requirements in aircraft design. Several studies have attempted to describe this phenomenon and to develop codes capable of simulating ice accretion accurately. It is in this context that PoliMIce framework was developed at Politecnico di Milano. In particular, in this work, a new model that can simulate both ice accretion and melting, was developed taking into account six possible ice conditions. The first step was to develop and validate the one-dimensional model. Then, coupled with a Genetic Algorithm, the model was used for the preliminary design of multi-layered heaters for ice protection systems. In particular, four multi-layered heaters mat for composite wing ice protection system, operating in de-icing mode, were optimised by minimising energy consumption. Three of them have been designed for the application on helicopter blades and the other one has been studied since it represents an important reference case in icing phenomenon literature. Subsequently, this model was extended to 2D and implemented in PoliMIce. This new feature has been tested with both ice accretion and IPS simulations for different icing conditions, showing good agreement with reference data. The IPS model capability has been tested on 2D simulations in three anti-ice conditions: fully evaporative, running-wet and runback ice. Moreover, a de-icing test case was also performed, showing the great versatility of the code. Once again, the results are in agreement with the experimental and numerical reference data. In conclusion, in order to verify the results of the optimisation using the 1D model, a simulation under de-icing conditions was carried out comparing the original and the optimised heater. By modifying only the structure of the heater, it was possible to reduce the average ice thickness by 40% compared to the baseline configuration, after 10 activation cycles with the same available power.

La modellazione accurata dei fenomeni di formazione di ghiaccio e dei dispositivi antighiaccio è di fondamentale importanza per soddisfare i requisiti di sicurezza nella progettazione dell’aeromobile. Sono stati condotti diversi studi per descrivere questo fenomeno e sviluppare codici in grado di simulare l’accrescimento di ghiaccio in modo accurato. È in questo contesto che il programma PoliMIce è stato sviluppato al Politecnico di Milano. In particolare, in questo lavoro è stato sviluppato un nuovo modello in grado di simulare sia l’accrescimento che lo scioglimento del ghiaccio, prendendo in considerazione sei possibili condizioni. Il primo passo è stato quello di sviluppare e validare il modello unidimensionale. Tramite l’accoppiamento con un algoritmo genetico il modello è stato poi utilizzato per il design preliminare di riscaldatori multistrato per sistemi di protezione antighiaccio. In particolare, sono stati ottimizzati quattro riscaldatori multistrato per ali in materiale composito, operanti in modalità de-icing, con l’obiettivo di minimizzare il consumo di energia. Tre sono stati progettati per l’applicazione su pale di elicotteri e l’altro è stato studiato, in quanto rappresenta un importante caso di riferimento nella letteratura sul fenomeno di formazione del ghiaccio. Successivamente, questo modello è stato esteso al 2D e implementato in PoliMIce. Questo è stato testato sia con simulazioni di accrescimento, sia di sistemi di protezione antighiaccio per diverse condizioni ambientali, mostrando buon accordo con i dati numerici e sperimentali di riferimento. La capacità del modello di effettuare correttamente simulazioni di protezione antighiaggio elettro-termici è stata testata in 2D, considerando condizioni di: fully evaporative, running-wet e runback ice. Inoltre, è stato validato anche in condizioni di de-icing. Ancora una volta i risultati sono in accordo con i dati di riferimento sperimentali e numerici. In conclusione, per verificare i risultati dell’ottimizzazione effettuata utilizzando il modello 1D, è stata eseguita una simulazione in condizioni di de-icing confrontando il riscaldatore originale e quello ottimizzato. Modificando la sola struttura del riscaldatore è stato possibile ridurre lo spessore medio del ghiaccio del 40% rispetto alla configurazione baseline, a seguito di 10 cicli di attivazione a parità di potenza disponibile.