Numerical multi-step ice accretion simulations for UAV applications : from a bi-dimensional to a three-dimensional analysis

The occurrence of atmospheric in-flight icing poses a significant challenge to the operational capabilities of unmanned aerial vehicles (UAVs). As a result, there is uncertainty about the applicability of existing codes for predicting ice accretion in Low Reynolds UAV applications. The aim of this research is to identify the current challenges associated with simulating icing using computational fluid dynamic (CFD) methods on UAVs. Specifically, the study focuses on investigating ice accretion on UAVs through numerical multi-step simulations using the PoliMIce framework, which has been developed over the past few years at the Department of Aerospace Science and Technology of Politecnico di Milano. The fundamental analysis of this thesis is to study the optimal techniques and best practices for a robust multi-step simulation, as well as to assess the influences of the model's parameters, such as spacing, timestep, turbulence model, smoothing, and roughness. Initially, a bi-dimensional analysis is conducted, followed by the validation of results with experimental data obtained from the 2$^{nd}$ AIAA Ice Prediction Workshop, along with a sensitivity study of uncertainties of wind tunnel tests and temperature influence on ice accretion for Low Reynolds numbers. After an in-depth 2D analysis, multi-step ice accretion simulations on the Eurodrone MALE RPAS UAV are conducted using the same methodology.

La comparsa del ghiaccio in volo atmosferico rappresenta una sfida significativa per le capacità operative dei veicoli aerei senza pilota (UAV). Di conseguenza, c'è incertezza sulla validità dei codici esistenti per la previsione dell'accrescimento di ghiaccio in applicazioni UAV a basso Reynolds. Lo scopo di questa ricerca è identificare le sfide attuali associate alla simulazione di formazione di ghiaccio utilizzando metodi di fluidodinamica computazionale (CFD). In particolare, lo studio si concentra sull'indagine dell'accrescimento di ghiaccio attraverso simulazioni numeriche multi-step utilizzando il framework PoliMIce, sviluppato negli ultimi anni presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. L'analisi fondamentale di questa tesi è lo studio delle tecniche ottimali e delle migliori pratiche per una robusta simulazione a più passi, nonché la valutazione delle influenze dei parametri del modello, come la spaziatura superficiale, il timestep utilizzat per la discretizzazione temporale, il modello di turbolenza e la rugosità. Inizialmente, viene condotta un'analisi bidimensionale, seguita dalla validazione dei risultati con i dati sperimentali ottenuti dal 2$^{nd}$ AIAA Ice Prediction Workshop, insieme a uno studio di sensitività delle incertezze dei test in galleria del vento e dell'influenza della temperatura sull'accrescimento di ghiaccio per numeri di Reynolds bassi. Dopo un'approfondita analisi bidimensionale, vengono condotte simulazioni di accrescimento di ghiaccio multi-step sull'UAV Eurodrone MALE RPAS utilizzando la stessa metodologia.