Modeling, validation and robust design of Electro-thermal Ice Protection Systems under operational uncertainties

This research aims to model, validate, and design electro-thermal ice protection systems (ETIPS) under operational uncertainties. A numerical model accounting for disabled and enabled IPS in anti-icing and de-icing modes is implemented and validated. Then, a particular focus is placed on the role of roughness in in-flight ice accretion, with two methods employed to characterize ice geometrical roughness from icing wind tunnel tests and from numerically simulated ice shapes utilizing a morphogenetic approach. The model validation is followed by a comprehensive optimization study for given cloud and flight conditions. The heat flux distribution across the different heaters is optimized for the minimization of the thermal power consumed by the IPS while assuring safe operation. Operational uncertainties and aero-thermal slips are then examined concerning icing wind tunnel tests. Uncertainties in wind tunnel conditions, such as variations in Liquid Water Content (LWC), median volume diameter (MVD), and air temperature, are considered for their impact on ice protection system performance. Additionally, the study delves into slips in velocity and temperature of supercooled large droplets (SLD) in small to medium-sized icing wind tunnels, highlighting their significance in influencing ice accretion characteristics. The integration of optimization and uncertainty quantification techniques is a key aspect of the research, aiming to achieve a robust design under uncertain cloud conditions. The optimization framework, validated through analytical test functions, is applied to a reference ETIPS test case. Robust optimization, accounting for operational uncertainties related to cloud properties and air temperature, showcases potential enhancements in heat flux distribution compared to reference designs. This research contributes to understanding and improving electro-thermal ice protection systems, underlying the importance of a systematic treatment of uncertainties in in-flight icing scenarios.

Questa ricerca mira a modellare, validare e progettare in maniera robusta sistemi di protezione anti-ghiaccio elettro-termici (ETIPS) in condizioni operative incerte. É stato implementato e validato un modello numerico che tiene conto dei sistemi di protezione attivati e disattivati nelle modalità anti-icing e de-icing. Successivamente, è stato considerato il ruolo della rugosità nell'accrescimento del ghiaccio in volo, caratterizzando la rugosità geometrica del ghiaccio da test in galleria del vento per il ghiaccio e da forme di ghiaccio simulate numericamente utilizzando un approccio morfogenetico. La validazione del modello è seguita da uno studio di ottimizzazione completo per condizioni di nuvole e volo deterministiche. La distribuzione del flusso di calore attraverso i diversi riscaldatori è stata ottimizzata per minimizzare il consumo di potenza termica dell'IPS garantendo al contempo un'operazione sicura. Successivamente sono state esaminate le incertezze operative e gli slip aero-termici riguardanti i test in galleria del vento per la formazione di ghiaccio. Le incertezze nelle condizioni della galleria del vento, come le variazioni del Liquid Water Content (LWC), Median Volume Diameter (MVD) e la temperatura dell'aria, sono considerate per valutare il loro impatto sulle prestazioni del sistema di protezione anti-ghiaccio. Inoltre, lo studio approfondisce gli slip nella velocità e nella temperatura delle gocce sottoraffreddate di grandi dimensioni (SLD) nelle gallerie del vento di piccole e medie dimensioni e l'effetto sulla formazione di ghiaccio, evidenziando la loro importanza nell'influenzare le caratteristiche dell'accrescimento del ghiaccio. L'integrazione di tecniche di ottimizzazione e quantificazione delle incertezze è un aspetto chiave della ricerca, mirando a ottenere una progettazione robusta in condizioni di nuvole incerte. Il quadro di ottimizzazione, validato attraverso funzioni di test analitiche, viene applicato a un caso test di ETIPS di riferimento. L'ottimizzazione robusta, tenendo conto delle incertezze operative legate alle proprietà delle nuvole e alla temperatura dell'aria, mostra potenziali miglioramenti nella distribuzione del flusso di calore rispetto al design di riferimento. Questa ricerca contribuisce a comprendere e migliorare i sistemi di protezione anti-ghiaccio elettro-termici, sottolineando l'importanza di un trattamento sistematico delle incertezze per la formazione di ghiaccio in volo.