Direct numerical simulation of turbulent momentum and heat transfer over zonal ice roughness

In-flight icing modifies near-wall turbulence and convective heat transfer, directly influencing aerodynamic performance and ice-growth dynamics. This study investigates the thermo-aerodynamic impact of realistic ice-accretion roughness using direct numerical simulations of turbulent channel flow at a friction Reynolds number of approximately 500 and a Prandtl number of about 0.7. Experimentally generated roughness patches are reconstructed into periodic channel surfaces and embedded using an immersed boundary method. Roughness effects are quantified through velocity and temperature shifts, enabling direct comparison with classical rough-wall scaling. Increasing accretion time produces systematic downward displacements of both mean velocity and temperature profiles while preserving logarithmic slopes, indicating an additive modification of the turbulent boundary condition. However, heat-transfer augmentation does not scale proportionally with the increase in skin friction. When organized by equivalent sand-grain roughness, the temperature shift consistently lags the velocity shift, demonstrating a breakdown of Reynolds analogy for realistic ice morphologies. These results show that momentum-based roughness measures alone are insufficient to predict thermal response, supporting the development of morphology-aware models for aircraft icing applications.

Il presente lavoro analizza l’influenza della rugosità dovuta all’accrescimento di ghiaccio sul trasferimento turbolento di quantità di moto e di calore in una configurazione canonica di canale turbolento. Superfici rappresentative di ghiaccio, ottenute da campagne sperimentali, sono state ricostruite in modo periodico e statisticamente omogeneo mediante operazioni di rotazione e mirroring e successivamente integrate in simulazioni DNS tramite metodo immersed boundary. Le simulazioni sono state condotte a numero di Reynolds basato sulla velocità di attrito pari a circa 500 per due tempi di accrescimento del ghiaccio (1.5 e 3 minuti) e differenti temperature di formazione. I risultati mostrano che l’aumento del tempo di accrescimento produce uno spostamento additivo del profilo logaritmico coerente con la teoria classica delle pareti rugose. Tuttavia, il trasferimento termico non cresce proporzionalmente all’aumento della resistenza aerodinamica. L’analisi delle funzioni di rugosità della velocità e della temperatura evidenzia una rottura dell’analogia di Reynolds per morfologie realistiche di ghiaccio. Le grandezze integrali confermano tale comportamento: il coefficiente di attrito aumenta significativamente con la crescita della rugosità, mentre il numero di Stanton mostra variazioni più contenute. I risultati dimostrano che misure aerodinamiche basate unicamente sulla rugosità equivalente a grani di sabbia non sono sufficienti a predire la risposta termica. È pertanto necessario sviluppare modelli consapevoli della morfologia per migliorare la previsione del fenomeno di icing aeronautico.