PoliMIce : un ambiente di simulazione per la previsione dell'accrescimento di ghiaccio su velivoli

A new framework for the prediction of ice accretion over aeronautical surfaces has been developed, this project has been called PoliMIce. In this thesis a new mathematical model for the icing has been proposed and it is implemented in PoliMIce. A public interface allows to use several CFD solvers for the aerodynamic studies. In the present work OpenFOAM is considered as the default solver for the solution of the aerodynamic field and to compute the lagrangian trajectories of the water droplets. This interface calculates also the parameters needed by the mathematical icing model which are: the collection efficiency, the convective heat transfer coefficient, the recovery factor and the external velocity of the boundary layer. Ice accretion causes a different geometry of aeronautical surface, so also a different aerodynamic field. It has been necessary to develop in PoliMIce an iterative routine that calculates the ice accretion, the new geometry, the new aerodynamic field and the new water droplets’ trajectories and that repeats these steps each specified time interval. To verify the accuracy of PoliMIce, numerical results are supplied: NACA 0012 airfoils are studied for the 2D case, while finite span straight wings and OneraM6 wings are studied for the 3D case.

Nell'ambito di questo lavoro è stato sviluppato un nuovo ambiente per la simulazione dell'accrescimento di ghiaccio su superfici di interesse aeronautico denominato PoliMIce. E' stato anche proposto un nuovo modello matematico per la previsione del fenomeno dell'icing, implementato nella stessa piattaforma. L'ambiente creato possiede un'interfaccia pubblica che permette l'accoppiamento con diversi solutori CFD per il calcolo aerodinamico attorno al corpo. Nel presente lavoro di tesi è stato utilizzato come solutore il software libero OpenFOAM, sia per il calcolo del campo di moto che per il calcolo lagrangiano delle traiettorie delle gocce d'acqua. La stessa interfaccia prevede anche il calcolo dei parametri necessari al modello di accrescimento quali: collection efficiency, coefficiente di scambio termico convettivo, velocità esterna dello strato limite e fattore di recupero. La formazione di ghiaccio genera una modifica della superficie del velivolo e quindi una variazione delle sue caratteristiche aerodinamiche. Si è quindi sviluppata una procedura iterativa, interna a PoliMIce, che si occupa di aggiornare, ad intervalli di tempo prestabiliti, il campo di moto attorno alla nuova geometria. Al fine di verificare l'accuratezza del metodo proposto, vengono presentati dei risultati sia per il caso bidimensionale, per un profilo NACA0012, che per il caso tridimensionale, per un'ala dritta ad apertura finita ed un'ala OneraM6.