Modeling of Transitional Flows on Roughened Surfaces for Icing Applications

RÉSUMÉ Le givrage est de la plus haute importance dans le domaine de l'aéronautique, d'une part puisqu'il demeure dans son ensemble assez incompris, et de l'autre puisqu'il existe des requis complexes de certification aéronautique liés au givrage des pièces composant les aéronefs. Suite à plusieurs accidents, ces normes requièrent maintenant de prédire les géométries de glaces qui peuvent s'amonceler sur des appareils soumis à des conditions de givrage critiques. Sous ces conditions, différents types de glace peuvent s'accumuler sur les surfaces de l'avion, comme du verglas ou des cristaux de glace qui, selon le cas, se traduisent par des géométries complexes qui affectent drastiquement les performances de vol. Pour modéliser et prédire ces formes de glace, des tests expérimentaux sont effectués, mais des outils et modèles numériques de plus en plus complexes sont aussi utilisés. Par contre, en se rapprochant de la température de fusion de l'eau, un film d'eau peut se créer et divers mécanismes liés au givrage entrent alors en jeu. Ces mécanismes plus complexes sont difficiles à modéliser et on remarque une perte de précision des outils prédictifs pour la glace de type verglas. Des modèles plus physiques doivent alors être ajoutés aux codes de givrage actuels afin d'améliorer les prédictions et de répondre aux plus récentes normes de certification. L'objectif de ce projet de recherche est d'améliorer les prédictions des formes de glace de type verglas, apparaissant à plus hautes températures, sur des aéronefs soumis à diverses conditions de vol. Afin de répondre à cet objectif, une modélisation plus proche de la physique des phénomènes entourant le givrage a été ajoutée dans le logiciel maison CHAMPS, correspondant aux standards actuels des codes de givrage de seconde génération. Les formes de glace sont obtenues en employant en séquence divers modules: un module pour l'aérodynamique, un module pour l'accumulation de goutelettes, un module pour les échanges thermodynamiques de surface et un module pour l'évolution de la structure de glace. L'aérodynamique est identifiée comme étant le module pouvant être amélioré et deux composantes principales ont été implémentées : la prédiction de la transition laminaire turbulente de la couche limite et la modélisation de la rugosité locale de glace. Ces deux phénomènes influent directement le transfert de chaleur convectif permettant le givrage. Les formes de glace obtenues sur des cas analysés dans le tunnel de recherche de givrage NASA Lewis ont été étudiées en considérant les modèles de façon conjointe. Le givrage étant un phénomène disparate et peu reproductible, certains ont examiné l'effet d’un modèle stochastique sur les formes de glace obtenues, en plus des modèles suggérés dans ce travail. Premièrement, l'écoulement aérodynamique est simulé par un solveur des équations moyennées de Reynolds en volumes finis. Les modèles de turbulence utilisés par CHAMPS sont vérifiés et validés, car ils servent de base au développement des nouvelles méthodes précédemment énumérées. Des équations de transport supplémentaires, permettant de prédire la transition laminaire turbulente, sont ensuite ajoutées aux modèles de turbulence actuels. Cela permet d'obtenir une représentation plus physique de la couche limite à la paroi du profil. Cette dernière influence directement le transfert de chaleur convectif qui affecte le gel de la glace. Les équations de transition sont vérifiées en comparant à des valeurs du coefficient local de friction obtenues par tests de soufflerie sur des profils standards. Deuxièmement, différents modèles de rugosité sont introduits i) pour représenter l'état de surface de la glace s'accumulant sur les géométries et ii) pour augmenter le transfert de chaleur convectif sur la surface initiale. Une rugosité uniforme basée sur la hauteur équivalente en grains de sable est d'abord proposée, correspondant à la méthode usuellement utilisée en recherche et en industrie. Elle est ensuite couplée aux équations de transition en employant une équation de transport de rugosité qui déplace le point de transition en amont de l'écoulement selon la hauteur de rugosité. Le transfert de chaleur associé à une hauteur de rugosité est vérifié en comparant à des résultats numériques de codes bien établis. L'effet des modèles sur les formes de glaces obtenues est étudié sur des cas expérimentaux.

Abstract

ABSTRACT Icing is of the utmost importance in the aeronautical field since it remains rather misunderstood and there are complex certification requirements related to the icing of aircraft components. Following several accidents, these standards now require the prediction of ice geometries that can accumulate on aircraft subjected to critical icing conditions. Under these conditions, different types of ice can agglomerate on the aircraft surfaces, such as ice crystals or glaze ice. Depending on the case, this can lead to complex geometries that drastically impact flight performance. To model and predict these ice forms, experimental tests are performed, but complex numerical tools and models are also used. On the other hand, when approaching the melting temperature of the water, a film can be created and various mechanisms related to icing come into play. These more complex mechanisms are difficult to model and a loss of accuracy of the predictive tools is noticed. More physical models must then be added to the current icing codes to improve the predictions and meet the latest certification standards. The objective of this research project is to improve the prediction of glaze ice shapes, appearing at higher temperatures, on aircraft subjected to various flight conditions. To meet this objective, more physical modeling of the phenomena surrounding icing has been added to the in-house software CHAMPS, corresponding to the current standards of second-generation icing codes. The ice shapes are obtained by using various modules in sequence: a module for aerodynamics, a module for droplet accumulation, a module for surface thermodynamic exchanges and a module for ice structure evolution. Aerodynamics is identified as the module that can be improved and two main components have been implemented: the prediction of the laminar-turbulent boundary layer transition and the modeling of the local ice roughness. These two phenomena directly impact the convective heat transfer allowing icing. The ice shapes obtained on cases analyzed in the NASA Lewis Icing Research Tunnel have been studied by considering the coupled effect of the models. As icing is a chaotic and poorly reproducible phenomenon, some have examined the effect of a stochastic model on the resulting ice shapes, in addition to the models suggested in this work. First, the aerodynamic flow is simulated by a finite volume Reynolds-averaged Navier–Stokes solver. The turbulence models used by CHAMPS are verified and validated, as they serve as a basis for the development of the new methods listed above. Additional transport equations to predict the turbulent laminar transition are then added to the current turbulence models. This allows the obtention of a more physical representation of the boundary layer at the wall of the airfoil. This has a direct influence on the convective heat transfer that impacts the freezing of the ice. The transition equations are verified through comparisons with values of the local friction coefficient obtained by wind tunnel tests on standard wing shapes. Secondly, different roughness models are introduced i) to represent the surface of the ice accumulating on the geometries and ii) to increase the convective heat transfer on the clean surface. A uniform roughness based on the equivalent sand grain height is first proposed, as it is usually used in research and industry. It is then coupled to the transition equations by a roughness transport equation that moves the transition point upstream according to the roughness height. The heat transfer associated with a roughness height is verified through comparison to well-established numerical code results. The impact of the models on the obtained ice shapes is studied with experimental cases. The results show that a region of laminarity can be captured by the models, modifying the ice shapes. On the other hand, imposing a unique roughness value could trigger the transition too close to the stagnation point. Thirdly, models are implemented to determine locally the amplitude of the surface roughness on the ice geometry. These models are calibrated using experimental results of ice shapes and roughness, employing local variables computed by the different modules of the solver. The effects of these models on a series of two-dimensional icing cases are studied, as well as the coupling with the recently implemented transitional model.