Reynolds-Averaged Navier-Stokes Based Ice Accretion For Aircraft Wings

Cette thèse aborde l'un des enjeux actuels de la sécurité aérienne pour augmenter les capacités de simulation de givrage pour la prédiction des formes complexes 2D et 3D de verglas sur les surfaces des aéronefs. Durant les années 1980 et 1990, le domaine de l'aérogivrage numérique s'est développé pour soutenir la conception et la certification des aéronefs volant dans des conditions givrantes. Les technologies multidisciplinaires utilisées dans ces codes étaient : l'aérodynamique (méthode des panneaux), le calcul des trajectoires des gouttelettes (méthode Lagrangienne), le module thermodynamique (modèle Messinger) et le module de géométrie (accumulation de glace). Ceux-ci sont intégrés dans un module quasi-stationnaire pour simuler le processus d'accumulation de glace en fonction du temps (procédure à plusieurs pas de temps). Les objectifs de la présente recherche visent à améliorer le module aérodynamique en passant de Laplace à un solveur d'équations de Navier-Stokes moyennée (RANS). Les avantages sont nombreux. Tout d'abord, le modèle physique permet le calcul des effets visqueux dans le module aérodynamique. Deuxièmement, la solution du programme d'aérogivrage fournit directement les moyens pour caractériser les effets aérodynamiques du givrage, comme la perte de portance et la traînée accrue. Troisièmement, l'utilisation d'une approche de volumes finis pour résoudre les équations aux dérivées partielles (PDE) permet des analyses rigoureuses de convergence en maillage et en temps. Enfin, les approches développées en 2D peuvent être facilement transposées aux problèmes 3D. La recherche a été réalisée en trois étapes principales, chacune fournissant des aperçus des approches numériques globales. La réalisation la plus importante vient de la nécessité de développer des algorithmes de génération de maillage spécifiquement pour assurer des solutions réalisables en plusieurs étapes de calculs très complexes d'aéro-givrage. Les contributions sont présentées dans l'ordre chronologique de leurs réalisations. D'abord, un nouveau cadre de simulation de glace bidimensionnel basé sur un code RANS, CANICE2D-NS, est développé. Un code RANS à maillage à simple bloc de l'université de Liverpool (nommé SMB) fournit la solution aérodynamique en utilisant le modèle de turbulence Spalart-Allmaras. L'outil commercial ICEM CFD est utilisé pour le remaillage du profil glacé pour le lissage du domaine.

Abstract

This thesis addresses one of the current issues in flight safety towards increasing icing simulation capabilities for prediction of complex 2D and 3D glaze ice shapes over aircraft surfaces. During the 1980's and 1990's, the field of aero-icing was established to support design and certification of aircraft flying in icing conditions. The multidisciplinary technologies used in such codes were: aerodynamics (panel method), droplet trajectory calculations (Lagrangian framework), thermodynamic module (Messinger model) and geometry module (ice accretion). These are embedded in a quasi-steady module to simulate the time-dependent ice accretion process (multi-step procedure). The objectives of the present research are to upgrade the aerodynamic module from Laplace to Reynolds-Average Navier-Stokes equations solver. The advantages are many. First, the physical model allows accounting for viscous effects in the aerodynamic module. Second, the solution of the aero-icing module directly provides the means for characterizing the aerodynamic effects of icing, such as loss of lift and increased drag. Third, the use of a finite volume approach to solving the Partial Differential Equations allows rigorous mesh and time convergence analysis. Finally, the approaches developed in 2D can be easily transposed to 3D problems. The research was performed in three major steps, each providing insights into the overall numerical approaches. The most important realization comes from the need to develop specific mesh generation algorithms to ensure feasible solutions in very complex multi-step aero-icing calculations. The contributions are presented in chronological order of their realization. First, a new framework for RANS based two-dimensional ice accretion code, CANICE2D-NS, is developed. A multi-block RANS code from U. of Liverpool (named PMB) is providing the aerodynamic field using the Spalart-Allmaras turbulence model. The ICEM-CFD commercial tool is used for the iced airfoil remeshing and field smoothing. The new coupling is fully automated and capable of multi-step ice accretion simulations via a quasi-steady approach. In addition, the framework allows for flow analysis and aerodynamic performance prediction of the iced airfoils. The convergence of the quasi-steady algorithm is verified and identifies the need for an order of magnitude increase in the number of multi-time steps in icing simulations to achieve solver independent solutions.