Modeling of Thin Water Films on Swept Wings in Icing Condition

Les outils de simulation numérique du givrage sont d'une importance significative pour une conception optimale de l'avion et sa sécurité en vol. Des logiciels de givrage de nouvelle génération sont en cours d'implantation au sein de l'industrie aéronautique, amenant des outils de prédiction précis et applicable à tout type de géométrie. Néanmoins, une modélisation adéquate des films d'eau caractéristique de la glace de type verglas est requise pour améliorer les prédictions actuelles et pour répondre aux récentes normes de certification concernant les gouttelettes surfondues de grande taille (communément nommées SLD). Ce projet de recherche vise à modéliser correctement la glace de type verglas sur des profils d'ailes en condition de givrage. Pour atteindre cet objectif, trois aspects principaux sont considérés : l'évaluation adéquate du transfert de chaleur par convection, une bonne représentation des nuages de gouttelettes et une modélisation juste de la physique des films d'eau. De plus, les méthodes utilisées doivent être compatible pour la simulation sur des ailes en flèche infinies. En premier lieu, le calcul du coefficient de transfert de chaleur convectif est étudié afin de remplacer les méthodes semi-empiriques actuellement utilisées. Une méthode basée sur la solution des équations de Navier-Stokes est proposée afin de rendre le calcul applicable à tout type géométrie et à tout type d'écoulement. De plus, afin d'obtenir une meilleure représentation du nuage de gouttelettes et du même coup une meilleure prédiction des limites de glace, une distribution de tailles de gouttelettes est ajouté. Il est démontré que cette modification est nécessaire autant pour les tailles standards que pour les grandes tailles de gouttelettes. Enfin, l'évaluation de la force de traînée appliquée sur les gouttelettes est modifiée pour considérer la déformation de la gouttelette puisque celle-ci n'est plus strictement sphérique en régime SLD, elle tend plutôt vers la forme d'un disque. En second lieu, un modèle thermodynamique basé sur des équations aux dérivées partielles pour l'évaluation de l'épaisseur de glace, l'épaisseur du film d'eau et de la température de surface est implémenté. Ce modèle suppose un film d'eau se déplaçant selon l'effet de la friction de l'air et donne des résultats très similaires à un modèle algébrique. Le modèle est résolu de manière instationnaire permettant l'ajout de phénomènes transitoires dans la modélisation du film d'eau. Un cas pathologique est démontré sur une géométrie manufacturée comportant des zones de recirculations où une accumulation d'eau peut être observée. Cette situation est rencontrée autant pour le modèle algébrique que pour le modèle aux dérivées partielles.

Abstract

Numerical tools for the prediction of in-flight ice accretion are valuable for the optimal design and the safe operation of aircraft in icing conditions. A new generation of tools are making their way into the industry, providing more general and accurate icing softwares. Besides, a good representation of water films characterizing the glaze ice condition is needed to improve the current predictions and to model the newly defined requirements for Supercooled Large Droplets (SLD). The current research project focuses on the proper modeling of glaze ice accretion on airfoils. To meet this objective, three main aspects are covered: a proper evaluation of the convective heat transfer, a good representation of the droplets cloud and the correct modeling of the water film on the surface of the airfoil. Furthermore, the methods implemented must be compatible for the simulation of ice accretion on infinite swept wings. First, the evaluation of the Convective Heat Transfer Coefficient (HTC) is studied in order to replace the semi-empirical approach currently used. A method based on the solution of the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations is suggested and proves to be applicable to any type of geometries and airflow conditions. Moreover, to obtain a better representation of the droplets cloud and at the same time an improved prediction of the ice limits, a droplets size distribution is implemented. It is shown that this modification is required for both the standard and large size droplets. Then, the droplets drag model is modified to account for the deformation of the droplets which tend to be more disk shaped as their size increases instead of simply spherical. Second, a Partial Differential Equation (PDE) based model for the evaluation of the water thickness, the ice height and the surface temperature is implemented. The thermodynamic model assumes a skin friction driven water film and provides results similar to its algebraic counterpart. The PDE model is solved unsteady allowing the addition of transient phenomena for modeling the water film. A pathological case is demonstrated on a manufactured geometry where water accumulation is observed near the recirculation zones. This behavior is observed for both the PDE and algebraic models. Finally, a validation is performed on two-dimensional icing cases demonstrating a very good agreement between the numerical and experimental results. The icing software is also tested for ice accretion on infinite swept wings. A comparison with a two-dimensional correction method for the simulation of swept wing shows a better evaluation of the convective heat transfer near the stagnation point.