Modeling of Thin Water Films on Swept Wings in Icing Condition

RESUME Les outils de simulation numerique du givrage sont d’une importance significative pour une conception optimale de l’avion et sa securite en vol. Des logiciels de givrage de nouvelle generation sont en cours d’implantation au sein de l’industrie aeronautique, amenant des outils de prediction precis et applicable a tout type de geometrie. Neanmoins, une modelisation adequate des films d’eau caracteristique de la glace de type verglas est requise pour ameliorer les predictions actuelles et pour repondre aux recentes normes de certification concernant les gouttelettes surfondues de grande taille (communement nommees SLD). Ce projet de recherche vise a modeliser correctement la glace de type verglas sur des profils d’ailes en condition de givrage. Pour atteindre cet objectif, trois aspects principaux sont consideres : l’evaluation adequate du transfert de chaleur par convection, une bonne representation des nuages de gouttelettes et une modelisation juste de la physique des films d’eau. De plus, les methodes utilisees doivent etre compatible pour la simulation sur des ailes en fleche infinies. En premier lieu, le calcul du coefficient de transfert de chaleur convectif est etudie afin de remplacer les methodes semi-empiriques actuellement utilisees. Une methode basee sur la solution des equations de Navier-Stokes est proposee afin de rendre le calcul applicable a tout type geometrie et a tout type d’ecoulement. De plus, afin d’obtenir une meilleure representation du nuage de gouttelettes et du meme coup une meilleure prediction des limites de glace, une distribution de tailles de gouttelettes est ajoute. Il est demontre que cette modification est necessaire autant pour les tailles standards que pour les grandes tailles de gouttelettes. Enfin, l’evaluation de la force de trainee appliquee sur les gouttelettes est modifiee pour considerer la deformation de la gouttelette puisque celle-ci n’est plus strictement spherique en regime SLD, elle tend plutot vers la forme d’un disque. En second lieu, un modele thermodynamique base sur des equations aux derivees partielles pour l’evaluation de l’epaisseur de glace, l’epaisseur du film d’eau et de la temperature de surface est implemente. Ce modele suppose un film d’eau se deplacant selon l’effet de la friction de l’air et donne des resultats tres similaires a un modele algebrique. Le modele est resolu de maniere instationnaire permettant l’ajout de phenomenes transitoires dans la modelisation du film d’eau. Un cas pathologique est demontre sur une geometrie manufacturee comportant des zones de recirculations ou une accumulation d’eau peut etre observee. Cette situation est rencontree autant pour le modele algebrique que pour le modele aux derivees 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.