Numerical and experimental investigations on rough airfoil in icing conditions
This work presents the numerical study of the convective heat transfer of a flow over non-homogeneous rough surfaces obtained from ice accretion experiments on an airfoil. This supports the study of inflight ice accretion over aircraft components, a phenomenon that poses a risk to the safe operation of aircraft. The study of the convective heat transfer is of utter importance since it dictates the ice growth rate on a surface, especially in icing conditions favoring glaze ice formation. Therefore, icing codes, which permit the numerical simulation of ice accretion, require the proper modeling of the convective heat transfer on the boundary layer of a flow under the influence of non homogeneous roughness. This allows to accurately obtain ice geometries to subsequently study their effects on aircraft aerodynamics. The numerical study is performed on experimentally obtained ice shapes on an asymmetric airfoil. The experiments are carried out in the Braunschweig Icing Wind Tunnel, involving supercooled water droplets which follow Appendix C conditions of the EASA regulations. The obtained ice shapes were digitized via the photogrammetry method for their subsequent analysis and preparation for the numerical simulations. Embedded LES (ELES) is performed for the numerical study, which allows the simulation of unsteady 3D turbulent behavior in the region surrounding the ice geometry, typically located on the stagnation point of the airfoil, while the rest of the fluid is simulated via a RANS approach. The results obtained from the ELES are analyzed and compared to the ones of fully turbulent RANS simulations (SST with roughness model), from which several observations are elaborated. First, ELES shows that the wall shear stress and heat flux do not possess a direct correlation in the presence of roughness, in contrast to smooth surfaces, which show a linear correlation between the skin friction coefficient with the Stanton number, as observed in experiments found in the literature. On the other hand, RANS results show a linear behavior between the skin friction coefficient and the Stanton number even in the presence of roughness. This results in an excessive heat transfer on rough regions and an overprediction of the ice growth towards the stagnation point in contrast to ELES. Then, ELES shows that the roughness induces the transition process of the boundary layer, although, occurring around locations with high levels of roughness, away from the stagnation point. This results in a wide region with a laminar boundary layer, covering a notable portion of the ice surface, on which roughness does not have any effect on the heat transfer. On the other hand, the fully turbulent RANS tends to trigger the boundary layer transition too early, resulting in an instant growth of the convective heat transfer near the stagnation point. Next, it is observed in the ELES that the wall shear stress and heat transfer tend to increase as the boundary layer flows over a surface with increasing roughness. Peak values are achieved at the location with the highest roughness, from which they subsequently decay independently of the roughness levels located in the path of the boundary layer, implying a dynamical behavior of the boundary layer (e.g., separation due to high roughness elements) not accounted in RANS, since the later shows a direct correlation of the wall shear stress and heat transfer to the local roughness levels. After that, ELES exhibits the existence of longitudinal vortices around the stagnation point in the presence of spatial variations of pressure, being these generated by the curvature of the mean ice geometry. These vortices are 3D and unsteady in nature and tend to increase the heat transfer around the stagnation point, which is a phenomenon not accounted for in RANS models. Finally, it is shown that these pressure variations do not have any further effect on the heat transfer away from the stagnation point, especially in rough zones, indicating that the heat transfer is mostly dominated by the characteristics of roughness and not the mean ice geometry, although it is noted that the studied cases do not exhibit phenomena such as massive flow separation, which can eventually affect the heat transfer.
In dieser Arbeit wird die numerische Untersuchung des konvektiven Wärmeübergangs einer Strömung über inhomogene raue Oberflächen vorgestellt, die aus Experimenten zur Eisbildung auf einer Tragfläche gewonnen wurde. Dies unterstützt die Untersuchung der Eisbildung über Flugzeugkomponenten während des Fluges, ein Phänomen, das ein Risiko für den sicheren Betrieb von Flugzeugen darstellt. Die Untersuchung des konvektiven Wärmeübergangs ist von großer Bedeutung, da er die Eiswachstumsrate bestimmt. Unter Vereisungsbedingungen, die die Bildung von Glatteis begünstigen ist diese Untersuchung besonders wichtig. Daher erfordern Vereisungscodes, Codes die eine numerische Simulation der Eisbildung ermöglichen, eine angemessene Modellierung des konvektiven Wärmeübergangs unter dem Einfluss inhomogener Rauheit, um genaue Eisgeometrien zu erhalten und deren Auswirkungen auf die Aerodynamik von Flugzeugen zu untersuchen. Die numerische Studie wird mit experimentell an einem asymmetrischen Tragflügel gewonnenen Eisformen durchgeführt. Die Experimente wurden im Braunschweiger Vereisungswindkanal mit unterkühlten Wassertropfen durchgeführt, die den Bedingungen des Anhangs C der EASA-Vorschriften entsprechen. Die erhaltenen Eisformen wurden mit Hilfe der Photogrammetrie digitalisiert, um sie anschließend zu analysieren und für die numerischen Simulationen vorzubereiten. Für die numerische Studie wird eine eingebettete LES (ELES) durchgeführt: Eine LES berechnet das instationäre 3D-Turbulenzverhalten in der unmittelbaren Umgebung der Eisgeometrie, die sich üblicherweise am Staupunkt befindet. Die übrigen Regionen werden mittels RANS Simulation berechnet. Die ELES Ergebnisse werden analysiert und mit denen von vollständigen turbulenten RANS Simulationen (SST mit Rauheitsmodel) verglichen, wobei mehrere Beobachtungen gemacht werden. Zunächst zeigen die ELES Ergebnisse, dass bei rauen Oberflächen Wandschubspannung und Wärmestrom keine direkte Korrelation aufweisen. Im Gegensatz dazu steht bei glatten Oberflächen der Reibungsbeiwert linear mit der Stanton-Zahl in Beziehung, wie es bei Experimenten in der Literatur beobachtet wurde. Andererseits sagen die RANS-Ergebnisse auch für raue Oberflächen ein lineares Verhalten zwischen dem Reibungsbeiwert und der Stanton-Zahl voraus, was im Widerspruch zu den ELES-Ergebnissen steht. Im Vergleich zu ELES führt das lineare Verhalten zu einem übermäßigen Wärmeübergang und einer übervorhersage des Eiswachstums in Richtung des Staupunkts. Zudem zeigt ELES, dass die Rauheit den Übergangsprozess der Grenzschicht auslöst, auch wenn er an Stellen mit hoher Rauheit abseits des Staupunkts auftritt. Daraus ergibt sich ein breiter Bereich mit einer laminaren Grenzschicht, die einen beträchtlichen Teil der Eisoberfläche bedeckt und in der die Rauheit keinen Einfluss auf den Wärmeübergang hat. Andererseits neigt die vollständig turbulente RANS dazu, den Grenzschichtübergang zu früh auszulösen, was zu einem sofortigen Anstieg des konvektiven Wärmeübergangs in der Nähe des Staupunkts führt. Des Weiteren ist in den ELES zu beobachten, dass die Wandschubspannung und der Wärmeübergang tendenziell empfindlich auf die Zunahme der Rauheit reagieren. Die Spitzenwerte werden an der Stelle mit der höchsten Rauheit erreicht, von der aus sie anschließend unabhängig von den Rauheitsgraden im Verlauf der Grenzschicht abfallen, was auf ein dynamisches Verhalten der Grenzschicht (z. B. Ablösung durch Elemente mit hoher Rauheit) hindeutet, das bei RANS nicht berücksichtigt wird, da letzteres eine direkte Korrelation der Wandschubspannung und des Wärmeübergangs mit den lokalen Rauheitsgraden zeigt. Außerdem zeigt ELES die Existenz von Längswirbeln um den Staupunkt bei räumlichen Druckschwankungen, die durch die Krümmung der mittleren Eisform erzeugt werden. Diese Wirbel sind 3D und instationär und neigen dazu, den Wärmeübergang um den Staupunkt zu erhöhen, ein Phänomen, das in RANS-Modellen nicht berücksichtigt wird. Schließlich wird gezeigt, dass diese Druckschwankungen keine weitere Auswirkung auf den Wärmeübergang abseits des Staupunktes haben, insbesondere in rauen Zonen, was darauf hindeutet, dass der Wärmeübergang hauptsächlich von den Eigenschaften der Rauheit und nicht von der mittleren Eisgeometrie dominiert wird, obwohl festgestellt wird, dass die untersuchten Fälle keine Phänomene wie massive Strömungsablösung aufweisen, die letztendlich den Wärmeübergang beeinflussen können.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
