On the influence of ice accretion over the aerodynamic performance of airfoils

Abstract

La formación de hielo sobre superficies, concretamente, sobre las superficies aerodinámicas, es un problema al que se ha enfrentado la aviación desde prácticamente sus inicios. Este proceso es complejo y difícil de estimar, puesto que depende de multitud de factores como las características del vuelo, la geometría del perfil o el ala, las condiciones atmosféricas, etc. El desarrollo en los últimos años de la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) ha permitido abordar de una forma más precisa este fenómeno. En este documento se tiene como principal objetivo la realización de un análisis exhaustivo de la formación de hielo sobre superficies, tanto aerodinámicas como los perfiles, como de superficies (canónicas) más simples, como la placa plana o el cilindro, con el objetivo de caracterizar el comportamiento de la formación de hielo sobre estas superficies en base a la variación de parámetros cruciales como la velocidad del flujo, temperatura, geometría del perfil o de la placa plana, etc. Para ello, se ha empleado Ansys FENSAP ICE. Este software es un programa que nos permite simular la formación de hielo sobre distintas superficies, bastando con introducir la geometría de nuestro problema, malla y las condiciones de contorno, tanto de aire incidente como del agua (que definen las gotas). Este documento, además, pretende servir como base para futuros estudios relacionados con la formación de hielo, y es por ello que se ha realizado una breve explicación general sobre los distintos módulos que conforman Ansys FENSAP ICE, así como de sus principales características y funcionalidades. Con estos dos objetivos en mente, se quiere enfatizar la importancia que tiene en la aviación la formación de hielo sobre las superficies aerodinámicas, puesto que pueden afectar negativamente a la actuación (sustentación y arrastre) de la aeronave, y cómo afecta a la formación de hielo los parámetros principales de los que dependen este fenómeno.

Surface icing, particularly on aerodynamic surfaces, is a problem that aviation has faced since almost its beginning. This process is complex and difficult to estimate, since it depends on a multitude of factors, such as flight characteristics, airfoil or wing geometry, atmospheric conditions, etc. The development in recent years of Computational Fluid Mechanics (CFD) has allowed a more exhaustive study of this phenomenon. The main objective of this paper is to carry out an extensive analysis of ice accretion on surfaces, both aerodynamic surfaces such as airfoils and simpler surfaces such as cylinders or flat plates, in order to characterise the behaviour of ice formation on these surfaces based on the variation of crucial parameters as flow velocity, temperature, chord of the airfoil or flat plate, etc. For this purpose, Ansys FENSAP ICE has been used. This software is a program that allows us to simulate the ice formation on different surfaces, simply by the introduction the geometry of our problem, mesh and boundary conditions, both incident air and water (which define the droplets). This document is also intended to serve as a basis for future studies related to ice formation, and that is why a brief general explanation and introduction of the different modules that make up Ansys FENSAP ICE, as well as its main features and functionalities, has been provided. With these two objectives in mind, the aim is to show the importance of icing on aerodynamics surfaces in aviation, since it can negatively affect to the performance of the aircraft, and how the main parameters that define this phenomenon affect icing.