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CFD investigation of iced-wing performance degradation using DDES with the Spalart-Allmaras extension to consider roughness effects

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De Brito Siqueira Tagawa, Gitsuzo (2021). CFD investigation of iced-wing performance degradation using DDES with the Spalart-Allmaras extension to consider roughness effects. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ice accretion can reduce the efficiency of aircraft lifting surfaces, which increases the cost of flight and risk of accidents. Experiments proved that even the onset of icing (increased roughness) could cause a reduction of 25% in the maximum lift, and an increase of 90% in drag of an aspect ratio 6 wing. In order to better represent rough surfaces and improve the fidelity of CFD simulations, different roughness implementations have been proposed, especially for the well-established and validated Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. In addition, horn-like ice formation results in massive flow separation, from which, the physics of the energetic eddies in the outer layer cannot be accurately modeled by RANS. Therefore, in order to investigate roughness effects for separated flows, we propose to numerically estimate the aerodynamic performance degradation of a three-dimensional post-stall-angle rough iced wing using a hybrid model (RANS/LES) called DDES including RANS with roughness implemented. To accelerate the unlocking of the Kelvin-Helmholtz instability, the Shear-Layer Adapted (SLA) Sub-Grid length Scale (SGS) is used in combination with the lowdissipation scheme HR-SLAU2. In the first step, the implementation of the SA roughness extension is verified and validated using smooth and rough-surface study-cases. Then, smoothsurface study cases with massive flow detachment are evaluated. The new method is then used for DDES estimations of massive-separated flows over rough-surface study cases are presented. In the first study case, the flow over a rough backward facing step is evaluated. Results show that, the resistance caused by roughness produces three main effects. First, it reduces the region of maximum reverse flow after the step. Second, the reverse flow region is formed 42% farther downstream. Third, the reattachment of the flow occurs 12% farther downstream as compared to results generated with the same model over a smooth surface. In the second study case, the flow over a rough iced model 5-6 airfoil at an angle of attack of 8 degrees is studied. Although the DDES presented improved estimations as compared to RANS, no significant roughness effects were noticed on the flow over a model 5-6 airfoils with a horntype ice accretion. The difference seen between the iced airfoil and the BFS results, was caused by two reasons. First, the small length of the roughness distribution, which is only along the ice surface. Second, roughness effects were weaker than the great adverse pressure gradient created just after the tip of the horn ice, which “overshadowed” any roughness effects.

Titre traduit

Investigation CFD sur la dégradation des performances des ailes glacées à l'aide de DDES avec l'extension Spalart-Allmaras implémentée pour prendre en compte les effets de rugosité

Résumé traduit

L'accrétion de glace peut réduire l'efficacité des surfaces portantes des aéronefs, ce qui augmente le coût du vol et le risque d'accidents. Des études expérimentales ont prouvé que le givrage, qui s’accompagne d’une augmentation de la rugosité, pouvait entraîner une réduction de 25% de la portance maximale et une augmentation de 90% de la traînée d'une aile d’allongement 6. Afin de mieux représenter les surfaces rugueuses et d'améliorer la fidélité des simulations CFD, différentes implémentations de rugosité ont été proposées, en particulier pour le modèle de turbulence Spalart-Allmaras (SA) bien établi et validé. De plus, la formation de glace en forme de corne entraîne une séparation massive des flux, générant des tourbillons énergiques dont la physique dans la couche externe ne peut pas être modélisée avec précision par l’approche RANS. Par conséquent, afin d'étudier les effets de la rugosité pour des écoulements séparés, nous proposons d'estimer numériquement la dégradation des performances aérodynamiques d'une aile tridimensionnelle givrée après l’angle de décrochage à l'aide d'un modèle hybride (RANS / LES) appelé DDES incluant le modèle RANS avec rugosité implémentée. Pour accélérer le déclenchement de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz, l'échelle de longueur de sous-grille (SGS) adaptée à la couche de cisaillement (SLA) est utilisée en combinaison avec le schéma à faible dissipation HR-SLAU2. Dans un premier temps, la mise en oeuvre de l'extension à la rugosité du modèle SA est vérifiée et validée à l'aide de cas d'étude de surface lisses et rugueuses. Ensuite, des cas d'étude à surface lisse avec détachement d'écoulement massif sont évalués. La nouvelle méthode est ensuite utilisée pour les estimations DDES des écoulements massivement séparés sur des cas d'étude à surface rugueuse. Dans le premier cas d'étude, l'écoulement sur une marche orientée aval (abrégé en BFS pour backwards facing step) est évalué. Les résultats montrent que la résistance causée par la rugosité produit trois effets principaux. Premièrement, il réduit la région de flux inverse maximal après la marche. Deuxièmement, la région d'écoulement inverse est formée 42% plus loin en aval. Troisièmement, le rattachement du flux se produit 12% plus loin en aval par rapport aux résultats générés avec le même modèle sur une surface lisse. Dans le deuxième cas d'étude, l'écoulement sur un modèle de profil 5-6 aérodynamique givré rugueux à un angle d'attaque de 8 degrés est étudié. Bien que la DDES ait présenté des estimations améliorées par rapport au modèle RANS, aucun effet de rugosité significatif n'a été observé sur l'écoulement autour d’un profil 5-6 avec une accumulation de glace de type corne. La différence dans les résultats du profil aérodynamique givré, par rapport à la configuration BFS, a été causée par deux raisons. Premièrement, la faible longueur de la distribution de rugosité (uniquement sur la glace), et deuxièmement, la plus grande perturbation créée par la corne de glace sur le bord d'attaque du profil aérodynamique, qui “occultait” les effets de rugosité.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 109-117).
Mots-clés libres: simulation de tourbillons détachée retardée, DDES, rugosité, turbulence, adaptation de couche de cisaillement, profil aérodynamique glacé, dégradation des performances
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Morency, François
Codirecteur:
Codirecteur
Beaugendre, Héloïse
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 04 oct. 2021 13:15
Dernière modification: 04 oct. 2021 13:15
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2721

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