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Quantification of the propeller slipstream effect on ice shed trajectories

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Yassine, Bilal (2022). Quantification of the propeller slipstream effect on ice shed trajectories. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ice accretion is a significant natural hazard which can occur during flight. It can lead to the degradation of the aircraft aerodynamic performance. For decades, engineers have tried to solve this ice accretion problem by integrating de-icing and anti-icing devices on the aircraft frame to maintain the performance. Nevertheless, the unknown trajectories of the detached particles remained an issue due to the complex physical flows around the aircraft. The detached ice particles from the wing or propeller strike the aircraft components, damaging them on impact. Their unknown trajectories reduce the safety of the aircraft structures, leading to major repairs and severe accidents. Numerical studies of these unknown trajectories are employed in order to reduce these dangers, especially behind the engine propeller where the ice particles are dismantled with high velocity. A good way of representing the probability of a trajectory to cross a plane perpendicular to the fuselage is called a footprint map. The objective of this thesis is to build a tool capable of studying the ice trajectory footprint map behind the propeller and the wing geometries. To correctly predict a footprint map at the propeller section of a turboprop, a 3D panel method (3DPM) is used as the numerical approach to compute the flowfield and these unknown trajectories around the propeller and wing. Additionally, a numerical tool called (Qprop) advanced Blade Element Method (BEMT) is used. (Qprop) is employed to determine the induced velocities needed to represent the slipstream produced by the propeller. The combination of both 3DPM and BEMT is used as a numerical tool for performing the interaction between propeller and wing study. A parametric study is made based on test cases on a single ice trajectory to show the parameters’ effect on the ice trajectory. Also, a probabilistic study of the ice particles footprints is done based on the 1000 trajectories to observe the most hit area by the ice chunks. Moreover, the Probability Distribution Function (PDF) in the area of the slipstream of the propeller is compared with the known literature PDF wing area without propeller slipstream. This comparison will allow for a better understanding of the ongoing threat to aviation safety of the propeller slipstream. This can be useful on different propeller and wing configurations to study the ice shed trajectories on various aircraft.

Three main findings were yielded from this study. First, the ice trajectories were significantly affected by the propeller slipstream, as seen through the parametric study (single ice trajectory). This was supported further by the quantification of the propeller slipstream on the aircraft on 1000 ice trajectories. A lower lift and a higher rate of accretion above the wing behind the propeller were observed. Therefore, wing-only models are missing a key element : for turbo-prop aircraft, the propeller slipstream must be taken into account. The second finding is the validation of the drop in pressure coefficient on the wing behind the propeller. Finally, the third finding is the potential ice impact on the fuselage when decreasing the slipstream induced velocity.

Titre traduit

Quantification de l’effet du sillage d’une hélice sur la trajectoire des particules de glace détachées

Résumé traduit

L’accumulation de glace est un risque naturel important qui peut se produire pendant le vol. Elle peut entraîner une dégradation des performances aérodynamiques de l’avion. Les particules de glace détachées de l’aile frappent et endommagent les composants de l’avion à l’impact. Leurs trajectoires inconnues réduisent la sécurité des structures de l’avion, entraînant des réparations importantes et des accidents graves. Des études numériques de ces trajectoires inconnues sont employées afin de réduire ces dangers. Une bonne façon de représenter la probabilité qu’une particule traverse un plan perpendiculaire au fuselage est appelée carte d’empreintes. L’objectif de cette thèse est de construire un outil capable d’étudier la carte d’empreintes des trajectoires de glace derrière l’hélice et l’aile. Une méthode de panneaux 3D (3DPM) est utilisée comme approche numérique pour calculer le champ d’écoulement et ces trajectoires inconnues autour de l’hélice et de l’aile. En outre, un outil numérique appelé Qprop advanced Blade element method (théorie avancée du momentum des éléments de pale ou BEMT) est utilisé. Qprop est utilisé pour déterminer les vitesses induites nécessaires pour représenter le courant induit par l’hélice. La combinaison de 3DPM et de BEMT est utilisée comme un outil numérique rapide pour réaliser l’étude de l’interaction entre l’hélice et l’aile. Une étude paramétrique est réalisée sur la base d’un cas test sur une seule trajectoire de glace afin de montrer les effets des paramètres sur la trajectoire de glace. De plus, une étude probabiliste des empreintes des particules de glace est faite sur la base de 1000 trajectoires pour observer la zone la plus touchée par les morceaux de glace. Aussi, la Fonction de Distribution de Probabilité (Probability Distribution Function ou PDF) du souffle de l’hélice est comparée à la PDF de la littérature connue de la zone de l’aile sans glissement d’hélice. Cette comparaison permettra de mieux comprendre la menace permanente que représente le souffle de l’hélice pour la sécurité aérienne. Cela peut être utile sur différentes configurations d’hélice et d’aile pour étudier les trajectoires de la glace autour des avions.

Cette étude a permis de tirer trois conclusions principales. Premièrement, les trajectoires de glace ont été significativement affectées par le souffle de l’hélice, comme le montre l’étude paramétrique (trajectoire de glace unique). Ceci a été confirmé par la quantification de l’effet du glissement de l’hélice sur l’avion sur 1000 trajectoires blocs de glace. Une portance plus faible et un taux d’accrétion plus élevé au-dessus de l’aile derrière l’hélice ont été observés. Par conséquent, les modèles basés uniquement sur les ailes manquent un élément clé : pour les avions à turbopropulseurs, le souffle de l’hélice doit être pris en compte. La deuxième constatation est la validation de la chute du coefficient de pression sur l’aile derrière l’hélice. Enfin, la troisième constatation est l’impact potentiel de la glace sur le fuselage lors de la diminution de la vitesse de courant induit.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 59-62).
Mots-clés libres: accrétion de glace, carte d’empreintes, BEMT, 3DPM, QProp, PDF
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Morency, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 27 mai 2022 14:33
Dernière modification: 27 mai 2022 14:33
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3002

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