Aerodynamic and heat transfer correlations for smooth and rough airfoils

Samadani, Sepehr (2022). Aerodynamic and heat transfer correlations for smooth and rough airfoils. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The problem of icing in aircrafts is known as one of the most critical issues for the aviation community as this matter is directly connected to the flight safety. Due to the high cost of flight tests, many experiments and numerical models have been used to model the icing condition and the influence of the flight. In particular, an accurate estimation of the heat transfer is needed for preliminary design of the anti-icing and de-icing systems. Therefore, the goal of this thesis is to propose a correlation for smooth airfoils before icing (anti-icing systems) and rough airfoils after the ice accretion (de-icing systems) to predict the heat transfer Nusselt number and aerodynamics coefficient. The CFD is used as a high-fidelity method to predict the heat transfer on the smooth and rough airfoils, before and after icing conditions. To have a better understanding of CFD and aircraft icing, the literature review of this thesis is dedicated to a discussion about the history of icing studies and the necessity of continuous icing research, in spite of the numerous achievements. Also, the numerical modelling for icing is discussed in this section. The Spalart-Allmaras turbulence model (SA-SMOOTH) for the smooth airfoils and the Spalart-Allmaras turbulence model with the roughness modification (SA-ROUGH) for the rough airfoils are chosen to build the database. Before building the aerodynamics and heat transfer database, the CFD results are validated and verified against prior experimental and numerical results. Also, to ensure the reliability of the results, the quality of the meshes are evaluated with the GCI method. The database is built for the NACA 0009, NACA0012, and NACA0015 airfoils with □ = 0.625 × 10଺, 1.25 × 10଺, 2.5 × 10଺, □ 5 × 10଺ and 0 ͦ ≤ □ ≤ 13 ͦ for the smooth and 0 ͦ ≤ □ ≤ 9 ͦ for the rough airfoils. The Nusselt number and the drag coefficient are then plotted as a function of the lift coefficient to derive the correlation. Three drag coefficient correlations for the □ and □௠௜௡ for the smooth and □௠௜௡□ for the rough airfoils are proposed with three Nusselt number correlations including □௔□௚ for the general correlations and □௠௔□ and □௠௔□□ for the smooth and rough airfoils initial values. To verify the proposed heat transfer correlation, the new proposed correlation is compared with a previous work for the smooth surface.

Titre traduit

Corrélation entre l'aérodynamique et le transfert de chaleur pour les ailes lisses et rugueuses

Résumé traduit

Le problème du givrage sur les avions est connu comme étant l'un des problèmes les plus critiques pour la communauté aéronautique, car il est directement lié à la sécurité des vols. En raison du coût élevé des essais en vol, de nombreuses expériences et des modèles numériques ont été utilisés pour modéliser les conditions de givrage et l'influence sur les conditions de vol. Ainsi, une estimation précise, une estimation précise du transfert de chaleur est nécessaire pour la conception préliminaire des systèmes d'antigivrage et de dégivrage. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de proposer une corrélation pour les profils lisses avant le givrage (systèmes d'antigivrage) et les profils rugueux après l'accrétion de glace (systèmes de dégivrage) afin de prédire le transfert de chaleur, le nombre de Nusselt et le coefficient aérodynamique. La CFD est utilisée comme une méthode haute-fidélité pour prédire le transfert de chaleur sur les ailes lisses et rugueuses, avant et après les conditions de givrage. Pour avoir une meilleure compréhension de la CFD et du givrage des avions, la revue de la littérature de cette thèse est consacrée à une discussion des études sur le givrage et la nécessité de continuer la recherche sur ce sujet, malgré les nombreuses réalisations. La modélisation numérique du givrage est également abordée dans cette section. Le modèle de turbulence Spalart-Allmaras (SA-SMOOTH) pour les profils lisses et le modèle de turbulence SpalartAllmaras avec modification de la rugosité (SA-ROUGH) pour les profils rugueux sont choisis pour construire la base de données. Avant de construire la base de données sur l'aérodynamique et le transfert de chaleur, les résultats de la CFD sont validés et vérifiés par rapport aux résultats expérimentaux et numériques antérieurs. De plus, pour assurer la fiabilité des résultats, la qualité des maillages est évaluée avec la méthode GCI. La base de données est construite pour les profils NACA 0009, NACA0012, et NACA0015 avec □ = 0.625 × 10଺, 1.25 × 10଺, 2.5 × 10଺, □ 5 × 10଺ et 0 ͦ ≤ □ ≤ 13 ͦ pour les profils lisses et 0 ͦ ≤ □ ≤ 9 ͦ pour les profils rugueux. Le nombre de Nusselt et le coefficient de traînée sont ensuite tracés en fonction du coefficient de portance pour en déduire la corrélation. Trois corrélations de coefficient de traînée pour □ et □௠௜௡ pour les profils lisses et □௠௜௡□ pour les profils rugueux sont proposées avec les trois corrélations de nombre de Nusselt comprenant □௔௩௚ pour les corrélations générales et □௠௔□ et □௠௔□□ pour les valeurs initiales des profils lisses et rugueux. Pour vérifier la corrélation de transfert de chaleur proposée, elle est comparée à un travail précédent pour la surface lisse.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 79-85).
Mots-clés libres:	transfert de chaleur, antigivrage, dégivrage, turbulence, mécanique des fluides numérique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Morency, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	08 févr. 2023 19:01
Dernière modification:	08 févr. 2023 19:01
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3079

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