Study of the effects of In-flight Icing on fixed wing UAV's aerodynamic performance

Abstract

Ice accumulation on the surfaces of aircraft is a serious issue in aerial navigation. The problems caused by in-flight icing, namely increase in air drag, decrease in lift and stall, have been studied for conventional planes but, because of their small size and mass, they are even more harmful to UAVs. In this project, an extensive numerical analysis has been performed in order to get a better knowledge of how ice accretion works and how in-flight icing affects the aerodynamic coefficients of fixed wing UAVs. The simulations done show that icing in high temperatures (>-5°C), high airspeed and little droplet sizes result in clear ice, the most harmful type as it severely changes the airfoil geometry. Instead, icing in low temperatures, low airspeed and big droplet sizes result in rime ice, which does not change much the geometry, diminishing this way the harmful effects of icing. However, the shape of an aircraft (or an airfoil) is very important on how icing will affect it as the ice layers accreted on different airfoils at the same operating conditions are very different. In turn, a higher volume of ice accreted on the pressure side of the wing will increase the effects of ice on lift. The results obtained for 2D airfoil profiles can be easily inferred to a 3D environment even considering the little repeatability of ice shapes.

La acumulación de hielo en la superficie de los aviones es un grave problema al incrementar su resistencia con el aire, el lift y al poder provocar su caida. A parte, esto es más importante para drones debido a su pequeña masa y dimensiones, ya que la misma acumulación de hielo los afectará mucho más. En este proyecto se ha hecho un estudio numérico con la intención de augmentar nuestro conocimiento sobre como funciona la acumulación de hielo y para estudiar sus efectos en los coeficientes aerodinámicos de los drones de ala fija. Las simulaciones hechas han mostrado que la acumulación de hielo en altas temperaturas (>-5°C), altas velocidades y con grandes gotas de agua en el aire provocan clear ice, el tipo más perjudicial de hielo. Las condiciones contrarias generan rime ice, que no es tan perjudicial. El factor más importante pero, es la geometría de el ala, ya que la forma del hielo acumulado será muy diferente según la forma de ala a la que se acumule. Finalmente también hemos visto que los resultados obtenidos para los perfiles de ala (en 2D) se pueden extrapolar para un cuerpo en 3D aunque las formas del hielo en 3D tengan muy poca repetitividad.

L'acumulació de gel en la superfície dels avions és un problema bastant greu ja que incrementa el fregament, disminueix el lift i fins i tot pot provocar-ne la caiguda. A més és encara més important per a drons ja que, degut a la seva petita mida i massa, el mateix volum de gel acumulat els afectarà molt més. En aquest projecte s'ha fet un estudi numeric per tal d'ampliar el coneixement de com funciona l'acumulació de gel i quins efectes té en els coeficients aerodinàmics dels drons d'ala fixa. Les simulacions fetes han mostrat que l'acumulació de gel en altes temperatures (-5°C), altes velocitats i partícules d'aigua petites generen clear ice, el tipus més perjudicial, mentre que les condicions contraries generen rime ice, que no és tant perjudicial. Tot i això, el factor més important és la geometria de l'ala, ja que l'acumulació de gel serà molt diferent per cada perfil d'ala. Finalment també hem vist que els resultats obtinguts pels perfil d'ala (en 2D) poden ser fàcilment extrapolats a un superfície en 3D tot i haver-hi molta menys repetibilitat en els formes del gel.