In-flight icing is a major concern in aircraft safety and a non-negligible source of incidents and accidents, and is still a serious hazard today. It remains consequently a design and certification challenge for aircraft manufacturers. The aerodynamic performance of an aircraft can indeed degrade rapidly when flying in icing conditions, leading to incidents or accidents. In-flight icing occurs when an aircraft passes through clouds containing supercooled water droplets at or below freezing temperature. Droplets impinge on its exposed surfaces and freeze, causing roughness and shape changes that increase drag, decrease lift and reduce the stall angle of attack, eventually inducing flow separation and stall. This hazardous ice accretion is prevented by the use of dedicated anti-icing systems, among which hot-air-types are the most common for turbofan aircraft. This work presents a methodology for the optimization of such aircraft hot-air-type anti-icing systems, known as Piccolo tubes. Having identified through 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) the most critical in-flight icing conditions, as well as determined thermal power constraints, the objective is to optimize the heat distribution in such a way to minimize power requirements, while meeting or exceeding all safety regulation requirements. To accomplish this, an optimization method combining 3D CFD, Reduced-Order Models (ROM) and Genetic Algorithms (GA) is constructed to determine the optimal configuration of the Piccolo tube (angles of jets, spacing between holes, and position from leading edge). The methodology successfully results in increasingly optimal configurations from three up to five design variables. / Le givrage en vol constitue encore et toujours un souci majeur de sûreté en aviation et demeure une source non négligeable d'incidents et d'accidents. Ainsi, le givrage en vol reste un défi de taille en termes de conception et de certification pour les constructeurs aéronautiques. Les performances aérodynamiques d'un avion peuvent en effet se dégrader rapidement quand il vole en conditions givrantes, et ainsi engendrer des incidents ou même des accidents. Le givrage en vol a lieu quand un avion traverse des nuages contenant des gouttelettes d'eau surfondues à des températures inférieures ou égales au point de congélation. Les gouttelettes impactent sur les zones exposées et gèlent, ce qui augmente la rugosité, provoquant une augmentation de la traînée, une diminution de la portance et de l'angle de décrochage, et induisant éventuellement la séparation de l'écoulement et le décrochage. L'accrétion de glace est empêchée par l'utilisation de systèmes dédiés d'antigivrage, parmi lesquels les systèmes à air chaud sont les plus utilisés par les avions de ligne. Cet ouvrage présente une méthodologie en vue de l'optimisation de tels systèmes d'antigivrage à air chaud appelés tubes Piccolo. Ayant identifié les conditions de givrage en vol les plus sévères à l'aide de la CFD (Computational Fluid Dynamics, ou simulation numérique en dynamique des fluides) tridimensionnelle ainsi que les contraintes de puissance thermique liées au système de dégivrage, l'objectif est d'optimiser la distribution de chaleur de façon à minimiser la puissance thermique requise, tout en satisfaisant aux réglementations de sûreté en vol. Dans ce but, une méthode d'optimisation combinant la CFD 3D, la Modélisation d'Ordre Réduit (MOR) et les Algorithmes Génétiques (AG), est développée afin de déterminer la configuration optimale du tube Piccolo (en termes d'angles de jets, de distance entre les jets et de distance au bord d'attaque). Cette m
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.95154 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Pellissier, Mathieu |
| Contributors | Wagdi George Habashi (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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