Analysis of Propeller Performance Variation Considering Ice Accretion and Shedding = 착빙과 탈락을 반영한 프로펠러의 성능 변화 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Small scale rotorcraft development has been driven by the increasing demand for unmanned aerial vehicles and lightweight aircraft. Unlike conventional aircraft, small rotating-wing aircraft generally lack Ice Protection System (IPS), which making accurate performance analysis under icing conditions essential for reliable performance assessment and mission success. Furthermore, in rotating propeller systems, icing is accompanied by ice shedding phenomena, in which accumulated ice detaches due to increasing centrifugal forces. Ice shedding may occur repeatedly within a few minutes and can induce discontinuous variations in aerodynamic performance.
In this study, an integrated numerical framework capable of analysis for both ice accretion and ice shedding is developed for a rotating carbon-fiber composite propeller. The framework is constructed based on the ICEPAC coupled with the KFLOW Reynolds-Averaged Navier–Stokes (RANS) solver, and an ice shedding module based on a maximum stress model is implemented in this framework. While most previous studies have employed ice adhesion models calibrated for metallic surfaces, this study proposes a new maximum adhesion stress model that reflects the surface characteristics of carbon-fiber materials widely used in modern aircraft and unmanned aerial vehicle propellers. Through this approach, the importance of considering blade surface material properties in ice shedding prediction is demonstrated.
Second, a parametric study is then conducted under FAR 25 Appendix C continuous icing conditions to evaluate the effects of ambient temperature, Liquid Water Content (LWC), and Median Volume Diameter (MVD) on ice shedding behavior. The results reveal that, unlike conventional icing characteristics, ice shedding is mainly governed by temperature, highlighting its dominant influence on shedding behavior.
Finally, propeller performance analyses considering both ice accretion and ice shedding are performed. The results show that thrust and propeller efficiency decrease gradually during the ice accretion phase, whereas discontinuous performance recovery occurs followed by ice shedding. As a result, when ice shedding occurs in relatively inboard regions of the blade span, a significant thrust recovery is observed. This finding indicates that conventional performance analyses neglecting ice shedding may underestimate aerodynamic performance under realistic operational conditions.
The integrated numerical framework proposed in this study enables realistic simulation of ice shedding behavior and associated performance variations of carbon-fiber composite propellers. It is expected to serve as a valuable analysis tool for icing safety assessment and design of rotating-wing aircraft and unmanned aerial vehicle systems.

국문 초록 (Abstract)

최근 드론 및 저중량 항공기의 수요 증가에 힘입어 꾸준한 개발이 이루어지고 있다. 기존 대형 항공기와는 다르게 소형 회전익 항공기는 방제빙 장치(IPS)가 부재하므로 착빙 하에서의 성능 해석이 수행되어야 정확한 성능 평가 및 임무 성공 가능성의 진단이 가능하다. 또한 회전하는 프로펠러 시스템에서는 착빙이 단순한 얼음 성장에 그치지 않고, 원심력 증가에 따라 축적된 얼음이 떨어져 나가는 얼음 탈락 현상이 수반된다. 얼음 탈락은 수 분 이내에 반복적으로 발생할 수 있으며, 공력 성능의 비연속적인 변화를 일으키므로 성능 해석에 고려해야 하는 현상이다.
본 연구에서는 회전하는 탄소섬유 복합재 프로펠러를 대상으로 착빙과 얼음 탈락을 연속적으로 고려할 수 있는 통합 수치해석 프레임워크를 구축하기 위해 KFLOW RANS 해석자 기반 ICEPAC 프레임워크를 활용하였으며, 최대 응력 모델 기반 얼음 탈락 모듈을 구축하였다. 기존 연구들이 주로 금속 재질을 대상으로 한 부착력 모델을 사용한 것과 달리, 본 연구에서는 실제 항공기 및 무인기 프로펠러에 널리 사용되는 탄소섬유 복합재의 표면 특성을 반영한 새로운 부착력 모델을 제안하였으며, 이를 통해 블레이드 표면 상태를 고려하는 것의 중요성을 확인하였다
다음으로 FAR 25 Appendix C 연속 결빙 조건 하에서 매개변수 연구를 수행하여, 얼음 탈락에 있어 온도, LWC, MVD의 영향을 평가하고 기존 착빙과 다르게 온도의 지배적 영향을 확인하였다.
마지막으로 착빙과 탈락을 고려하여 프로펠러 성능 해석을 수행한 결과, 착빙 단계에서는 추력과 효율이 점진적으로 감소하는 반면, 얼음 탈락 발생 시 탈락 위치에 따라 성능이 비연속적으로 회복됨을 수치해석을 통해 확인하였다. 특히 블레이드 반경 방향으로 상대적으로 안쪽 영역에서 탈락이 발생할 경우 추력 회복 효과가 크게 나타났으며, 이는 탈락을 고려하지 않은 기존 성능 해석이 실제 운용 조건에서 공력 성능을 과소 평가할 수 있음을 시사한다.
본 연구를 통해 제안된 통합 해석 프레임워크는 탄소섬유 프로펠러의 얼음 탈락 거동과 성능 변화를 현실적으로 모사할 수 있으며, 향후 회전익 항공기 및 무인기 시스템의 착빙 안전성 평가와 설계 단계에서 유용한 해석 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract I
• List of Figures VI
• List of Tables VIII
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Methodology 5
• 2.1. Icing Analysis Framework 5
• 2.2. Development of Ice Shedding Module 7
• 2.3 Carbon Fiber–Based Adhesion Stress Modeling 10
• 2.4 Numerical Implementation of Ice Shedding 12
• Chapter 3. Validation of framework 13
• 3.1. Validation of ICEPAC and KFLOW Framework 13
• 3.2. Validation of Ice Shedding module 20
• Chapter 4. Parametric Study of Ice Shedding 22
• 4.1. Characteristics of Ice Shedding Time 24
• 4.2. Characteristics of Ice Shedding Location 28
• Chapter 5. Performance Variation considering Icing and Shedding 34
• 5.1. Aerodynamic Performance Degradation 34
• 5.2. Performance Recovery after Ice Shedding 35
• 5.3. Influence of Ice Shedding Time 36
• 5.4. Influence of Ice Shedding Location 39
• 5.5. Importance of considering ice shedding on performance analysis 41
• Chapter 6. Conclusion 43
• 국문 초록 49