Comment les propriétés physiques des cristaux de glace affectent leur fonte et leur impact sur les surfaces

Les cristaux de glace, lorsqu'ils sont soumis à des conditions environnementales spécifiques, traversent plusieurs phases de transformation avant d'atteindre leur état final. L'une des principales caractéristiques de ce processus est la fonte des particules de glace, qui se déroule selon différents modèles et dépend de plusieurs facteurs physiques, notamment la température, la pression et l'humidité relative de l'air environnant. Dans ce contexte, il est essentiel de comprendre comment ces facteurs interagissent pour moduler la durée et l'intensité de la fonte des cristaux de glace, ainsi que les effets de cette transformation sur les surfaces qu'ils rencontrent.

L'une des phases les plus étudiées est celle où la particule de glace fond partiellement, donnant naissance à une couche de liquide autour du noyau de glace. La densité de la particule fondue peut être modélisée à partir de la densité de la glace et de l'eau liquide, ce qui permet de décrire plus précisément l'évolution de la particule à travers les différentes étapes de la fonte. Cela est particulièrement utile dans les expériences qui cherchent à simuler des conditions réalistes de vol, où les cristaux de glace rencontrent des températures et des vitesses d'air variables.

Une autre phase importante est celle où la particule de glace devient une gouttelette d'eau pure. À cette étape, l'évaporation et la condensation interviennent, modifiant le comportement de la gouttelette. La température de la gouttelette est uniforme et sa densité reste constante, ce qui permet de décrire avec précision le processus de transfert de masse. Un aspect fondamental de cette phase est l'interaction entre la particule et l'environnement, notamment la façon dont la vitesse d'évaporation et l'humidité relative affectent la durée de la fonte.

Les modèles théoriques qui régissent ces phénomènes sont soutenus par des travaux expérimentaux, tels que ceux réalisés par T. Hauk et ses collègues. À l'aide de l'appareil expérimental d'Airbus Group Innovation, les chercheurs ont pu suspendre des particules de glace individuelles à l'aide d'un léviteur acoustique, puis observer et enregistrer leur fonte dans un environnement contrôlé. Ces expériences ont permis de comparer les temps de fonte théoriques et expérimentaux, fournissant ainsi des informations cruciales pour la validation des modèles.

Les résultats expérimentaux ont montré une excellente corrélation entre les temps de fonte théoriques et expérimentaux pour les particules de glace presque sphériques, ce qui a permis de valider les modèles de transfert de chaleur et de changement de phase. Cependant, pour les particules non sphériques, des écarts ont été observés, les modèles théoriques ayant tendance à surestimer les temps de fonte. Cette surévaluation est particulièrement marquée lorsque l'on suppose que les particules ont une sphéricité parfaite, comme l'indiquent les écarts observés dans plusieurs expérimentations.

Il est important de noter que la sphéricité des particules joue un rôle crucial dans la précision des modèles. En effet, la sphéricité des cristaux de glace étant difficile à mesurer avec précision, cela introduit une incertitude qui affecte directement les calculs du temps de fonte. Ainsi, une prise en compte correcte de la forme de la particule (en particulier de sa sphéricité) est nécessaire pour obtenir des résultats fiables, surtout lorsque l'on cherche à étudier l'impact des cristaux de glace sur des surfaces.

En parallèle de ces études de fonte, des modèles ont également été développés pour étudier l'impact des cristaux de glace sur les surfaces solides, tels que les avions. Bien que des travaux expérimentaux aient été menés pour comprendre les interactions entre les particules de glace et les surfaces solides ou films liquides, il reste des lacunes importantes dans la compréhension complète de ces phénomènes. Par exemple, les vitesses d'impact utilisées dans les expériences sont loin d'atteindre celles rencontrées dans des conditions réelles de vol, ce qui complique l'établissement de modèles représentatifs de ces conditions extrêmes.

Les modèles actuels pour évaluer l'efficacité de l'adhésion des particules de glace à une surface ont été affinés grâce à des expériences en laboratoire, mais plusieurs hypothèses simplificatrices restent nécessaires pour combler les manques dans les données expérimentales. La capacité des cristaux de glace à s'attacher ou non à une surface dépend de nombreux paramètres, y compris de la vitesse d'impact, de la température de la surface et des propriétés spécifiques du film liquide qui pourrait recouvrir la surface au moment de l'impact.

Il est essentiel de comprendre que l'ensemble de ces phénomènes, de la fonte à l'impact, est influencé par une multitude de facteurs environnementaux et physiques. Par exemple, l'humidité relative de l'air et la température des cristaux de glace sont des variables clés qui déterminent non seulement le temps de fonte, mais aussi la manière dont les cristaux interagiront avec d'autres surfaces ou matériaux. La modélisation précise de ces processus est indispensable, notamment dans des domaines tels que l'aéronautique, où l'accumulation de glace peut nuire à la performance des aéronefs.

L'impact de la cristallisation de la glace sur les moteurs à turbofan : simulation numérique et analyse

Dans cette méthode, le maillage de la surface affectée par la glace est d'abord créé puis remaillé en utilisant des éléments triangulaires pour mieux représenter les géométries complexes créées par la glace. Cette technique permet de rendre compte avec précision de l’évolution de la forme de la glace, notamment des zones où la glace s’accumule et celles où elle est moins présente, comme illustré dans les figures de l’étude. Un aspect essentiel de cette méthode est la capacité d’interpoler les variables influencées par la forme de la glace (comme la rugosité de surface) dans le maillage mis à jour avant chaque nouvelle simulation de flux. Ce processus de recalcul constant est indispensable pour la précision des prédictions, mais il devient aussi de plus en plus coûteux en termes de ressources informatiques au fur et à mesure des tirs de glace successifs. Par exemple, après 20 secondes d'accumulation de glace, le nombre d'éléments du maillage passe de 2,6 millions à 29 millions d'éléments, ce qui entraîne un coût computationnel accru.

Les performances globales, comme le rapport de pression total et le rapport de dérivation, sont affectées par l'accumulation de glace. Dans l'étude, le rapport de dérivation augmente de 8,175 à 8,346, indiquant une déviation partielle du flux du cœur vers le dérivateur, tandis que le rapport de pression entre l’entrée de l’IGV et la sortie du stator diminue légèrement. Ces changements sont généralement dus à la modification de la géométrie interne du moteur, ce qui crée un blocage supplémentaire dans le flux. L’analyse des performances après chaque étape de simulation permet d’ajuster les paramètres du moteur pour compenser ces effets négatifs.

Cependant, il est important de souligner que la simulation numérique de l’accrétion de glace dans les moteurs à turbofan reste un domaine en évolution, bien que les résultats obtenus soient déjà prometteurs. Le coût computationnel des simulations est encore un obstacle majeur à leur utilisation dans le développement industriel des moteurs. Néanmoins, ces simulations offrent une opportunité d'améliorer la compréhension des mécanismes d'accrétion de glace et de développer des modèles plus précis pour les conceptions futures.

En fin de compte, bien que la simulation d'accrétion de glace dans les turbomachines soit complexe et coûteuse, elle offre une avenue potentielle pour améliorer la conception et la performance des moteurs, notamment en prévenant les défaillances liées à l'accumulation de glace. L'évolution des techniques de simulation et des capacités de calcul permettra, avec le temps, de rendre ces simulations plus accessibles et efficaces pour les concepteurs de moteurs.

Comment la méthode ROM améliore l'analyse des problèmes de givrage en combinant CFD, EFD et FFD ?

L'une des approches clés dans cette méthodologie consiste à utiliser la validation croisée "leave-one-out" (LOOCV), qui permet d'estimer l'exactitude des solutions de ROM. Cette technique est particulièrement adaptée aux situations où les instantanés issus de simulations CFD, EFD et FFD sont de types mixtes, comme c'est souvent le cas pour les problèmes de givrage. En utilisant des techniques d'échantillonnage basées sur les réseaux de Voronoï (CVT), il est possible de distribuer ces instantanés de manière judicieuse dans l'espace des paramètres, en fonction d'une fonction de densité préétablie. Cette approche tire parti des connaissances a priori sur la physique du problème, afin de mieux échantillonner l'espace des conditions de vol et de givrage.

Le cadre ROM développé au McGill CFD Laboratory s'appuie sur un modèle non intrusif, intégrant des algorithmes d'apprentissage machine pour assurer une localisation précise des paramètres et un échantillonnage itératif basé sur les erreurs. Ces approches sont conçues pour être appliquées à des géométries variées, allant des profils aérodynamiques simples aux configurations d'avions et d'hélicoptères, et pour traiter des phénomènes physiques allant du flux d'air, de l'impact de gouttes de givre, à la croissance de la glace et son détachement. Les applications de ROM sont particulièrement nombreuses dans le domaine de l'optimisation des systèmes de protection contre le givrage (tels que les systèmes à air chaud et électrothermiques), ainsi que dans le suivi en temps réel des formes de glace accumulée sur les surfaces des aéronefs.

Dans le cadre de cette modélisation, il est possible de reconstruire des formes de glace critiques en fonction de divers paramètres de givrage (comme la température, la teneur en eau liquide, etc.). Ces informations sont cruciales pour l'identification des zones à risque et pour la conception de systèmes de protection plus efficaces. En outre, le ROM est particulièrement adapté pour les simulations en temps réel, utilisées dans des environnements de simulateurs de vol ou de bureau, où des calculs rapides et précis sont nécessaires pour garantir la sécurité des aéronefs.

L'une des caractéristiques principales du ROM réside dans sa capacité à offrir des solutions rapides et peu coûteuses par rapport aux méthodes expérimentales directes. Une fois que la base de données de solutions a été générée, il devient possible d’obtenir des résultats 3D à un coût inférieur à celui des simulations 2D traditionnelles. Cette agilité dans les calculs est rendue possible par la nature parallèle du processus, ce qui permet une gestion optimale des ressources de calcul.

Il est également important de noter que cette approche est totalement agnostique en termes de code, ce qui signifie qu'elle peut être appliquée indépendamment des plateformes de simulation utilisées. Elle est également portable, ce qui permet de l'appliquer à une large gamme de problèmes et de configurations, que ce soit pour des tests en laboratoire ou dans des simulations réelles.

Finalement, l'intégration des données CFD, EFD et FFD via le Gappy POD fournit une couverture complète des espaces de sécurité liés au givrage, réduisant ainsi le besoin de tests physiques coûteux et de zones instrumentées étendues. Cela fait de ROM une méthode particulièrement pertinente pour l'optimisation des performances et la sécurité des aéronefs dans des conditions de givrage, tout en restant compétitive en termes de coût et de temps de calcul.

Le Modèle Morphogénétique NRC et les Méthodes de Simulation de l'Accrétion de Glace

Au départ, les méthodes de simulation de l’accrétion de glace, comme les méthodes à base de particules, ont été développées pour des fins météorologiques. Les cristaux de neige et les grêlons, qui sont des formes d’accumulation de glace sèche et humide, respectivement, ont suscité un grand intérêt. Les particules de grésil (ou "pellets de neige") jouent un rôle crucial dans la formation des pluies, en permettant une accumulation rapide de masse à mesure que les cristaux de neige captent les gouttes d’eau sur-refroidies. Ces particules, ou gouttes de pluie congelées, peuvent se transformer en grêlons dans des nuages cumulus lorsque les courants ascendants les maintiennent en suspension tout en continuant leur croissance.

Les méthodes de simulation traditionnelles, appelées "méthodes continues", utilisent des équations de champ Eulerien telles que les équations de Navier-Stokes pour représenter les flux d'air, de liquide et d'aérosols comme des milieux continus. Cette approche fonctionne bien dans des situations où l’accrétion de glace est modeste et compacte, et où sa forme est principalement dictée par le substrat solide sur lequel elle se forme. Toutefois, même dans ces conditions relativement simples, les méthodes continues peuvent sous-estimer l’épaisseur de la glace, en particulier dans les cas où l’écoulement de l’eau non gelée est important.

Les méthodes à base de particules constituent une alternative naturelle aux méthodes continues, car elles prennent en compte la nature discrète du phénomène de givrage. En effet, l’air et l’eau liquide ne sont pas des milieux continus : ils sont composés de molécules individuelles et d’aérosols. Cependant, simuler chaque molécule ou goutte d'eau est bien au-delà des capacités de calcul des ordinateurs modernes. C’est pourquoi des modèles hybrides sont utilisés, où les particules d’accumulation sont représentées par des gouttes de nuages individuelles.

Les simulations réussies de cette agrégation balistique ont été étendues pour simuler la structure du givre, des plumes de givre, et même des grêlons géants. Ces avancées ont montré que les méthodes à base de particules peuvent non seulement simuler la microstructure, mais aussi la macrostructure des accumulations de glace, y compris les protubérances de toutes sortes. Un autre élément clé de la simulation des accumulations de glace est la densité de la glace, qui varie en fonction de l’inclusion d’air ou de liquide. Les densités des accumulations de glace peuvent aller de 200 à 920 kg/m³, avec des variations dues aux différences de températures et de vitesses d’impact des gouttes de nuages.

Le processus d’accrétion de glace est influencé par deux phénomènes physiques majeurs : la congélation et l’étalement des gouttes. Lorsque la température est relativement élevée, les gouttes s’accumulent de manière plus compacte, formant ainsi une structure dense. Plus la vitesse d'impact et la température de la surface sont élevées, plus l'étalement des gouttes est important, ce qui affecte la structure de l'accumulation de glace. Le paramètre de Macklin, qui dépend de la vitesse d'impact des gouttes, de leur diamètre et de la température de la surface, est utilisé pour modéliser cette densité d'accumulation.

Une fois qu'une goutte frappe la surface, elle commence un mouvement aléatoire sur la grille du modèle jusqu'à ce qu'elle gèle. Ce modèle simplifie les phénomènes complexes d'étalement, d'éclatement et de congélation des gouttes individuelles en supposant qu’un ensemble de gouttes remplisse une cellule de grille et se déplace d’une cellule vide à une autre jusqu’à ce qu’il gèle dans un emplacement approprié. Cela permet de simuler efficacement l’évolution de l’accumulation de glace sur des surfaces soumises à ces conditions.

Ces avancées dans la modélisation de l’accrétion de glace ont permis une meilleure compréhension des phénomènes de givrage, en particulier dans les conditions de vol. Elles ont également conduit à de nouveaux modèles et à des applications en météorologie, en génie des matériaux et dans d’autres domaines où la gestion de l’accrétion de glace joue un rôle crucial.