Comment le Méthode Hybride à Base de Grilles et de Particules Améliore les Simulations de Gel dans les Moteurs à Réaction

La simulation des phénomènes de gel sur les surfaces d'un aéronef reste un défi majeur en ingénierie aérospatiale, particulièrement en ce qui concerne la modélisation des flux turbulents et des interactions complexes entre les gouttes d'eau et les surfaces solides. L'un des objectifs principaux dans ce domaine est de se débarrasser de l'empirisme en introduisant des méthodes de simulation directe, telles que la simulation numérique directe (DNS), qui ne reposent sur aucun modèle ad hoc dans la prédiction des flux turbulents. La méthode hybride à base de grilles et de particules, une solution proposée par Toba et al. (2020), s'avère être une avancée majeure pour simuler le gel sur un profil d'aile NACA0012. Cette approche hybride combine la précision des méthodes basées sur les particules, telles que la simulation de particules mobiles (MPS) et la dynamique des particules lissées (SPH), avec l'efficacité des méthodes basées sur des grilles. Elle permet de reproduire directement les phénomènes de gel à l'aide des équations de gouvernance tout en contournant les limites de temps de calcul des méthodes purement particulaires.

Dans cette méthode hybride, lorsqu'une goutte d'eau approche suffisamment d'une surface solide, elle est remplacée par un ensemble de petites particules de calcul. Ce processus, illustré dans le schéma de la figure 40, consiste à traiter la goutte comme une masse ponctuelle avant son impact, puis à la transformer en un cluster de particules. Cette transformation permet une simulation précise de l'impact et de la formation de la couche de glace. Ce traitement a pour effet d'améliorer la rapidité des simulations tout en maintenant une haute précision dans la reproduction des événements d'impact.

L'une des améliorations majeures apportées par cette méthode est l'adoption de l'E-MPS, une version améliorée de la méthode MPS initialement proposée par Koshizuka (1995). Cette version permet de résoudre l'équation de Poisson de pression de manière explicite, ce qui réduit considérablement le temps de calcul tout en maintenant la précision de la simulation. Les équations de Navier-Stokes et de continuité sont utilisées pour décrire le comportement des fluides, avec des termes supplémentaires pour modéliser la tension de surface et les forces externes telles que la gravité.

Lors du calcul du transfert de chaleur entre les particules, l’équation utilisée pour la conduction thermique repose sur un traitement minutieux des interfaces entre les différentes phases. Ce traitement est essentiel, car la température de l'interface entre les particules joue un rôle déterminant dans le passage de l'état liquide à l'état solide. Le modèle de changement de phase utilise la chaleur latente de fusion pour simuler le passage de l'eau à la glace, et permet de capturer les comportements d'accrétion caractéristiques des phénomènes de gel observés en conditions réelles.

Le modèle de simulation a été validé à travers une série de tests, bien que la validation directe reste difficile en raison du manque de données publiées sur des phénomènes tels que les plumes de glace, les vides d'air et la rugosité de surface. Les résultats de validation ont montré que la méthode hybride pouvait reproduire de manière satisfaisante les dimensions de la couche de glace formée sur une plaque plane, ainsi que la dynamique d'impact des gouttes, en particulier lorsqu'elles entrent en contact avec une couche d'eau. En outre, une comparaison avec les résultats obtenus avec le code basé sur la grille TUSICE a permis de démontrer que l’erreur de prédiction de l’épaisseur moyenne de glace était comparable à celle observée avec des codes de simulation plus anciens, avec une précision de l’ordre de 15%.

Cette méthode hybride ouvre de nouvelles perspectives pour la simulation des phénomènes de gel dans des moteurs à réaction, où la précision et l'efficacité sont cruciales. L'intégration d'un modèle de particules dans un cadre de simulation basé sur des grilles permet non seulement de simuler des phénomènes complexes de manière plus réaliste, mais aussi de réduire le temps de calcul nécessaire pour obtenir des résultats fiables. Cependant, cette méthode, bien qu’efficace, n’échappe pas aux défis liés à la modélisation précise des interactions multi-physiques, qui nécessitent encore des ajustements et des validations supplémentaires dans des conditions variées et complexes.

Quel impact les fréquences d'oscillation ont-elles sur la formation de la glace sur un profil aérodynamique ?

Les tests ont permis de modéliser les mouvements de la pale comme étant très lents et oscillants, simplifiés en fonctions sinusoïdales dans la simulation numérique. Cela a donné naissance à un modèle de simulation basé sur une analyse de type "couplage lâche", où les données aérodynamiques sont extraites des résultats obtenus via des calculs de CFD (Computational Fluid Dynamics). Ces résultats sont ensuite utilisés pour l'analyse du givre par le programme LEWICE3D, ce qui permet d'évaluer la forme de la glace pour des positions azimutales spécifiques pendant la phase d'embrayage de la glace. L'approche de couplage lâche utilisée pour l'analyse de l'encrassement des pales de rotor a été comparée aux simulations réalisées avec le programme IACM (2011) de Bain et al., qui, eux, se basaient sur des intervalles azimutaux définis par l'utilisateur.

L'importance de l'analyse des mouvements oscillants dans ces simulations est évidente. En ajustant les conditions aérodynamiques selon les positions azimutales pendant la formation de la glace, le processus permet d’affiner les prévisions des performances des rotors sous conditions d'encrassement. Cela met en lumière l'importance de la prise en compte des mouvements d'oscillation des pales dans les modèles de simulation de l'encrassement par glace. Toutefois, il reste que l'approximation du flux 2D pour les conditions de givrage d’un rotor, bien qu'utile, limite la précision pour certains cas de validation.

En parallèle, les simulations de vol en stationnaire réalisées dans le cadre du Helicopter Icing Flight Test (HIFT) ont permis de valider le modèle de simulation pour des conditions de givrage en vol stationnaire avec des résultats plutôt satisfaisants en termes de comparaison entre les formes de glace mesurées et prédites. Cependant, ces simulations doivent être étendues aux cas de vol en avant, où la dynamique du rotor devient encore plus complexe et les effets du givrage sont encore plus marqués en raison des changements dans la vitesse de l'air et des variations de la position azimutale des pales.

Il est essentiel de noter que l'approche quasi-statique utilisée dans la simulation de l'encrassement par glace du rotor n’est pas sans limitations. Cette approche repose sur l’hypothèse que le mouvement des pales peut être approximé par une oscillation lente, ce qui peut ne pas rendre compte de la complexité réelle des mouvements des pales en conditions de givrage dynamique. De plus, le processus de couplage lâche qui sépare les calculs aérodynamiques et l’analyse du givrage reste sujet à des erreurs dans les prédictions des formes de glace à certaines conditions. Les simulations montrent des résultats intéressants mais sont susceptibles d’être plus précises si elles intègrent directement les effets de la dynamique tridimensionnelle et des mouvements instationnaires, en particulier pour les grandes vitesses ou les angles d’attaque extrêmes.

La modélisation numérique de l’encrassement par glace des rotors reste un domaine complexe et en constante évolution. Les progrès dans les simulations 3D et les techniques de couplage plus sophistiquées permettront de mieux prédire les effets du givrage sur les performances des rotorcrafts dans des conditions de vol variées. Toutefois, la validation et l’adaptation de ces modèles à différents types de givrage et à des configurations de rotor plus complexes resteront un défi majeur dans la recherche aérospatiale.

L'impact de la formation de glace sur les performances aérodynamiques des UAV : Une analyse des géométries de glace et des prédictions de dégradation des performances

Dans des conditions de glace mixte, on observe un passage du comportement de la glace cristalline vers celui de la glace lisse avec l'augmentation de la vitesse. Cette phase de transition engendre des caractéristiques particulières de glace sous forme de cornes, associées à une dégradation très importante des performances aérodynamiques. La variation de la longueur de corde présente des effets similaires à toutes les conditions de givrage. Une réduction de la longueur de la corde entraîne une diminution de la masse totale de glace mais une augmentation de la superficie relative de la glace, de son épaisseur relative et des limites d'accumulation de glace, ce qui se traduit par des pénalités de performance aérodynamique considérablement plus élevées.

Les résultats de cette étude soulignent le besoin continu de recherches supplémentaires sur les effets du givrage sur les UAV, en particulier à faible nombre de Reynolds. Cela est d’autant plus important car les UAV, en raison de leur taille réduite et de leur faible vitesse de vol, sont particulièrement vulnérables aux conditions de givrage qui affectent leur capacité à maintenir des performances aérodynamiques optimales.

En termes de prédiction des formes de glace, l'exactitude et la validité des résultats des simulations sont des défis majeurs dans les études utilisant des méthodes numériques. Par exemple, des formes de glace expérimentales ont été obtenues lors de tests en soufflerie à l’Institut de Recherche Technique de Finlande (VTT) au cours de l’automne 2019. Deux conditions de givrage ont été choisies pour représenter des régimes de formation de glace différents : la rime et le verglace. Les conditions expérimentales clés ont été utilisées pour simuler la formation de glace et en comparer les résultats avec ceux des tests expérimentaux. Les simulations numériques ont été réalisées à l’aide du code FENSAP-ICE, qui a permis de prédire les formes de glace sur des ailes d’UAV dans des conditions de givrage contrôlées.

Il convient de noter que cette validation des modèles de simulation est encore limitée, car elle repose sur seulement deux cas expérimentaux sélectionnés, et plusieurs sources d’erreur n’ont pas été étudiées en détail, telles que l’hypothèse de densité de glace constante et la distribution monodisperse des gouttelettes. Pour renforcer la validité des prédictions futures, des cas expérimentaux supplémentaires et des évaluations quantitatives plus approfondies sont nécessaires.

Au-delà de la précision des simulations des formes de glace, il est essentiel de pouvoir prédire l’impact de l’accumulation de glace sur la dégradation des performances aérodynamiques. Dans le cadre de cette étude, des tests en soufflerie ont été réalisés pour examiner la relation entre les formes de glace et les pénalités aérodynamiques associées à la dégradation des performances. Ces tests ont montré que la compréhension des effets du givrage sur les UAV est cruciale pour le développement de modèles permettant de prédire et de minimiser la perte de performance en vol.

Il est également important de souligner que les effets du givrage sur les UAV ne sont pas seulement liés à la formation de glace sur les surfaces des ailes, mais aussi à la dynamique globale de l’aéronef, y compris son comportement de vol et ses capacités de manœuvre. Les chercheurs et ingénieurs doivent donc non seulement se concentrer sur les aspects thermiques et aérodynamiques du givrage, mais aussi intégrer ces données dans un cadre global de conception et de gestion des performances des UAV.

Comment les gouttes d'eau se déforment-elles dans un flux aérodynamique et quel est l'impact du refroidissement sur leur comportement ?

L'étude du temps critique $t_c$, nécessaire pour atteindre le facteur de déformation maximal $L_{\text{max}}$, révèle des insights importants sur la dynamique des gouttes d’eau dans un flux aérodynamique. Le comportement de $t_c$ en fonction du nombre de Weber (We) a été étudié pour divers régimes de transition. Il est constaté que $t_c$ augmente proportionnellement à $We$. Cela s’explique par le fait qu’à des valeurs plus élevées de $We$, la goutte subit une déformation plus prononcée, ce qui nécessite plus de temps non dimensionnel pour atteindre son diamètre maximal transversal.

La déformation des gouttes est également étudiée à travers la distribution de la vitesse et de la pression dans le flux. Lorsqu'une goutte est soumise à un régime de vibration, une stagnation du flux apparaît sur le côté au vent, générant des vortex symétriques derrière la goutte. La pression élevée au vent et la pression plus faible dans la zone aval provoquent une déformation dans la direction du flux. Lorsque la vitesse du flux devient plus élevée, cette déformation s'intensifie. Toutefois, dans ce régime, la force de tension superficielle de la goutte peut équilibrer les forces aérodynamiques et visqueuses, maintenant ainsi une forme sphérique durant le processus d'accélération.

Dans un régime de transition, l’effet de la force aérodynamique devient plus marqué, créant une région de basse pression en aval et allongeant la goutte dans la direction transverse. Cette forme allongée persiste jusqu’à ce que la goutte retrouve une forme sphérique grâce à la force de surface, avant de devenir une ellipsoïde au fur et à mesure de son déformation. Le régime de rupture, quant à lui, se distingue par l’apparition d’une turbulence accrue dans la région aval. La goutte devient de plus en plus aplatie et étirée dans la direction transverse à mesure que la recirculation se renforce.

Il est également important de noter que la viscosité accrue des gouttes sur-refroidies permet à la goutte de résister plus efficacement aux forces aérodynamiques. Cependant, à mesure que la vitesse du flux augmente, même les gouttes sur-refroidies peuvent subir une déformation notable avant de se fragmenter. La capacité de surface de tension à contrer la déformation est ainsi limitée, mais sa résistance est toujours significative dans des régimes à faible nombre de Weber.

Dans l’analyse des mécanismes de déformation et de rupture, la répartition des vitesses et des pressions autour de la goutte dans un flux est cruciale. Ces facteurs dictent la nature de la déformation observée et aident à prédire le comportement de la goutte dans divers environnements aérodynamiques. Ces dynamiques sont essentielles dans des contextes tels que les problèmes de givrage, où la résistance de la goutte à la déformation, sous diverses conditions de température, affecte la formation de glace sur les surfaces des avions.

L'interaction entre la surface de la goutte et l'environnement fluide, que ce soit dans un état de vibration, de transition ou de rupture, joue un rôle clé dans la détermination des limites de déformation de la goutte avant la rupture complète. La connaissance de ces mécanismes permet de mieux comprendre les effets du refroidissement et de l'accélération des gouttes d'eau dans un flux aérodynamique, en particulier dans des scénarios industriels ou scientifiques où ces phénomènes peuvent avoir des conséquences significatives, telles que le givrage des aéronefs ou la dispersion des gouttes dans des systèmes de pulvérisation.

Comment la simulation numérique des tubes Piccolo pour les systèmes de protection contre le givre améliore l'efficacité des avions en conditions de givrage

Les systèmes de protection contre le givre en vol sont essentiels pour garantir la sécurité des aéronefs lorsqu'ils évoluent dans des conditions climatiques difficiles. Parmi les différentes méthodes utilisées, la technique de protection par air chaud, plus particulièrement les tubes piccolo, reste une des solutions les plus traditionnelles et économiquement efficaces. Ce procédé repose sur un dispositif de distribution d'air chaud via des tubes perforés, qui permet de maintenir la surface aérodynamique de l'aéronef à une température suffisante pour empêcher la formation de givre. Le principe de base consiste à réchauffer l'intérieur des surfaces touchées par un ensemble de jets d'air chauds générés par ces tubes. Les performances de ces systèmes sont largement influencées par la conception et la distribution de l'air à travers les perforations du tube.

La recherche dans ce domaine a fait l'objet de nombreuses études théoriques, expérimentales et numériques, visant à optimiser le rendement de ces dispositifs. L'un des défis majeurs reste la modélisation du flux interne compressible d'air à travers le tube piccolo, qui peut s'avérer complexe en raison des effets thermodynamiques, de la viscosité de l'air et des pertes dues aux frottements. Cependant, une approche numériquement efficace pour résoudre ce problème est d'utiliser un modèle à faible coût, capable de simuler de manière précise le comportement du flux sans nécessiter des ressources informatiques excessives.

Les avantages de cette méthode sont multiples. D'abord, elle permet d'obtenir une estimation rapide et fiable des performances de plusieurs configurations de tubes piccolo avant de procéder à des tests en laboratoire ou à des validations sur le terrain. De plus, cette approche permet d'éviter les coûts élevés liés à la modélisation complexe ou à l'utilisation de logiciels de simulation très gourmands en ressources. En combinant les données expérimentales avec des simulations numériques, il est possible d'optimiser la conception des systèmes de protection contre le givre tout en réduisant les coûts associés à leur développement.

Il est important de noter que la qualité des résultats obtenus dépend fortement des conditions aux frontières fournies par l'utilisateur, telles que la température statique et la pression de l'air autour du tube piccolo, ainsi que le débit de masse à l'entrée du tube. Le coefficient de transfert de chaleur par convection sur la surface externe du piccolo, ainsi que la hauteur de rugosité apparente du tube, sont également des paramètres essentiels qui influencent la précision du modèle.

Les études de cas et les comparaisons avec des résultats expérimentaux permettent de valider l'efficacité de cette approche numérique. Par exemple, une étude réalisée par NASA a permis d'analyser le comportement des coefficients de flux dans des chambres de turbines refroidies par film, fournissant des corrélations précieuses pour ajuster les modèles numériques à la réalité du terrain. Ces travaux ont montré que l'usage de telles corrélations empiriques permet de réduire les efforts computationnels tout en maintenant une fidélité satisfaisante des simulations.

Il est également crucial de comprendre que, bien que cette méthode soit extrêmement efficace pour prédire la distribution du flux d'air à travers le piccolo, elle ne remplace pas entièrement les tests expérimentaux, qui restent indispensables pour valider les modèles et s'assurer de leur pertinence dans des situations réelles. En effet, les effets non linéaires, comme la turbulence ou les variations de pression dynamique dues à la géométrie de l'aéronef, peuvent influencer la performance des systèmes de protection contre le givre, et ces phénomènes peuvent parfois ne pas être totalement capturés par des modèles numériques simplifiés.

Dans ce contexte, l'un des principaux défis reste l'optimisation du design des tubes piccolo pour garantir une répartition homogène de l'air chaud, ce qui est crucial pour éviter tout gel localisé. De plus, la recherche continue dans ce domaine permet d'améliorer encore les méthodes de modélisation numérique, en intégrant de nouvelles données expérimentales et en raffinant les équations utilisées pour simuler le comportement du flux dans ces systèmes.

L'évolution des technologies de simulation numérique et la collecte de données expérimentales toujours plus précises permettent d'envisager des solutions de plus en plus efficaces pour la protection des aéronefs contre le givre, réduisant ainsi les risques en vol tout en contribuant à l'efficacité énergétique des avions. En fin de compte, ces efforts de recherche et développement jouent un rôle clé dans la sécurité aérienne et dans la réduction des coûts opérationnels des compagnies aériennes.