L'étude des systèmes anti-givre électrothermiques pour les moteurs d'hélicoptères a beaucoup évolué ces dernières années grâce aux avancées dans les simulations numériques. L'une des applications les plus prometteuses réside dans l'utilisation de modèles de simulation pour prévoir l'accumulation de glace sur les surfaces exposées, en particulier autour de l'entrée d'air du moteur. L'utilisation de ces modèles permet non seulement de simuler les conditions de givrage mais aussi d’évaluer l’efficacité des systèmes de dé-icing (dégivrage) en conditions réelles de vol.

L’une des principales difficultés dans ce type de simulation est de modéliser de manière précise l’effet de l’espace de blocage entre le modèle testé et la paroi du tunnel de vent, un facteur qui peut perturber les résultats si négligé. Une étude menée sur un modèle en particulier, dont les résultats sont illustrés par des images expérimentales comparées à des résultats de simulations numériques, a révélé des correspondances significatives concernant la forme et l’étendue de l’accumulation de glace dans des conditions intermédiaires de givrage. Cette étude a notamment montré que les simulations à vitesse de 65 m/s (126 nœuds) et température ambiante de 263 K (14°F) produisent des formes de glace intermédiaires, caractéristiques entre le givre (rime) et la glace de type « glaze ».

Les résultats expérimentaux ont mis en évidence deux pics dans l’accumulation de glace à l'intérieur de l'entrée d’air du moteur, avec une région de fine accumulation plate entre ces pics. Cette caractéristique particulière de formation de glace a été capturée avec précision par la simulation numérique, ce qui témoigne de l'efficacité des outils de modélisation pour prédire les formes spécifiques d’accumulation de glace, cruciales pour la conception des systèmes de protection contre le givrage.

Il est également intéressant de noter la différence entre la formation de glace dans des conditions de givrage de type rime, où l’accumulation est plus uniforme, et la formation de glace dans des conditions intermédiaires, où l’accumulation se concentre plus spécifiquement sur les parties supérieures de l’entrée d’air. Cette distinction est particulièrement importante pour la conception de systèmes anti-givre, car elle permet de cibler avec plus de précision les zones à protéger.

Dans une étude comparative entre les modes de chaleur « heat-off » et « heat-on », il a été observé que lorsque la chaleur était activée, l’accumulation de glace sur les surfaces protégées devenait négligeable, confirmant ainsi l’efficacité de la technologie électrothermique dans des conditions réelles de vol. En revanche, dans le mode « heat-off », des pics de glace étaient encore présents, ce qui souligne l'importance de la gestion thermique dans la prévention de l’accumulation de glace.

Lors de la transformation des données sur l'épaisseur de la glace en modèles de formes de glace, deux approches sont possibles : un modèle basé sur les coordonnées, qui nécessite l’utilisation de plusieurs modèles pour les différentes dimensions spatiales, et un modèle basé sur l'épaisseur de la glace, qui simplifie les calculs en utilisant des valeurs scalaires pour chaque nœud. Ce dernier modèle est particulièrement utile dans le cadre de simulations complexes, car il réduit le nombre d’éléments à traiter tout en maintenant une précision suffisante.

En appliquant ce modèle à un airfoil NACA 0012, utilisé comme référence pour valider l’épaisseur de la glace, il a été possible d’observer des correspondances claires entre les résultats expérimentaux et les prévisions de simulation, notamment en ce qui concerne l’épaisseur de la glace dans des enveloppes de givrage maximales.

Les résultats de ces recherches montrent que la simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) associée à des modèles de métamodélisation permet d’obtenir une première évaluation de l’étendue et de la forme de l’accumulation de glace sur les entrées d’air des moteurs d’hélicoptères. Cependant, bien que ces simulations fournissent des informations précieuses pour la conception des systèmes de protection contre le givrage, il reste essentiel de compléter ces données par des tests en conditions réelles. La combinaison de modèles numériques et d’essais expérimentaux permet de garantir l’efficacité des systèmes anti-givre dans les environnements de vol les plus extrêmes.

L’importance d’une telle approche réside également dans la possibilité d'adapter les systèmes de protection aux spécificités des conditions de vol rencontrées. Ainsi, les simulations numériques ne se contentent pas d’offrir une première estimation de la formation de glace, mais permettent aussi d’optimiser la conception des protections en fonction des caractéristiques du vol, telles que la vitesse, la température et l’humidité ambiantes.

L'impact de gouttes superrefroidies sur des surfaces solides froides : étude numérique et analyse des processus de congélation

Les phénomènes d'impact et de congélation des gouttes superrefroidies sur des surfaces solides froides ont été modélisés à l'aide de simulations numériques avancées. L'une des premières étapes dans l'analyse de ce processus consiste à observer l'impact d'une goutte immobile sur une surface froide. Lorsqu'une goutte gèle sur une plaque froide, deux phases distinctes sont identifiées, chacune jouant un rôle crucial dans l'évolution du phénomène. Lors de la première phase, les forces d'inertie et la tension de surface dominent, entraînant une interaction initiale entre la goutte et la surface qui se caractérise par une faible conduction thermique. Après l'impact, une goutte immobile, dont le diamètre de base est de 3,56 mm et la hauteur de 1,58 mm, est utilisée pour simuler le processus de solidification.

Les simulations montrent que la chaleur n'est transmise de manière significative qu'à proximité de la plaque froide. Pendant la phase de congélation, l'évolution du front de glace est suivie et comparée aux résultats expérimentaux. En effet, les différences dans la vitesse d'impact et les caractéristiques thermiques des matériaux affectent considérablement le processus de solidification. Lors d'un impact à une vitesse faible de 0,44 m/s, les résultats des simulations montrent que la température de la goutte reste relativement stable avant d'atteindre un point de fusion où le gel commence à se propager.

Les simulations à des vitesses plus élevées (100 m/s) révèlent une dynamique de déformation plus complexe et une propagation plus rapide du gel, en grande partie à cause des effets de nucléation et de la propagation des dendrites. En particulier, la vitesse d'impact influe de manière significative sur la formation d'une couche de glace, avec des différences notables dans l'épaisseur de la glace à différents endroits du domaine de simulation. Une analyse plus approfondie a montré que l'impact à grande vitesse génère une multitude de gouttelettes secondaires qui se dispersent après l'impact initial, un phénomène observé principalement à des vitesses d'impact de 100 m/s.

Les particules secondaires, créées lors de l'impact, entraînent une distribution plus homogène des particules de glace, contrairement aux impacts plus lents où la glace se forme plus autour des bords de la goutte. Cette différence est illustrée par des profils de distribution des particules de glace, où les zones périphériques se solidifient plus rapidement dans les cas de faible vitesse. En revanche, lors de l'impact à haute vitesse, l'alignement linéaire des particules de glace est maintenu jusqu'à ce que les gouttelettes secondaires se déplacent plus loin, créant un profil de glace moins uniforme.

Les simulations permettent également d'explorer l'effet de l'épaisseur de la pellicule d'eau sur la forme du couronnement des gouttes d'eau. Différents épaisseurs ont montré que lorsque l'épaisseur de la pellicule d'eau diminue, le diamètre du couronnement augmente et la base du couronnement devient plus plate, ce qui suggère un comportement modifié en fonction des caractéristiques du film d'eau. Ces résultats sont pertinents pour les applications aéronautiques, où l'adhésion des gouttes d'eau aux surfaces des ailes pourrait varier en fonction des conditions environnementales et de la vitesse du vol.

L'impact de ces phénomènes sur les surfaces superhydrophobes reste un domaine d'étude en pleine expansion. Sur de telles surfaces, la congélation se produit de manière différente, car les propriétés de la surface influencent la dynamique de l'impact et la formation de la glace. Ces études permettront, à terme, de concevoir des matériaux plus performants pour prévenir la formation de glace sur les structures aéronautiques.

Il est essentiel de noter que les modèles actuels, bien que précis, ont encore des limites. En particulier, la simulation des effets thermiques et de la dynamique des gouttes à haute vitesse pourrait être améliorée par l'introduction de résolutions adaptatives des particules et de techniques permettant de gérer de plus grands pas de temps. Cette approche permettrait d'augmenter la précision des simulations, notamment lors de l'analyse des effets secondaires des impacts à grande vitesse.

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