Quelle est l'efficacité du collage des cristaux de glace dans les conditions d'adhésion en vol ?

Les cristaux de glace représentent un phénomène complexe dans l'analyse de l'impact de la glace et de l'eau sur les surfaces aéronautiques, en particulier dans des environnements subglaciaires ou sous des températures de congélation. L'étude de l'efficacité de leur adhésion aux surfaces nécessite une compréhension approfondie de la dynamique des impacts, notamment l’interaction entre la glace et l’eau en suspension dans l’atmosphère. Les conditions dans lesquelles ces interactions se produisent peuvent influencer de manière significative l'adhérence et la formation de glace, affectant ainsi la performance des aéronefs.

Les modèles utilisés pour estimer l'efficacité de l'adhésion, notamment dans le cadre du projet HAIC, suggèrent que cette efficacité, notée $\epsilon_s$, varie en fonction de la température et du type d'eau présente (gouttelettes superrefroidies ou eau fondue des cristaux de glace). En effet, ces modèles prévoient une relation directe entre le taux de fusion des cristaux de glace et l'efficacité de l'adhésion. Par exemple, dans un environnement où l'eau liquide est présente à une température au-dessus du point de congélation, l'efficacité de l'adhésion augmente proportionnellement à la quantité d'eau fondue des cristaux de glace. Cette efficacité peut être formulée par des expressions polynomiales qui relient les paramètres physiques, comme le rapport de fusion des cristaux de glace ($\eta_m$), à l'efficacité de l'adhésion.

En outre, une modélisation plus détaillée de l'adhésion des cristaux de glace intègre l'impact de la vitesse d'impact, de l'angle d'impact et de la température de surface. Ces facteurs influencent la manière dont la glace interagit avec les surfaces des aéronefs, notamment en termes de fragmentation des cristaux de glace lors de l'impact. La fragmentation peut, en effet, résulter de la déformation plastique des cristaux dans la zone de contact, suivie de la propagation de fissures. Cela est particulièrement pertinent dans les conditions où la vitesse d'impact des cristaux de glace est élevée.

Les expériences menées dans le cadre de projets comme le projet MUSIC-haic ont permis de proposer des modèles alternatifs prenant en compte des mécanismes différents de fragmentation, principalement liés à la déformation plastique des cristaux de glace. Ce type de modèle offre une approche plus nuancée pour comprendre l’interaction entre les cristaux de glace et les surfaces froides des aéronefs.

Les modèles de simulation numérique ont montré que l'efficacité de l'adhésion dépend fortement de la présence d'un film d'eau liquide sur la surface de l’aéronef. Cette couche de liquide, qu'elle provienne des gouttelettes superrefroidies ou des cristaux de glace fondus, détermine en grande partie la manière dont les cristaux vont se déposer et se maintenir en place. L’adhésion optimale se produit lorsque la proportion d'eau liquide est suffisante pour permettre aux cristaux de glace de s'accoler à la surface, sans être érodée par les particules entrantes.

Il est essentiel de souligner que, dans des conditions de vol réelles, la variation du rapport de liquide à eau totale (LWR) a un impact direct sur la dynamique d’adhésion des cristaux de glace. Cette quantité est souvent déterminée par le mélange de cristaux de glace fondus et de gouttelettes d'eau superrefroidie, ce qui complique la modélisation précise des conditions réelles de vol. Cependant, des avancées récentes dans les modèles de simulation numérique ont permis de proposer des approches plus réalistes, notamment par l’introduction de paramètres expérimentaux mesurés dans des configurations réelles.

Quelle est l'influence des paramètres dimensionnels et géométriques sur la performance des actionneurs à jet synthétique dans les régimes d'écoulement ?

Les jets synthétiques (SJA) ont démontré leur efficacité dans le contrôle des écoulements turbulents et la modification de la dynamique de la couche limite d'un profil aérodynamique. Lors de l’étude des conditions d’écoulement compressible, Seifert et Pack (1999) ont proposé une fréquence d'activation optimale, exprimée par le nombre non dimensionnel $F^+ = \frac{f_a x_{te}}{u_1}$, qui devrait être de l'ordre de $O(1)$, où $f_a$ représente la fréquence d'activation en Hz et $x_{te}$ la distance de l’actionneur au bord de fuite de l’aile. Cela signifie que l'activation doit être suffisamment fréquente pour interagir efficacement avec l'écoulement, tout en restant dans une plage où l'effet est significatif sans provoquer des effets indésirables liés à la compressibilité du flux.

Pour mieux comprendre l'impact de ces paramètres, prenons l'exemple d'une simulation de l'écoulement autour d'un profil d’aile SD7003, avec des conditions typiques d’un aéronef miniature (MAV) et une vitesse libre $u_1 = 30 \, \text{m/s}$, et une corde d’aile $c = 0,2 \, \text{m}$. Les simulations ont été réalisées avec une fréquence d'activation $f_a = 300 \, \text{Hz}$, correspondant à une fréquence angulaire non dimensionnelle $\omega_a = 12,6$. Un paramètre intéressant est que pour une distance $x_{te} = 0,7c$, $F^+$ estimé se rapproche de 1,4, tandis que pour $\omega_a = 9$, correspondant à la fréquence de détachement de von Karman, $F^+$ vaut environ 1.

Dans le cadre des simulations numériques basées sur l’écoulement incompressible, on observe que l’influence du SJA sur la dynamique de la couche limite varie selon les régimes de turbulence. Lorsque $Re_c$ est élevé, ce qui correspond à un écoulement turbulent à grande échelle, l’activation du SJA a un effet limité sur l'amplitude des oscillations. Cependant, elle permet une récupération plus rapide du profil d’aile après une perturbation, comme une rafale de vent ou une instabilité de l’écoulement.

Les simulations révèlent également que l’application d’un SJA modifie la structure du jet comparativement aux jets classiques, en particulier lorsque le jet est interagi avec un flux turbulent. Cela peut entraîner des changements dans la distribution de la vorticité et des fluctuations de la portance, du traînée et du moment au quart de corde de l’aile. En particulier, lorsque des perturbations violentes comme des rafales de vent frappent l’aile, le jet produit par le SJA peut réduire l'instabilité du flux séparé et améliorer la récupération des performances aérodynamiques de l’aile.

Un aspect souvent sous-estimé est la façon dont l'activation du SJA influence la phase de détachement de la couche limite. Dans le cas où l’activation est appliquée à un flux massivement séparé, les réponses aérodynamiques peuvent demeurer relativement inchangées en termes d'amplitude. Cependant, la structure de la couche limite devient plus régulière, et le processus de détachement se stabilise, réduisant les risques de pertes de portance importantes.

Enfin, l’impact de l’activation de SJA sur les réponses aérodynamiques observées au niveau du profil d’aile varie en fonction de la nature du flux. Par exemple, dans les régimes où le flux est soumis à des perturbations externes, telles que les rafales, l’aile équipée d’un SJA montre une récupération plus rapide des oscillations de portance. Il est donc crucial de comprendre que le SJA ne modifie pas seulement l’amplitude des réponses aérodynamiques, mais peut également jouer un rôle déterminant dans la régularisation de l’écoulement et l’amélioration de la stabilité dynamique de la structure aérodynamique.