Dans le cadre de l'étude de l'impact de l'accumulation de glace sur la performance des profils aérodynamiques, plusieurs paramètres doivent être soigneusement analysés pour obtenir des résultats fiables. La simulation numérique, notamment avec l'outil SU2-ICE, se révèle être un moyen efficace pour explorer et quantifier l'effet de la glace sur les surfaces d'aviation, notamment pour les tests basés sur les cas expérimentaux tels que ceux proposés par la NASA.

L'un des premiers défis de cette simulation réside dans les conditions initiales, telles que la température du flux libre, la pression, et la vitesse de l'air. Par exemple, dans le cas NASA36, les conditions diffèrent de celles de NASA31, affectant ainsi la température du flux libre, la pression du flux, la vitesse de l'air, et d'autres paramètres comme la teneur en eau liquide. Une approche rigoureuse permet de résoudre le flux autour du profil aérodynamique rugueux sans accrétion initiale. L'usage du solveur RANS compressible de SU2 avec le modèle de turbulence SA et le modèle de correction 2PP permet d'étudier les effets de ces différents paramètres de manière détaillée.

Pour la simulation de l'accumulation de glace, le domaine de calcul comprend uniquement la surface du profil aérodynamique, définie comme une paroi sans glissement. La précision des calculs dépend fortement de la qualité de la maillage utilisé. Par exemple, un maillage C comportant 229 376 cellules a été choisi pour les simulations du test de glace en utilisant une géométrie NACA0012. Un élément clé dans cette approche est la gestion des flux convectifs, qui sont discrétisés à l'aide du schéma JST, une méthode avancée pour garantir la précision des gradients.

Une partie essentielle des simulations concerne l'efficacité de la collecte des gouttes d'eau. Dans les travaux de Özgen et Canibek (2008), l'efficacité de collecte est utilisée pour différentes vitesses de flux libre et tailles moyennes des gouttes, ce qui influence directement l'accumulation de glace. L'efficacité de collecte est représentée graphiquement en fonction de la coordonnée curviligne, normalisée par la longueur de la corde, permettant ainsi de mieux comprendre la relation entre la vitesse du flux et la formation de glace.

L'étude de la convergence du maillage est également primordiale pour garantir la fiabilité des résultats. Les maillages grossiers, moyens et fins, correspondant respectivement à 225-65, 449-129 et 897-257 configurations, ont été utilisés pour vérifier la stabilité des résultats obtenus. La méthode de convergence du maillage suit les recommandations de Celik et al. (2008), ce qui permet de calculer un indice de convergence (GCI) et de déterminer l'ordre de convergence des résultats. Dans le cadre des simulations de glace, des variations de l'épaisseur d'accumulation et de la section transversale de l'accumulation sont observées en fonction de la finesse du maillage, confirmant ainsi que l'utilisation d'un maillage fin améliore significativement la précision des simulations.

Pour la validation du solveur SU2-ICE, le cas NASA31 a été utilisé. Les résultats numériques ont montré une bonne concordance avec les prédictions expérimentales de la NASA et de Lavoie et al. (2018). Les courbes obtenues montrent que, même en l'absence de données précises sur le coefficient de friction de peau, les simulations fournissent des résultats fiables concernant la direction du film de runback et la formation de glace sur la surface du profil. De plus, la vérification du modèle de transfert de chaleur a permis de réduire l'incertitude liée à ce paramètre.

L'irregularité de l'accumulation de glace est un phénomène observé principalement près du bord d'attaque, là où la forme du profil influe sur la distribution de la glace. Ces irrégularités se manifestent par des variations abruptes d'épaisseur, un phénomène particulièrement visible dans les sections transversales simulées. Comparé aux données expérimentales, le modèle SU2-ICE permet de prédire avec précision la forme de l'accumulation de glace à la fin de l'exposition. Toutefois, il est important de souligner que de telles irrégularités peuvent affecter la performance aérodynamique de l'aéronef en altérant les caractéristiques du flux autour du profil.

En conclusion, l'application de simulations numériques pour étudier l'accumulation de glace sur les profils aérodynamiques représente un outil puissant pour anticiper et améliorer la conception des surfaces d'aviation. Cependant, il est crucial de comprendre que des facteurs tels que la qualité du maillage, la modélisation de la turbulence, et la gestion des conditions de transfert thermique sont déterminants pour la précision des résultats. Ces simulations permettent non seulement de prédire l'accumulation de glace, mais aussi d'optimiser la conception des dispositifs de dégivrage et d'anticiper les impacts de ces accumulations sur la performance des aéronefs dans des conditions extrêmes.

L'impact de la croissance et de l'éjection de la glace sur les performances des rotors de ventilateur d'un moteur à réaction

L'accumulation de glace sur les pales des rotors est un phénomène bien documenté dans les moteurs à réaction, mais il est crucial de comprendre comment la formation de la glace et son éjection affectent les performances globales du moteur. L'examen de la croissance de la glace et de son éjection peut offrir des insights importants pour améliorer la fiabilité et l'efficacité des moteurs dans des conditions d'atterrissage et de vol à haute altitude.

Lorsqu'une couche de glace se forme sur le côté de pression de la pale du rotor, elle se concentre principalement sur le bord d'attaque, où la température chute sous le point de congélation et où l'accumulation d'eau locale est suffisante. Cette accumulation peut entraîner un phénomène d'éjection de la glace, un processus où la glace accumulée est expulsée de la pale sous l'effet de forces centrifuges. Une simulation numérique a révélé que l'éjection de la glace se produit environ 171 secondes après le début de la croissance de la glace. Cette éjection a lieu à un endroit précis, situé à environ 71 % de l'envergure de la pale, où la glace atteint une épaisseur suffisante pour générer des forces centrifuges importantes.

La variation du débit volumétrique en fonction de la croissance et de l'éjection de la glace est une métrique cruciale pour évaluer l'impact sur la performance. En simulation, il a été observé que la baisse du débit volumétrique en raison de la croissance de la glace était de 34,4 % avant la première éjection de glace, alors que la récupération après l'éjection n'était que de 10,6 %. Comparativement, dans une expérience physique, une baisse de débit de 27,6 % était suivie d'une récupération de 21,8 %. Cette différence pourrait être expliquée par la taille des morceaux de glace expulsés, les morceaux plus gros expédiant un impact plus marqué sur la récupération du débit.

Dans les expérimentations, le débit volumétrique après l'éjection de la glace atteignait 94,3 % du débit initial, ce qui suggère que de plus grands morceaux de glace étaient éjectés, améliorant ainsi la récupération du moteur. Cependant, la simulation utilisée ne considérait que la première éjection de glace, tandis que dans les expériences réelles, le débit volumétrique tend à se stabiliser progressivement à mesure que les éjections successives de glace se produisent. Ce phénomène n'est pas pris en compte dans les modèles actuels, qui simplifient l'adhésion de la glace en la modélisant comme une constante basée sur les résultats de Murooka et al. (2011), ce qui semble mériter une réévaluation.

Dans le cadre d'une application pratique, le modèle d'éjection de glace a été intégré à un moteur à réaction développé par le JAXA, où la distribution de la glace sur les pales du ventilateur a été étudiée. Les résultats ont montré que la glace se forme principalement sur le côté de pression et sur le bord d'attaque des pales, où les températures sont plus basses et où l'impact des gouttes d'eau est plus fréquent. En revanche, la surface de succion des pales est relativement épargnée par la formation de glace, car les gouttes y sont moins abondantes. La glace atteint une épaisseur maximale de 7,18 mm sur les pales, alors que sur les guides de sortie du ventilateur (FEGV), elle reste bien plus mince, ne dépassant pas 0,47 mm.

La dynamique des flux autour des régions où se produit l'éjection de glace montre des changements notables dans la direction des lignes de courant. Avant l'éjection, le flux est influencé par la forte force centrifuge, créant un flux tournant du hub vers l'extrémité de la pale. Lors de l'éjection de la glace, cette dynamique est partiellement rétablie, avec une augmentation de la vitesse du flux en raison de la disparition de la résistance créée par la glace. Cela illustre l'impact direct de l'éjection de la glace sur les caractéristiques aérodynamiques du moteur.

Les effets sur le taux de masse et la pression totale sont significatifs. Par exemple, après l'éjection de la glace, le taux de masse du noyau du moteur diminue de 7,7 %, tandis que celui du bypass augmente légèrement de 0,9 %. Bien que la pression totale et le rapport de pression ne subissent qu'une légère réduction (de 1,42 % avant l'éjection à 0,38 % après), l'effet combiné de la croissance de la glace et de son éjection sur les charges des étages de ventilateur est observable sur toute la section du rotor. Cette réduction du débit de masse et de la pression totale influence la performance globale du moteur, bien que de manière atténuée.

Les résultats montrent également que l'éjection de la glace a un impact plus important sur les zones proches du hub que sur celles proches de l'extrémité de la pale, en raison de l'accumulation de glace plus épaisse au centre. Cette dynamique modifie non seulement le comportement aérodynamique local, mais aussi l'équilibre des charges sur les différents étages du moteur, ce qui peut affecter les performances globales de manière notable.

Il est essentiel de prendre en compte ces effets dans le développement et l'optimisation des moteurs à réaction. Les simulations de croissance et d'éjection de la glace peuvent offrir une compréhension approfondie des processus impliqués, mais elles doivent être améliorées pour mieux représenter les multiples cycles d'éjection et leurs effets cumulés sur les performances du moteur. Une attention particulière doit être portée à l'amélioration des modèles d'adhésion de la glace, afin d'obtenir des prévisions plus précises et de mieux gérer les risques associés à l'impact de la glace dans les conditions de vol réelles.

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