Comment les méthodes de simulation numérique contribuent à la certification des aéronefs en conditions de givrage

La certification des aéronefs en vol dans des conditions de givrage est une tâche complexe et essentielle pour garantir la sécurité aérienne. Selon les règlements en vigueur, il est nécessaire de démontrer qu'un aéronef, un hélicoptère ou un moteur d'avion peut maintenir des conditions de vol sûres lorsqu'il rencontre des conditions de givrage, connues ou imprévues. Trois moyens principaux sont utilisés pour se conformer à ces exigences : la dynamique des fluides numérique (CFD), la dynamique des fluides expérimentale (EFD) et la dynamique des fluides en vol (FFD).

La CFD-Icing est utilisée dès les premières phases de conception, y compris pour la définition des formes d’aéronefs susceptibles d'être affectées par l'accumulation de glace. Ces simulations permettent de prévoir des formes de givrage critiques, de concevoir des systèmes de protection contre le givrage et d'optimiser les paramètres des essais en tunnel de vent, réduisant ainsi le besoin de tests physiques coûteux et longs.

En effet, la simulation de l'impact des gouttes d'eau sur les surfaces des aéronefs, de la déformation des gouttes jusqu'à leur congélation, représente un domaine complexe dans lequel de nombreuses avancées ont été réalisées. Les méthodes hybrides, comme la méthode Euler-Lagrangienne, permettent de simuler les gouttes dispersées et leur interaction avec les surfaces. Ces méthodes sont complétées par des approches numériques permettant de simuler la déformation et la congélation des gouttes sous l’effet du refroidissement, un processus essentiel pour anticiper la formation de glace sur les ailes et autres parties critiques d’un aéronef.

À mesure que la technologie CFD s'est améliorée, la frontière entre les outils utilisés pour la conception aérodynamique (CFD-Aero) et ceux utilisés pour la certification du givrage (CFD-Icing) s’est progressivement rétrécie. Initialement perçue comme un domaine réservé aux grands laboratoires nationaux, la simulation CFD-Icing est aujourd'hui accessible à un plus grand nombre de chercheurs et d’entreprises grâce à la disponibilité croissante de codes académiques et commerciaux. Ces nouvelles opportunités permettent de diversifier les approches et d'adapter les simulations aux besoins spécifiques des projets de certification.

Les fabricants d'équipement d'origine (OEM) deviennent de moins en moins réticents à utiliser ces outils avancés pour simuler les conditions de givrage, car ils sont désormais plus convaincus de leur fiabilité. En effet, l’adoption de ces technologies peut non seulement accélérer la certification, mais aussi permettre une approche plus flexible et rapide dans le développement de nouveaux modèles d’aéronefs et de moteurs.

À l’avenir, les progrès technologiques, notamment avec l’avènement de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique, devraient révolutionner encore davantage la simulation de givrage. L’impact de ces technologies est déjà tangible, et les experts s’attendent à ce que les méthodes de simulation évoluent à un rythme sans précédent. Ce changement rapide pourrait transformer la manière dont les aéronefs sont certifiés pour des conditions de givrage, augmentant ainsi la sécurité et l'efficacité des tests en vol.

Il est important de souligner que, bien que les simulations numériques de givrage offrent de nombreuses avantages, elles ne remplacent pas entièrement les essais en vol. Ces essais sont essentiels pour valider les résultats des simulations et tester le comportement des systèmes de protection contre le givrage en conditions réelles. Les tests en vol permettent également d’observer des phénomènes complexes et difficilement simulables, comme les interactions non linéaires entre la glace, les surfaces et les flux d’air.

Les chercheurs et ingénieurs doivent donc considérer les simulations numériques comme un outil précieux, mais toujours complémentaire aux essais physiques. De plus, avec l’intégration croissante de la simulation dans les processus de certification, une attention particulière doit être portée à la validation des modèles numériques et à leur capacité à représenter fidèlement les phénomènes de givrage dans une variété de scénarios opérationnels. Ces avancées doivent se poursuivre avec la même rigueur et précision, car elles détermineront, dans une large mesure, la sécurité des aéronefs dans des conditions de givrage imprévues.

Comment la configuration SJA améliore l'efficacité du contrôle actif des flux dans l'analyse numérique des systèmes de protection contre le givrage

L’analyse de l'activation d’un actionneur à jet synthétique (SJA) dans des configurations à faible fidélité, réalisée en conjonction avec les simulations des équations de Navier-Stokes moyennées par Reynolds (RANS), permet de déterminer une condition de frontière simple pour la vitesse fluctuante au bas de l'orifice de l’actionneur. Cette méthode, qui consiste à insérer un orifice SJA dans une surface exposée à un flux super-refroidi en amont, avec une vitesse prescrite et dépendant du temps au bas de l’orifice, est démontrée dans l’étude de référence actuelle. Il convient de noter que cette approche améliore considérablement l'efficacité de la simulation en excluant de l'analyse l’ensemble du volume de cavité de l'actionneur 1216 V. V. Golubev tout en permettant à l jet expulsé d'interagir librement avec le flux extérieur qui le traverse.

Enfin, des simulations viscose de haute précision des flux non stationnaires sont réalisées avec l'orifice de l’actionneur intégré dans la surface de l’aile à un emplacement sélectionné. La vitesse prédéterminée, générée par RANS à la base de l’orifice, peut être utilisée comme condition de frontière pour les simulations suivantes. La méthode numérique proposée par Raju et al. (2009) permet de mettre en œuvre des conditions de frontière simples basées sur des oscillations harmoniques temporelles de l’amplitude correspondante, sans modéliser entièrement le flux dans la cavité, rendant l'approche beaucoup plus efficace en termes de ressources informatiques.

Dans cette approche, les résultats obtenus grâce au modèle LEM pour la configuration de l’actionneur SJA servent de base à une évaluation plus détaillée des paramètres du jet synthétique à travers des simulations viscose de haute fidélité. À titre d'exemple, une étude de cas de Smith et Glezer (1997) est utilisée pour valider le processus de mise à l’échelle de l’actionneur SJA et évaluer l’effet de ce dernier sur la vectorisation de la couche de cisaillement libre, avec un orifice de 15 mm inséré dans la surface d’une section d’aile. L’analyse des résultats obtenus dans cette étude de référence permet de mieux comprendre l'influence des différentes configurations de l’actionneur et de mieux adapter sa conception pour une efficacité maximale.

Une fois les conceptions préliminaires de l’actionneur SJA mises en place, l'étape suivante consiste à effectuer des simulations de haute précision pour prendre en compte les effets non linéaires relatifs à la dynamique de la vorticité du flux généré par l’actionneur. Ces simulations permettent d'obtenir des statistiques de flux nécessaires pour le contrôle actif du flux. Ce processus, qui s'appuie sur la méthode RANS, est validé en comparant les résultats obtenus avec ceux d'études précédentes, comme celles de Rizzetta et al. (1999).

Dans cette étude actuelle, la simulation utilisant ANSYS-CFX met en évidence les effets des différentes fréquences de résonance sur la dynamique du jet et son interaction avec le flux extérieur. Les résultats obtenus montrent que, pour un diaphragme fixe et des propriétés de membrane déterminées, les fréquences résonantes de l’actionneur SJA varient en fonction de la géométrie de l’actionneur, ce qui permet d'optimiser les performances du système pour un contrôle plus précis du flux.

En résumé, cette méthode numérique innovante pour l’analyse et la conception des actionneurs SJA pour le contrôle des flux actifs représente une avancée importante dans la simulation des systèmes de protection contre le givrage. Non seulement elle réduit considérablement le coût de calcul, mais elle permet également une meilleure compréhension des effets de la chaleur et de l'excitation dans la prévention du givrage sur les surfaces d’aile soumises à des flux super-refroidis.