L'Impact des Modèles de Simulation de Flux sur l'Aérodynamique des Ailes Balayées avec Accrétion de Glace

Les travaux expérimentaux récents ont mis en évidence l'influence des formes d'accrétion de glace au bord d'attaque sur l'aérodynamique d'un modèle de l'aile balayée, à une échelle de 65 % du Common Research Model (CRM). L'objectif principal de cette étude est de tirer parti des données expérimentales accumulées pour évaluer la capacité des modèles de simulation à prédire la dynamique complexe des flux et la performance aérodynamique d'un flux semi-détaché sur une aile balayée à des angles d'attaque modérés. Dans ce contexte, la modélisation de l'aile a été réalisée dans un domaine de calcul similaire à une étude précédente menée par Stebbins et al. (2021) en utilisant la méthode RANS. Ces dernières années, les méthodes hybrides de simulation, telles que DES et IDDES, ont montré de bons résultats pour les profils extrudés en 3D et les ailes non balayées avec accrétion de glace. Cependant, leur performance pour prédire des flux semi-détachés sur des ailes balayées reste largement non documentée.

Les flux séparés sur une aile balayée sont hautement instables et tridimensionnels. Le critère Q permet de visualiser les structures turbulentes présentes dans le champ de flux à un instant donné. À mesure que l'angle d'attaque simulé augmente de 6° à 10°, à la fois DES et IDDES prédisent une augmentation de la taille de ces structures turbulentes à mesure que le flux devient de plus en plus séparé. La dynamique proche de la paroi a été étudiée par comparaison des résultats expérimentaux obtenus avec des mini-broches et la visualisation du flux d'huile avec les valeurs de contrainte de cisaillement près de la paroi calculées par simulation. Les résultats expérimentaux montrent qu'à des angles d'attaque élevés, un fort flux spanwise (de nombreuses broches pointant dans la direction spanwise) se produit avec une large séparation de flux en dehors, qui s'étend jusqu'au bord de fuite. Bien que ce comportement ait été capturé par le modèle RANS, la séparation en dehors de la zone de rupture de Yehudi était nettement sous-estimée par les modèles IDDES et DES en raison d'une réattache prématurée du flux bien avant le bord d'attaque. Ce phénomène est associé à une surestimation de l'entraînement turbulent et du mélange, de sorte que la couche de mélange se développe plus rapidement et se rattache plus tôt.

Une des causes majeures de cette sous-prédiction de la séparation en dehors par les modèles DES et IDDES à des angles d'attaque élevés peut être liée à l'interaction complexe entre la composante spanwise de la vitesse du flux et l'incapacité des modèles à prédire avec précision la dynamique des fluides dans la zone de transition entre les régions URANS et résolues à l'échelle. Cette zone de transition, ou "zone grise", est notoirement sensible à la qualité du maillage et au modèle RANS sous-jacent. Néanmoins, les résultats actuels d'IDDES suggèrent que ce dernier modèle n'est pas problématique en soi et qu'une simulation à haute résolution d'IDDES n'a pas permis de résoudre le problème. Il semble donc que la nature hautement tridimensionnelle de la séparation du flux soit le facteur principal responsable de la surestimation du mélange turbulent dans la zone grise, où coexistent à la fois un mélange turbulent de type RANS et un mélange de type LES.

Les divergences observées entre les distributions de pression et les coefficients aérodynamiques intégrés révèlent des problèmes supplémentaires dans la prédiction de la répartition de la pression, notamment en ce qui concerne la prédiction de la séparation de flux à grande échelle. Pour tous les angles d'attaque analysés dans cette étude, les modèles DES et IDDES n'ont réussi à capturer la distribution de pression qu'au niveau de l'emplacement spanwise le plus proche de l'aile, ne parvenant pas à modéliser avec précision les grandes régions de séparation du flux vers l'extérieur. Ces imprécisions ont conduit à une surestimation du coefficient de portance intégré, ainsi qu'à l'incapacité de reproduire l'angle d'attaque correspondant à un changement dans le moment de tangage observé dans les données expérimentales.

Dans les recherches futures, trois objectifs principaux doivent être poursuivis pour améliorer la précision des simulations : 1) comprendre la performance du mélange turbulent dans la zone grise pour prédire l'aérodynamique d'une aile balayée avec accrétion de glace, 2) explorer des améliorations des méthodes IDDES et autres méthodes zonales pour les flux de séparation hautement tridimensionnels afin d'augmenter la précision des prédictions, et 3) examiner les différences entre la physique des flux et les performances aérodynamiques pour des formes de glace simplifiées (géométrie lisse 3D) par rapport à des formes de glace fidèles à la réalité (géométrie complexe 3D).

Il est important de comprendre que la modélisation des phénomènes de flux sur des surfaces complexes comme les ailes balayées avec glace requiert une attention particulière à la dynamique tridimensionnelle. La transition entre les différentes méthodes de simulation et la résolution des zones où la séparation du flux est partielle reste un défi majeur. Le comportement non linéaire de la turbulence dans ces zones est un facteur clé qui nécessite une analyse plus fine pour améliorer les prévisions dans des conditions de vol réelles.

Comment la forme de la glace influence-t-elle le flux aérodynamique et l'angle de décrochage ?

L'évolution de l'écoulement de l'air autour d'un profil d'aile contaminé par la glace est un domaine complexe d'étude qui a captivé l'attention des chercheurs et des ingénieurs. Les formes de glace, telles que la glace en crête ou en corne, génèrent des perturbations significatives dans le flux d'air, modifiant ainsi les performances aérodynamiques de l'aéronef. L’augmentation de l’angle d'attaque (AoA) accentue la taille de la bulle de séparation créée par la forme de la glace, jusqu'à ce que le flux de cisaillement cesse de se rattacher au profil. Près de la zone de rattachement, le flux se divise en deux parties : une est déviée en amont, créant un flux inverse, tandis que l'autre forme une nouvelle couche limite en aval de la zone de rattachement. Toutefois, ces zones de recirculation et de rattachement ne sont pas stables, et leur comportement, souvent de type turbulent, est simultanément influencé par des structures cohérentes de grande échelle et l'effet amortisseur de l'aile.

Le phénomène de "flapissement de la couche de cisaillement" (Shear Layer Flapping, SLF), proposé par Gurbacki (2003), a permis d'expliquer cette instabilité par l’interaction entre la région de recirculation et la zone de rattachement. Bien que cette hypothèse ait été soutenue par des visualisations locales du flux, sa vérification reste encore un défi. Au fil du temps, l'utilisation de la simulation numérique des fluides (CFD) est devenue courante pour approfondir la compréhension théorique des effets de la glace sur l’aérodynamique. Stebbins et al. (2019) ont résumé l’état des recherches dans ce domaine, soulignant que la méthode des équations de Navier-Stokes moyennées en Reynolds (RANS), bien que largement utilisée dans les premières études, ne parvient pas à capturer la dynamique de flux instable.

Pour des simulations plus précises, des méthodes comme la simulation numérique directe (DNS) sont théoriquement idéales pour capter toutes les caractéristiques de la turbulence, des plus grandes structures jusqu'à l'échelle de Kolmogorov. Cependant, leur coût computationnel élevé les rend difficilement applicables aux modèles à grande échelle. C'est pourquoi des alternatives telles que la simulation de grandes échelles (LES) et la simulation des tourbillons détachés (DES) ont été développées. Ces approches ont gagné en popularité ces dernières années, en permettant une résolution plus précise des flux turbulents, tout en étant moins gourmandes en ressources. Ces méthodes sont désormais des outils essentiels pour simuler l'effet de la glace sur l'écoulement aérodynamique.

Les formes de glace sont généralement classées en deux catégories : les rugosités de surface et les profils de glace à grande échelle. Les rugosités, souvent dues aux premières étapes de l’accrétion de glace, ont principalement un impact sur le coefficient de traînée et la transition du flux. Peu d’études numériques se sont penchées sur ces rugosités en raison des défis qu’elles posent, notamment en termes de discrétisation spatiale et de ressources de calcul. En revanche, les profils de glace à grande échelle, tels que la glace en crête ou en corne, ont été largement étudiés. Ces profils sont souvent simplifiés en surfaces lisses, ce qui permet des calculs numériques plus simples, bien que cela limite l'évaluation des effets de la friction et du drag sur la performance globale.

La principale préoccupation dans ce domaine reste la dégradation des performances aérodynamiques, en particulier l'impact sur le coefficient de portance et l'angle de décrochage. Les études montrent que les formes de glace génèrent des mouvements de vortex instables en aval, ce qui affecte les oscillations de pression et peut provoquer une instabilité du flux. Kumar et Pan (2001) ont été les premiers à appliquer la méthode DES pour étudier ces flux contaminés par la glace et à caractériser les mouvements de vortex à grande échelle derrière des formes de glace typiques. Leur travail a permis d'améliorer la précision des prévisions du coefficient de portance, notamment à des angles d'attaque élevés, proches du décrochage.

Cependant, malgré ces avancées, la résolution des mouvements de vortex reste un défi. Des améliorations continues des modèles de turbulence ont été proposées pour améliorer les performances des simulations. Par exemple, Lorenzo et al. (2011) ont comparé les résolutions de la vorticité turbulente entre DES et DDES (Delayed Detached Eddy Simulation), en particulier dans les conditions post-décrochage. Ces recherches ont permis de mieux comprendre la dynamique des bulles de séparation sous les conditions de décrochage, vérifiant ainsi les conjectures initiales sur les motifs de flux.

Les développements récents, tels que le Zonal DES (ZDES), l’Improved DDES (IDDES) et les améliorations sur les variables de filtrage à l’échelle des sous-grilles, ont permis de réduire les problèmes de résolution dans les zones hybrides entre les simulations numériques et les structures physiques. Ces progrès ont été complétés par l'introduction de stratégies de filtrage raisonnables dans les simulations, permettant de mieux gérer les effets de la zone de rattachement, et ont été appliqués à des études sur des profils d’aile comme le NACA23012 et le GLC-305.

La compréhension des phénomènes instables des bulles de séparation et des zones de recirculation reste un enjeu crucial pour la sécurité des vols. Des études récentes sur les oscillations à faible fréquence dans les flux contaminés par la glace, comme celles de Zhang et al. (2021), ont montré l’importance de l’analyse de ces modes instables, en particulier lorsqu'ils se produisent près du décrochage. L'extension de ces zones de recirculation et leur impact sur le rattachement du flux sont essentiels pour prédire et éviter les conditions de vol dangereuses.

L'instabilité des bulles de séparation et l'interaction entre les tourbillons, particulièrement sous conditions de décrochage, représentent une frontière importante dans l'aérodynamique des ailes affectées par la glace. Bien que de nombreuses études aient été réalisées, ces phénomènes restent partiellement compris. Le travail continue dans ce domaine pour résoudre les problèmes de simulation, de modélisation et d’analyse, visant à améliorer la prévision des conditions de vol en présence de contamination par la glace.

Comment la simulation numérique et les systèmes anti-givrage électrothermiques influencent la formation de glace sur les prises d'air des moteurs de rotorcraft

Les conditions d'énumération et d'adhésion de la glace sur les surfaces des moteurs de rotorcraft sont un enjeu crucial pour garantir la sécurité et l'efficacité de ces machines dans des conditions climatiques défavorables. Les résultats des simulations numériques montrent une grande probabilité d'accumulation de glace dans la région située autour du bord d'attaque de la prise d'air supérieure, particulièrement lorsque les vitesses de flux sont élevées. Les profils de vitesse élevés observés à l'intérieur de l'entrée d'air du moteur indiquent que la simulation de l'aspiration de l'air a été bien réalisée par une condition frontière numérique pour la masse cible. Ces observations suggèrent une formation de glace sur les bords de l'entrée d'air, amplifiée par les conditions de température et de teneur en eau liquide. La simulation numérique permet ainsi d'analyser ces phénomènes sous différents angles, en considérant notamment l'influence de la vitesse de l'air, de la température et de la taille des gouttelettes sur l'accumulation de glace.

L'étude de ces conditions a été menée à différents niveaux de LWC (concentration en eau liquide dans les nuages), de température, et de diamètre moyen des gouttelettes (MVD). Par exemple, dans le cas de la condition I, où la vitesse de l'air est de 72 m/s, la température de 263 K et la concentration de LWC de 0.3 g/m³, les simulations montrent que la formation de glace se fait principalement sous forme de glace tendre (ou "rime") avec un diamètre moyen des gouttelettes de 20 à 40 micromètres. Le profil de cette accumulation de glace est asymétrique et se concentre principalement sur les zones de stagnation du flux, telles que l'intérieur du bord supérieur de la prise d'air, où la vitesse de l'air est réduite. Ce phénomène est exacerbée dans des conditions de très basses températures, comme celles observées à -20°C, où la glace formée est principalement de type "rime", ce qui représente une forme de glace relativement fragile et fragile, mais qui peut cependant causer des obstructions importantes pour l'entrée d'air du moteur.

Les résultats de la simulation révèlent que la taille des gouttelettes a une influence majeure sur l'efficacité de collecte de la glace. Par exemple, une taille de gouttelettes de 40 micromètres entraîne une plus grande surface d'accumulation et une meilleure efficacité de collecte, contrairement aux gouttelettes plus petites de 20 micromètres. Il en ressort que l'efficacité du système de collecte est nettement supérieure dans les zones du moteur où l'air est plus lent, particulièrement au niveau du bord supérieur de l'entrée d'air, ce qui souligne l'importance de l'optimisation de la distribution thermique de l'anti-givrage électrothermique.

Les systèmes de dégel électrothermiques jouent un rôle crucial dans la prévention de l'accumulation de glace sur les moteurs. Les simulations basées sur le modèle de l'entrée d'air du rotorcraft montrent que la zone de détection thermique couvre la majeure partie de la surface de l'entrée d'air, et la zone de protection est correctement identifiée et bien ciblée. Les simulations ont mis en évidence que l'efficacité du système de dégel électrothermique est élevée dans les zones situées sur le bord supérieur et intérieur des lèvres de l'entrée d'air, là où l'accumulation de glace est la plus importante. Le modèle utilisé dans les tests de soufflerie de givrage du Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA) a permis de valider cette approche et a montré que la simulation, en tant qu'outil de prédiction, est un instrument puissant pour optimiser la performance des systèmes anti-givrage dans des conditions réelles de vol.

Il est aussi important de comprendre que ces résultats numériques ne doivent pas être considérés de manière isolée, mais plutôt dans un cadre plus large de test et validation expérimentale. Les conditions réelles de givrage sont complexes et peuvent varier de manière significative en fonction de l'altitude, de la vitesse de vol, et de la densité de la vapeur d'eau. De plus, bien que les systèmes anti-givrage électrothermiques aient montré de bons résultats dans les simulations, leur efficacité peut être affectée par d'autres facteurs, tels que la configuration du moteur ou les caractéristiques spécifiques de l'entrée d'air.

En fin de compte, ces études soulignent l'importance d'une compréhension fine des conditions d'adhésion de la glace et de la performance des systèmes anti-givrage électrothermiques. Les avancées dans ce domaine permettent non seulement d'augmenter la sécurité des rotorcraft en vol, mais aussi d'optimiser les performances des moteurs dans des environnements à risque, en prévenant les défaillances liées à l'accumulation de glace.

Quelle séquence de chauffage est la plus efficace pour la déglaciation électrothermique ?

La déglaciation électrothermique, utilisée pour éliminer la glace des surfaces aérodynamiques, repose sur des séquences de chauffage optimisées qui minimisent la consommation d'énergie tout en garantissant l'efficacité de la protection contre la formation de glace. Ce processus implique l’activation de plusieurs chauffages à des moments précis, selon des motifs de cyclage variés, pour atteindre un équilibre entre la quantité d’énergie utilisée et l’épaisseur maximale de glace tolérée. Les tests effectués sur différentes configurations, telles que celles des motifs A et B, montrent des résultats très différents en termes de consommation énergétique et de contrôle de l’épaisseur de la glace.

Le motif de cyclage A, par exemple, a permis de réduire la consommation d'énergie de manière significative par rapport au motif B. Les résultats montrent que dans les cas où le motif A est appliqué, la réduction de l'énergie totale nécessaire peut atteindre jusqu'à 60%, un résultat impressionnant comparé à la réduction plus modeste dans les configurations utilisant le motif B. Ce dernier, bien qu'il semble plus efficace pour augmenter la sécurité, en particulier dans la zone du boudin de séparation, consomme plus d'énergie et ne limite pas aussi efficacement l'épaisseur de la glace.

Les schémas de chauffage optimisés sont influencés non seulement par la densité de puissance des chauffages, mais aussi par la durée des périodes d'activation. L'inclusion de la durée de ces périodes comme variables de conception dans l'optimisation permet de réduire encore davantage la consommation d'énergie. Par exemple, dans les tests I-P-A et I-P-B, l'ajustement des durées de préchauffage a permis de réaliser une réduction de l'énergie allant de 12% à 23%. Cette souplesse accrue dans la recherche de solutions optimales a permis de maximiser l'efficacité du système, en tenant compte des différents paramètres de fonctionnement des chauffages.

Dans une analyse plus approfondie, les tests ont montré qu'un changement dans la stratégie de cyclage, comme celui observé dans le cas I-PT-A, peut apporter une réduction importante de l'énergie sans compromettre la performance. Ainsi, une période de préchauffage légèrement réduite dans ce cas, associée à un motif de cyclage plus efficace, a permis de maintenir l'épaisseur maximale de glace à un niveau plus faible qu'avec d'autres motifs de chauffage. De plus, l'optimisation des densités de puissance des chauffages, en particulier des chauffages situés sur la partie avant du bord d'attaque, peut jouer un rôle clé dans l'amélioration de l'efficacité globale de la déglaciation.

Les simulations numériques, telles que celles réalisées avec les modèles de type CHT, permettent de prédire les profils de température et d’épaisseur de glace au cours des cycles. Cela montre qu’une attention particulière à la répartition de la puissance de chauffage et à la durée des cycles peut permettre d'atteindre des résultats beaucoup plus performants, tout en consommant moins d’énergie. De plus, bien que les tests expérimentaux montrent des résultats moins optimisés, la différence en termes de volume de glace final et d’énergie consommée entre les configurations optimisées et les configurations expérimentales est frappante.

Le motif de cyclage A, par rapport au motif B, montre également des avantages dans la gestion de l'activation des chauffages. L'utilisation d'un motif de cyclage plus ciblé permet de réduire la quantité d'énergie consommée sans sacrifier la sécurité ou l’efficacité du système. Cependant, il est important de noter que, même si les configurations optimisées présentent de meilleures performances énergétiques et une gestion plus efficace de la glace, les différents facteurs environnementaux, tels que la température initiale et l'angle d'attaque de l'aéronef, influencent également les résultats.

Il est essentiel de considérer non seulement les données expérimentales mais aussi les simulations et les modèles réduits lors de la conception de systèmes de déglaciation. L'intégration de différents paramètres dans les variables de conception, tels que la durée des périodes de chauffage et la densité de puissance des chauffages, permet de trouver un compromis optimal entre efficacité énergétique et sécurité.

Ainsi, pour l’optimisation des systèmes de déglaciation électrothermique, les principales conclusions soulignent l’importance du motif de cyclage, de la gestion des durées de préchauffage et de l’ajustement des densités de puissance. En explorant ces variables avec précision, il est possible de réduire considérablement la consommation d’énergie tout en maintenant une protection efficace contre la formation de glace.

Comment valider un code de simulation numérique d’accumulation de givre en vol?

Dans le contexte de la simulation numérique de l