Comment la modélisation des cristaux de glace et leur impact sur les moteurs turbofan peut-elle être optimisée pour améliorer la sécurité aérienne ?

La question de l'impact des cristaux de glace sur les moteurs turbofan en haute altitude est devenue une préoccupation majeure dans le domaine de l'aviation. Les incidents de pertes soudaines de puissance et d'extinction de flammes, souvent observés dans des conditions atmosphériques particulières, sont liés à l'ingestion de cristaux de glace dans le cœur du moteur. Ces cristaux, soulevés à haute altitude par de puissantes cellules de convection, représentent un risque non négligeable pour la sécurité des aéronefs. Pour anticiper ces phénomènes et en limiter les effets, il est essentiel d'approfondir la compréhension des dynamiques de formation, de croissance et de collision des cristaux de glace avec les composants des moteurs.

L'intégration de ces modèles dans des outils de simulation plus larges permet de simuler non seulement la trajectoire des cristaux de glace dans l'atmosphère, mais aussi leur impact sur les surfaces froides comme celles des moteurs d’avion. Par exemple, le modèle MUSIC-HAIC, développé pour simuler les effets des cristaux de glace à haute altitude, offre une vue d'ensemble des phénomènes de fusion et de fragmentation des particules de glace lorsqu'elles rencontrent des surfaces solides. En combinant ces résultats avec des études sur les phénomènes de rupture de particules lors des impacts (comme l'ont étudié Senoner et al., 2022), on obtient une meilleure compréhension des forces de cisaillement, de la chaleur générée et des fragments qui peuvent se détacher des cristaux.

Le défi majeur demeure l’adaptation de ces modèles aux conditions variées rencontrées en vol, en particulier les changements brusques de température, de pression et de composition de l'air. Les cristaux de glace, qui sont généralement de petite taille, peuvent cependant poser des problèmes majeurs lorsqu’ils se fragmentent et créent des particules fines capables de pénétrer dans des zones sensibles du moteur. Les modèles actuels, bien qu'efficaces, doivent être continuellement ajustés pour intégrer les variations spécifiques de l’environnement atmosphérique et les propriétés variées des cristaux de glace, qui peuvent se développer sous différentes formes selon les conditions de congélation.

Il est également important de noter que ces phénomènes de cristallisation ne concernent pas seulement la sécurité des moteurs, mais également les performances aérodynamiques des aéronefs. Une accumulation excessive de glace sur les ailes ou les stabilisateurs peut affecter la portance et la traînée, modifiant les caractéristiques de vol et augmentant le risque de perte de contrôle. Par conséquent, une gestion précise de la formation de glace, combinée à des technologies d'anti-givrage plus avancées, devient essentielle pour garantir la sécurité de l’ensemble du système aéronautique.

Comment les cristaux de glace se forment et affectent les performances des moteurs à turbofan : une analyse numérique

La croissance des cristaux de glace dans les moteurs à turbofan représente un défi majeur pour la performance et la sécurité. Les phénomènes de givre sont complexes et influencent directement l'efficacité du moteur. Les études récentes ont montré que la simulation numérique, notamment à travers l'outil ANSYS FENSAP-ICE, permet de modéliser et d'optimiser le processus d'accrétion de glace en tenant compte de plusieurs variables essentielles. Ces simulations visent à prédire avec précision la formation de la glace et son impact sur les composants critiques du moteur, notamment les stators et les rotors.

Dans le cadre de l'étude présentée, une simulation de trajectoire de particules a été réalisée pour un cas spécifique, le cas 133. L'objectif était de calculer l'interaction entre les particules de glace et les composants du moteur. La particule étudiée avait un diamètre volumétrique moyen (MVD) de 38 microns et un rapport d'aspect de 0,5, choisi après une comparaison avec les profils de TWC (Total Water Content) radiaux. Ce choix a permis d'évaluer l'impact du transfert de masse et d'énergie sur le comportement global de l'accrétion de glace, en tenant compte de l'interaction avec la vapeur et de son couplage avec l'air.

Lors de l'analyse du cas 133, il a été observé qu'il n'y avait pas d'accrétion de glace notable. En revanche, dans le cas 135, un processus d'accrétion soutenu a été observé tout au long de l'intervalle de givre. Les photographies montrent une formation de glace de type champignon sur le bord d'attaque des pales et une accrétion à des endroits spécifiques des shrouds (coquilles). Les résultats de la simulation ont montré une bonne correspondance avec les lieux d’accrétion de glace et l'étendue de la couverture de glace sur l'article testé, bien que la croissance de la glace sur le bord d'attaque ait été sous-estimée. Ce phénomène est dû à l'absence d'une approche de givre multichoc et à une différence entre les prédictions des modèles et l'efficacité réelle de l’adhérence des cristaux de glace.

Les simulations de givre sont essentielles pour comprendre le comportement des moteurs sous conditions de givre sévère. Dans ce contexte, l’approche multichoc s’avère cruciale pour une modélisation plus précise. Cette approche consiste à diviser le temps total d’accrétion en plusieurs intervalles, appelés "chocs", afin de mieux capturer les effets temporels de la formation de glace. À chaque choc, des calculs d’air et de cristaux sont effectués, suivis d’une simulation du processus de givre pour la durée spécifiée. Après chaque choc, l’espace d’écoulement est réajusté pour tenir compte du déplacement de surface causé par l’accumulation de glace, et la simulation peut continuer avec ces nouvelles données.

L’outil ANSYS FENSAP-ICE, en permettant une simulation précise de l’accrétion de glace, représente une avancée majeure dans la conception et l’optimisation des moteurs à turbofan face à des conditions de givre extrêmes. Toutefois, il est important de noter que les modèles utilisés dans ces simulations restent limités par certains facteurs comme l’adhérence des cristaux de glace et la complexité du phénomène de fusion. La prise en compte de la conductivité thermique des métaux et des mécanismes de délaminage de la glace, qui peuvent entraîner l'éjection de la glace accumulée, constitue une amélioration significative pour des simulations encore plus réalistes.

Les simulations numériques de givre ne se contentent pas de prédire les emplacements de l’accrétion de glace, mais elles aident également à concevoir des systèmes de moteur plus robustes et efficaces, capables de résister aux effets du givre sans compromettre leur sécurité ou leur performance. De telles technologies ouvrent la voie à des conceptions de moteurs plus avancées et plus résistantes, augmentant ainsi la fiabilité des moteurs à turbofan en conditions de vol difficiles.

Quelle méthode numérique est la plus adaptée pour la simulation de l'impact des gouttes d'eau super-refroidies sur les surfaces ?

Les méthodes numériques de simulation de l'impact des gouttes d'eau super-refroidies (SLD) ont fait l'objet de nombreux travaux au fil des ans, notamment en aéronautique, où la modélisation de l'adhésion de la glace sur les surfaces des avions est cruciale pour la sécurité. Parmi les approches les plus utilisées, les méthodes Lagrangiennes et Euleriennes se distinguent par leurs spécificités et leurs avantages respectifs dans ce domaine.

Cependant, la méthode Lagrangienne présente des limites. La précision des résultats dépend fortement du nombre de gouttes simulées, ce qui peut poser un problème pour des simulations complexes en trois dimensions. De plus, cette méthode est difficile à coupler avec des calculs qui prennent en compte l’interaction entre les particules et le champ d'écoulement de l'air. La parallélisation efficace des opérateurs Lagrangiens reste également un défi technique, notamment en raison de l’accumulation des gouttes près de la paroi (Serkan et al., 2011). Ces défis peuvent entraîner des difficultés dans les simulations à grande échelle et dans la modélisation de phénomènes à haute vitesse.

D'un autre côté, la méthode Eulerienne, qui repose sur une grille de calcul fixe pour modéliser le mouvement des gouttes, présente l’avantage d'une meilleure intégration avec les calculs de dynamique des fluides et de champ d’écoulement. Cette méthode permet une gestion plus simple des interactions entre les gouttes et l'écoulement d'air. Cependant, elle est moins précise lorsqu'il s'agit de simuler les phénomènes individuels comme la fragmentation et le rebond des gouttes, aspects qui sont au cœur des études de givre sur les avions.

En définitive, le choix de la méthode dépend du type de phénomène que l'on souhaite modéliser et de la précision nécessaire dans les simulations. Les applications nécessitant une modélisation fine du comportement des gouttes, notamment en cas de formation de glace complexe, bénéficient davantage de la méthode Lagrangienne. Cependant, pour des simulations à plus grande échelle où les interactions avec le fluide sont primordiales, la méthode Eulerienne reste un choix pertinent.

Il est aussi important de noter que la recherche continue dans ce domaine, notamment avec le développement de logiciels comme LEWICE3D, permet de combiner les forces des deux approches, Eulerienne et Lagrangienne, pour tirer parti des avantages de chacune. L'intégration de ces méthodes hybrides pourrait offrir une solution idéale pour les simulations d'impact de gouttes dans des conditions d’icing sévère, permettant d’obtenir des résultats plus fiables et plus précis.

Comment la température de surface et le transfert thermique sont influencés par les régimes de turbulence dans les expériences d’icing

Lorsqu'on examine la variation de température par rapport à la valeur moyenne dans un environnement de turbulence, la température peut fluctuer d'environ 15 % dans les régimes de nombres de Reynolds élevés. Une observation importante concerne l'impact du transfert thermique par radiation, qui ne peut être négligé par rapport au transfert thermique global, notamment lorsque le nombre de Reynolds est inférieur à 3 × 10^5. Cette observation est fondamentale pour les simulations où il est crucial de prendre en compte l'effet de la radiation dans les calculs de transfert thermique. L'étude de Achenbach (1977), qui met en lumière l'effet de la rugosité de la surface du cylindre sur les coefficients de pression, a montré que la courbe expérimentale pour un certain intervalle de Reynolds se stabilise autour de la plage 2,2 × 10^5 < Re < 4 × 10^6. Cela suggère que, dans ce domaine, une courbe unique pourrait représenter efficacement les données expérimentales, comme cela a été fait pour l'équation de flux théorique du cylindre.

La simulation de l'écoulement dans un tunnel aérospatial, comme l'indiquent les travaux de Stefanini, a révélé que dans un régime transcritique, où la force totale de traînée du cylindre est au-dessus de son point minimal, la transition laminaire-turbulente se situe près du point de stagnation. L'importance du rapport de blocage, particulièrement dans des configurations complexes, a rendu nécessaire une simulation complète de la géométrie du tunnel pour capturer les effets de la paroi.

Dans les conditions d'expérimentation, la température de surface de l’isotherme du cylindre a été ajustée entre 9 K et 60 K au-dessus de la température du flux libre, conformément aux rapports de Achenbach (1977). Les résultats indiquent que la température de la surface du cylindre pourrait être estimée à 312,15 K dans des conditions spécifiques. Cependant, les variations entre les tests suggèrent une certaine imprécision dans la spécification exacte des paramètres expérimentaux.

L’étude de la formation des glaces a également été abordée par des tests expérimentaux, en particulier ceux réalisés par Kind (2001), dont l'objectif était d’évaluer les simulations des formes de glace sous des conditions de vol simulées. Les données obtenues dans ces essais ont permis de vérifier les codes de simulation des formes de glace. Ces études, qui portent sur la formation de glace glaçante, un phénomène complexe, ont fourni une base solide pour valider les résultats des codes de simulation utilisés dans le domaine aérospatial.

Il est crucial de noter que les résultats expérimentaux sur la formation de glace, en particulier dans le cadre des profils aérodynamiques NACA0012, ont été comparés et validés par des essais réalisés dans des tunnels d’essai comme le IRT de la NASA. Ces essais ont permis de confirmer la reproductibilité des résultats expérimentaux et ont révélé des caractéristiques importantes dans la formation des glaces, comme la dépendance de la forme de glace par rapport à la température statique et à la quantité de LWC (Liquid Water Content).

Dans le cadre des simulations de transfert thermique local sur un cylindre rugueux, l’importance de la couche limite thermique a été clairement démontrée par les résultats des simulations. En analysant les numéros de Nusselt normalisés et en les comparant avec les résultats expérimentaux, on a pu observer que l’utilisation de certaines équations empiriques (telles que celles de Dipperey et Sabersky, ou d’Owen et Thomson) fournit des résultats qui varient en fonction des conditions expérimentales spécifiques. Ces différences peuvent être attribuées aux configurations expérimentales distinctes, ce qui souligne la nécessité d’adapter les modèles numériques aux conditions spécifiques d’un essai donné.

Enfin, les simulations ont mis en évidence que l’utilisation de certains modèles pour la transition abrupte laminaire-turbulente permet de prédire plus précisément le transfert de chaleur, bien que certains ajustements restent nécessaires pour une meilleure précision des prédictions, notamment en ce qui concerne la localisation du transfert de chaleur maximal et la variation de la courbe de Nusselt avec l'angle de l'écoulement.