Comment modéliser l'accumulation et l'éjection de glace sur les rotors des hélicoptères : un cadre de simulation tridimensionnelle avancée

Les conditions de givrage en vol peuvent compromettre gravement les performances et la maniabilité des rotors des hélicoptères, mettant ainsi en péril la sécurité du vol. Le givrage intervient principalement sur le bord d'attaque des surfaces portantes, comme les pales de rotor, et modifie l’état de la couche limite. Cela peut entraîner une séparation prématurée du flux d’air et une dégradation des caractéristiques aérodynamiques. Comprendre ces phénomènes est donc crucial pour améliorer la sécurité des aéronefs. Les essais en vol, qu'ils soient réalisés dans des conditions naturelles ou artificielles, constituent des méthodes couramment utilisées pour étudier le givrage des rotors, mais elles présentent certaines limitations. En particulier, la prévisibilité et le contrôle des conditions météorologiques pour ces essais sont souvent difficiles à obtenir, ce qui peut rendre ces tests dangereux ou inaccessibles dans certaines régions.

Une alternative plus contrôlée consiste à utiliser des nuages de givrage artificiels pour recréer des conditions de givrage en vol. Depuis 1973, l'Armée de l'air des États-Unis a modifié un Boeing CH-47 Chinook pour servir de générateur de nuages de givrage artificiels, en utilisant un système de pulvérisation d'eau à bord. Cela permet de simuler des conditions de givrage en vol dans un environnement plus sûr et maîtrisé.

Cependant, la modélisation numérique des phénomènes de givrage des rotors reste un défi majeur en raison de la complexité des interactions entre les flux d’air, les gouttes d’eau, et la formation de la glace sur les pales des rotors. Une simulation tridimensionnelle complète doit intégrer plusieurs modèles numériques sophistiqués : le champ de flux autour du rotor, la trajectoire des gouttes d’eau et les endroits d'impact, le changement de phase lors de l’accumulation de glace, et la déformation du maillage pour prendre en compte les mouvements de la glace. Ce cadre de simulation est essentiel pour comprendre les comportements aérodynamiques sous des conditions de givrage, en particulier en ce qui concerne l’accumulation et l’éjection de glace.

Dans ce contexte, un modèle de simulation utilisant des techniques avancées de maillage et de déformation a été proposé. Ce modèle permet de simuler de manière réaliste l’accumulation de glace sur les rotors, en prenant en compte l’évolution dynamique de la glace au fil du temps. Par exemple, la déformation du maillage est cruciale pour simuler le mouvement de la glace, qui change les caractéristiques aérodynamiques du rotor. Des tests expérimentaux réalisés sur le modèle SRB-II, un modèle de rotor en soufflerie, ont été utilisés pour valider ce cadre de simulation. Les résultats des simulations ont montré une bonne correspondance avec les données expérimentales, notamment en termes d’épaisseur de glace et de localisation de l’éjection, ce qui indique la fiabilité du modèle.

Les résultats obtenus ont permis d'identifier les principaux paramètres influençant la forme et l'accumulation de la glace sur les pales du rotor. L’un des facteurs les plus importants est le profil de température au sein de la couche de glace, qui détermine la façon dont l’eau se congèle à la surface. En outre, le mouvement centrifuge du film liquide joue également un rôle essentiel dans la formation de la glace et son détachement.

L’analyse numérique du givrage permet également d’évaluer les conséquences de différents scénarios de givrage et de prédire la localisation de l’éjection de glace, un phénomène particulièrement critique lors du vol d’un hélicoptère. L’éjection de glace peut en effet affecter les performances du rotor et, dans certains cas, constituer une menace directe pour la sécurité. En fournissant des prévisions précises et fiables de ces phénomènes, les modèles numériques peuvent aider à concevoir des stratégies de prévention du givrage plus efficaces et plus sûres.

Les simulations numériques à haute fidélité, telles que celles présentées dans ce cadre, représentent une avancée significative pour la compréhension du givrage des rotors et l’amélioration des procédures de certification en vol. Elles permettent non seulement de reproduire des conditions de givrage difficiles à tester en conditions réelles, mais aussi d’optimiser les conceptions de rotor pour minimiser les risques liés au givrage.

Les travaux dans ce domaine continuent de se développer, avec des recherches visant à améliorer la précision des modèles de givrage en tenant compte de nouveaux facteurs tels que les différentes compositions de glace et les effets des différents types de nuages de givrage. L’avancée de ces technologies numériques pourrait également ouvrir la voie à des systèmes de prévention du givrage en temps réel, offrant ainsi une sécurité accrue pour les aéronefs dans des conditions météorologiques extrêmes.

Comment modéliser efficacement le transfert thermique dans la formation de glace en vol ?

Le transfert thermique convectif est le mécanisme principal dans la formation de glace en vol, particulièrement lors de l’accrétion de glace verglacée. Ce phénomène se produit lorsqu'un avion traverse un nuage de gouttelettes d’eau sous-refroidie, entraînant la formation de glace sur les surfaces aérodynamiques non protégées. La modélisation du transfert thermique sur des surfaces rugueuses et de la transition laminaire-turbulente est essentielle pour déterminer la forme finale de la glace. Un des défis majeurs réside dans le calcul précis du coefficient de transfert de chaleur, car ce paramètre est fondamental pour prédire la forme de la glace. En effet, le transfert thermique convectif joue un rôle déterminant dans la solidification de la glace, et la compréhension de ce mécanisme est primordiale pour optimiser les systèmes de protection contre la glace.

Une approche classique dans les codes de simulation de la formation de glace repose sur l’analyse intégrale de la couche limite, basée sur la hauteur de rugosité des grains de sable $k_s$, et l’hypothèse d’une transition brutale laminaire-turbulente. Toutefois, cette méthode présente des limitations, notamment parce que la hauteur de rugosité $k_s$ est issue de données expérimentales réalisées sur des flux internes, comme dans les conduites rugueuses, et non sur des couches limites externes. L’expérimentation a montré que cette approche ne prédit pas de manière satisfaisante le transfert de chaleur et de moment pour les flux sur des surfaces rugueuses. Il est donc nécessaire d’adapter cette méthode en tenant compte des spécificités des flux extérieurs.

L’introduction de la fonction d’intermittence dans la modélisation de la transition laminaire-turbulente permet de mieux représenter la région de transition progressive, plutôt que de supposer une transition soudaine à un point précis. Cette approche améliore la précision des simulations, notamment en ce qui concerne les interactions complexes entre les écoulements turbulents et les surfaces rugueuses. Par ailleurs, l’utilisation de la hauteur de rugosité équivalente des grains de sable, ainsi que de la corrélation du nombre de Stanton correspondant, est proposée comme une alternative plus adaptée pour la prédiction du transfert thermique sur des surfaces rugueuses.

Un autre aspect important est la modification de la fonction de paroi thermique, qui prend en compte l’effet de la rugosité comme un isolant thermique, compensant ainsi l’effet du nombre de Reynolds sur l’intensification des taux de transfert de chaleur. Ce modèle modifié offre une meilleure description des phénomènes thermiques, notamment dans les zones proches des surfaces rugueuses où les flux de chaleur sont significativement affectés.

L’application de ces modèles sur des géométries complexes, comme les cylindres rugueux et les profils d’aile glacés, a permis de comparer les résultats expérimentaux aux simulations numériques. Les résultats montrent une prédiction plus précise des formes de glace, ce qui constitue un progrès notable par rapport aux approches traditionnelles. Ces améliorations sont cruciales pour la conception des systèmes de protection contre le givrage et pour garantir la sécurité opérationnelle des aéronefs dans des conditions de givrage.

L’une des principales difficultés réside dans la prévision précise de la hauteur de rugosité et de ses effets sur la distribution du transfert de chaleur à la surface de l’aéronef. Bien que des modèles tels que ceux de l’analyse intégrale de la couche limite soient largement utilisés, il reste essentiel de comprendre que ces modèles ont leurs limites, notamment en ce qui concerne la prise en compte des transitions de flux plus complexes. De plus, l'intégration des résultats obtenus par des outils de simulation CFD, comme OpenFOAM ou CFD++, dans des tests expérimentaux en vol, est une démarche essentielle pour valider et affiner les prédictions des formes de glace.

L’importance de la simulation numérique dans la gestion du givrage ne peut être sous-estimée. La capacité à prévoir avec précision les effets de l’accumulation de glace et à concevoir des systèmes de protection efficaces repose sur la précision des modèles de transfert de chaleur. Ces simulations doivent être en constante évolution pour intégrer les nouvelles découvertes en matière de thermodynamique et d’aérodynamique, en particulier sur des surfaces rugueuses où les phénomènes sont beaucoup plus complexes à modéliser. Les recherches futures devraient se concentrer sur l’amélioration de ces modèles, notamment en affinant la représentation de la transition de phase entre les différents types de glace, afin d’optimiser les performances des aéronefs en conditions de givrage.