Stochastic Ice Accretion Model for Aircraft Icing

L'accrétion de glace en vol est un risque important dans le domaine de l'aviation car elle entraîne une dégradation des performances. Ce phénomène est une partie importante des processus de conception et de certification. Il représente un domaine de recherche actif car les mécanismes sous-jacents ne sont pas encore bien compris. Les simulations numériques sont utilisées comme alternatives aux essais expérimentaux, permettant de traiter une variété de conditions de givrage à moindre coût. Les fondements mathématiques des principaux logiciels de givrage, tels que LEWICE3D, IGLOO3D et FENSAP-ICE, sont majoritairement basés sur des méthodes algébriques et des systèmes d'équations différentielles partielles. Le phénomène d'accrétion de la glace est donc représenté du façon continue et déterministe, dans laquelle la densité de la glace est traitée comme une variable indépendante. Cependant, les structures de glace discrètes et aléatoires observées dans les essais expérimentaux, telles que les plumes de glace, qui peuvent mener à des formes de glace significatives et à une dégradation sévère des performances ne sont pas capturées par ces méthodes. De plus, les logiciels à l'état de l'art ne modélisent pas la variabilité observée dans la forme de la glace obtenue pour de multiples essais des mêmes conditions de givrage. Des alternatives aux outils numériques traditionnels ont donc été proposées pour surmonter ces limitations et améliorer la compréhension du phénomène de givrage. L'objectif principal de ce travail est de fournir un cadre numérique original, bidimensionnel, discret et stochastique pour modéliser le phénomène d'accrétion de glace, basé sur de récents travaux présents dans la littérature. Les développements sont implémentés dans CHAMPS, un logiciel interne de dynamique des fluides numérique. Tout d'abord, le domaine d'accrétion est discrétisé en utilisant un algorithme d'avance de front non-structuré, habituellement utilisé pour la génération de maillage. La technique est basée sur la création d'éléments de glace à partir de gouttelettes d'eau. Des éléments triangulaires sont générés à mesure que le front de glace avance dans l'espace. Les gouttelettes d'eau sont traitées une par une, et leur trajectoire est extraite du champ de vitesse obtenu à partir d'un solveur de gouttelettes eulérien. Les gouttelettes sont rassemblées en amas pour réduire le coût de calcul, et ces derniers sont injectés à une position initiale aléatoire, sur un plan d'injection, en amont de la géométrie étudiée. La stochasticité est également introduite dans la taille des gouttelettes, en les échantillonnant de manière aléatoire à partir de la distribution expérimentale de taille.