Modeling of Transitional Flows on Roughened Surfaces for Icing Applications

RÉSUMÉ Le givrage est de la plus haute importance dans le domaine de l'aéronautique, d'une part puisqu'il demeure dans son ensemble assez incompris, et de l'autre puisqu'il existe des requis complexes de certification aéronautique liés au givrage des pièces composant les aéronefs. Suite à plusieurs accidents, ces normes requièrent maintenant de prédire les géométries de glaces qui peuvent s'amonceler sur des appareils soumis à des conditions de givrage critiques. Sous ces conditions, différents types de glace peuvent s'accumuler sur les surfaces de l'avion, comme du verglas ou des cristaux de glace qui, selon le cas, se traduisent par des géométries complexes qui affectent drastiquement les performances de vol. Pour modéliser et prédire ces formes de glace, des tests expérimentaux sont effectués, mais des outils et modèles numériques de plus en plus complexes sont aussi utilisés. Par contre, en se rapprochant de la température de fusion de l'eau, un film d'eau peut se créer et divers mécanismes liés au givrage entrent alors en jeu. Ces mécanismes plus complexes sont difficiles à modéliser et on remarque une perte de précision des outils prédictifs pour la glace de type verglas. Des modèles plus physiques doivent alors être ajoutés aux codes de givrage actuels afin d'améliorer les prédictions et de répondre aux plus récentes normes de certification. L'objectif de ce projet de recherche est d'améliorer les prédictions des formes de glace de type verglas, apparaissant à plus hautes températures, sur des aéronefs soumis à diverses conditions de vol. Afin de répondre à cet objectif, une modélisation plus proche de la physique des phénomènes entourant le givrage a été ajoutée dans le logiciel maison CHAMPS, correspondant aux standards actuels des codes de givrage de seconde génération. Les formes de glace sont obtenues en employant en séquence divers modules: un module pour l'aérodynamique, un module pour l'accumulation de goutelettes, un module pour les échanges thermodynamiques de surface et un module pour l'évolution de la structure de glace. L'aérodynamique est identifiée comme étant le module pouvant être amélioré et deux composantes principales ont été implémentées : la prédiction de la transition laminaire turbulente de la couche limite et la modélisation de la rugosité locale de glace. Ces deux phénomènes influent directement le transfert de chaleur convectif permettant le givrage. Les formes de glace obtenues sur des cas analysés dans le tunnel de recherche de givrage NASA Lewis ont été étudiées en considérant les modèles de façon conjointe. Le givrage étant un phénomène disparate et peu reproductible, certains ont examiné l'effet d’un modèle stochastique sur les formes de glace obtenues, en plus des modèles suggérés dans ce travail. Premièrement, l'écoulement aérodynamique est simulé par un solveur des équations moyennées de Reynolds en volumes finis. Les modèles de turbulence utilisés par CHAMPS sont vérifiés et validés, car ils servent de base au développement des nouvelles méthodes précédemment énumérées. Des équations de transport supplémentaires, permettant de prédire la transition laminaire turbulente, sont ensuite ajoutées aux modèles de turbulence actuels. Cela permet d'obtenir une représentation plus physique de la couche limite à la paroi du profil. Cette dernière influence directement le transfert de chaleur convectif qui affecte le gel de la glace. Les équations de transition sont vérifiées en comparant à des valeurs du coefficient local de friction obtenues par tests de soufflerie sur des profils standards. Deuxièmement, différents modèles de rugosité sont introduits i) pour représenter l'état de surface de la glace s'accumulant sur les géométries et ii) pour augmenter le transfert de chaleur convectif sur la surface initiale. Une rugosité uniforme basée sur la hauteur équivalente en grains de sable est d'abord proposée, correspondant à la méthode usuellement utilisée en recherche et en industrie. Elle est ensuite couplée aux équations de transition en employant une équation de transport de rugosité qui déplace le point de transition en amont de l'écoulement selon la hauteur de rugosité. Le transfert de chaleur associé à une hauteur de rugosité est vérifié en comparant à des résultats numériques de codes bien établis. L'effet des modèles sur les formes de glaces obtenues est étudié sur des cas expérimentaux.