Simulation du givrage sur ailes en flèche par méthodes RANS/Eulérienne quasi stationnaires

Les simulations numériques prennent de plus en plus de place dans les processus de conception et de certification en ingénierie, il en va de même dans le domaine de l'aéronautique. Les programmes utilisés par l'industrie aéronautique permettent maintenant de simuler très précisément les phénomènes physiques reliés aux avions, grâce à un développement constant de la technologie. Cependant, certains domaines moins connus stagnent; c'est le cas des simulations de givrage en vol sur les avions. Afin d'évaluer quantitativement l'accumulation de la glace sur un avion selon différents paramètres atmosphériques, un programme de givrage nécessite la résolution de plusieurs phénomènes physiques, l'écoulement de l'air, l'écoulement des gouttelettes d'eau dans l'air, les échanges thermodynamiques sur la surface recevant des gouttelettes et la production de la nouvelle surface. Un manque de précision dans un seul de ces modules compromet le résultat final. Or, les logiciels utilisés par l'industrie sont composés de technologie basse fidélité. Ces logiciels, développés dans les années 90 n'ont pas été améliorés par l'ajout de nouvelles technologies de haute fidélité depuis l'an 2000. La raison est simplement que l'implémentation de ces nouvelles technologies est parfois complexe et risquée d'un point de vue financier. Pourtant, l'augmentation des contraintes en givrage imposées par les autorités de certification rend ce changement nécessaire. C'est pourquoi Bombardier Aéronautique s'intéresse au développement d'un nouveau programme de givrage porté au niveau de l'état de l'art dans le domaine. Une collaboration a donc été établie avec Polytechnique Montréal, sous la supervision du professeur Éric Laurendeau, afin que les meilleures techniques soient implémentées et validées en milieu universitaire où les risques sont moindres. Le projet comporte deux objectifs principaux: d'abord, créer un programme bidimensionnel d'accrétion de glace en vol robuste, efficace et automatique, et ensuite, ajouter un modèle simulant en partie les effets tridimensionnels du givrage plus rapidement qu'une simulation tridimensionnelle complète. Dans la première partie du projet, les différents modules requis pour la simulation du givrage ont été développés. Une hiérarchie claire a été définie afin d'intégrer les modules déjà existants au sein du groupe de recherche: le mailleur NSGRID, le solveur Navier-Stokes NSCODE et le préprocesseur chimère. Le premier permet de générer les maillages requis à toutes les itérations du processus de givrage. Le second résout l'écoulement de l'air autour du profil simulé. Le dernier gère la superposition de grilles, ce qui diminue les contraintes sur les maillages, en augmentant ainsi la qualité, et permet la simulation de profils composés de plusieurs éléments. Les modules créés au sein du projet sont donc le solveur du champ de gouttelettes, le modèle thermodynamique et l'algorithme d'évolution de la géométrie. Trois schémas de solveur ont été implémentés pour résoudre les équations Eulériennes du champ de gouttelettes: un schéma explicite Runge-Kutta, un schéma semi-implicite Runge-Kutta et un schéma implicite d'Euler. Chaque fois, le manque d'efficacité et de robustesse nécessitait l'application d'un nouveau schéma. Il est apparu que le schéma d'Euler implicite est le plus efficace et qu'il est très robuste lorsque les équations sont résolues de façon découplées. C'est donc ce schéma qui a été utilisé pour obtenir tous les résultats.

Abstract

Numerical simulations are becoming increasingly used by engineers in the design and certification processes, especially in aeronautics where flight tests are so expensive. The numerical tools used by the industry are continuously improved in order to simulate and analyse almost every physical behaviors of airplanes. This technology development was not done in all domains though, which is the case of inflight ice accretion softwares. These comprise many modules solving different physical phenomena in order to obtain ice accretion shapes on the airplanes in various atmospheric conditions. These modules are an airflow solver, a droplet flow solver, a thermodynamic solver and a geometry evolution algorithm. If any of these presents a lack of precision, the final results can be wrong and the whole process is jeopardized. Even then, the softwares used by the industry are based on low fidelity technology in each modules. In fact, these softwares were developed in the early 90's and were not improved with the new techniques developed since year 2000. These techniques are simply too complex to implement, which is risky for a company. Nevertheless, as the certification authorities are increasing the icing constraints on the industry, a massive change is required in these icing simulation tools. This is why Bombardier Aeronautic showed interest in the development of a new state-of-the-art icing simulation software. A collaborative project was then started with Polytechnique Montreal, under the supervision of prof. Éric Laurendeau, in order to implement and validate the best techniques in icing while in academia, where risks are low. The project consists of two main objectives. First, a two-dimensional inflight ice accretion software needs to be developed with robustness, efficiency and automation as its main characteristics. Then, some three-dimensional icing should be simulated with a proper numerical model added to the two-dimensional software, without requiring the same CPU resources as a full three-dimensional icing software. In the first part, the modules required for icing simulation were developed. A framework was defined in order to integrate the modules already existing, which were developed in the research group. These are the mesher, NSGRID, the airflow solver, NSCODE, and the chimera preprocessor. The first is used to generate the meshes required at each ice accretion timestep. The second solves the airflow around the simulated geometry. The later enables the use of overset grids, which leads to high quality grids and the simulation of multi-element wings. The modules developed in this project are then the droplets flow solver, the thermodynamic module and the geometry evolution algorithm. Three solver schemes were implemented in order to solve the droplets flow using the Eulerian equations system : an explicit Runge-Kutta scheme, a point-implicit Runge-Kutta scheme and an Euler implicit scheme. The first two solvers were not efficient enough and presented a lack of robustness which leaded to the implementation of a new scheme. The Euler implicit scheme appeared to be very efficient and robust when using a decoupled approach to solve the equations. Therefore this scheme was chosen over the two others for producing results.