Ice Interface Evolution Modelling Algorithms for Aircraft Icing

Le givrage des aéronefs est un phénomène qui nuit à la sécurité des vols depuis le début de l'aviation et qui n'est toujours pas bien compris. Ainsi, des réglementations ont été définies pour identifier les conditions de givrage contre lesquelles les avions doivent être protégés, mais les conditions les plus critiques n'ont été ajoutées que récemment dans la réglementation après des accidents majeurs. Ces conditions critiques incluent l'accumulation de verglas sur les ailes en flèche et l'agglomération de cristaux de glace, ce qui est particulièrement problématique pour les moteurs. Ces domaines font l'objet de recherches expérimentales, mais le développement de modèles et d'outils appropriés pour simuler ces conditions numériquement est également important. Ces simulations comprennent plusieurs modules exécutés de façon séquentielle pour modéliser l'écoulement aérodynamique, les phases dispersées (gouttelettes et cristaux), les échanges thermodynamiques de surface et l'évolution de la géométrie. Ce dernier point est moins étudié dans la littérature que les autres et dépend i) d'une représentation géométrique et ii) d'une méthode permettant de faire évoluer le front de glace. L'objectif principal de ce travail est de fournir un ensemble approprié de méthodes pour simuler l'accrétion de glace avec un logiciel multicouche automatisé. Dans ce contexte, le module d'évolution de la géométrie est identifié comme étant la partie faible devant être améliorée. Les développements sont réalisés en deux dimensions dans le logiciel maison NSCODE-ICE, mais les méthodes étudiées sont considérées pour une future extension en trois dimensions. De ce fait, la robustesse des méthodes est de la plus haute importance, en particulier lors de la phase de transition entre deux couches de glace. La méthode d'évolution de la géométrie développée devrait être capable de gérer la fusion des fronts de glace tout en conservant la masse de glace. L'accumulation de glace étant par nature chaotique, il serait également intéressant d'étudier l'impact d'un modèle stochastique sur les résultats. Premièrement, les différents composants d'un logiciel d'accrétion de glace sont détaillés pour établir la base du logiciel de givrage multicouche utilisé dans cette étude. L'écoulement aérodynamique est simulé avec un solveur RANS structuré et les trajectoires des gouttelettes sont modélisées avec une formulation eulérienne sur la même grille. Les échanges thermodynamiques en surface et les eaux de ruissellement sont modélisées avec un modèle de Messinger itératif. Une évolution algébrique standard de la géométrie fait partie de NSCODE-ICE et est utilisée comme point de comparaison pour les autres méthodes de cette étude.