Etude expérimentale et modélisation numérique des phénomènes d’accrétion de particules de neige à l’origine de la formation d’accrétions sur des structures aéronautiques ou de génie civil

Experimental study and numerical modeling of accretion phenomena of snow particles at the origin of the formation of accretions on aeronautical structures or civil engineering

• Auteur / Autrice : Boris Aguilar
• Direction : Pierre Trontin, Philippe Delpech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 19/01/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Multi-Physique pour l'Energétique (2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Josserand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Trontin, Philippe Delpech, Alfons Schwarzenböeck, Stephan Bansmer, Fabien Dezitter, Philippe Villedieu, Aurore Naso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alfons Schwarzenböeck, Stephan Bansmer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collage (matériaux)

Avions -- Givrage -- Prévention

Accrétion (astrophysique)

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique

Fonction d'efficacité de collage

Teneur d'eau

Numerical simulation

Liquid water ratio

Bonding efficiency function

Résumé

Pour garantir la sécurité des vols dans des conditions de neige, les constructeurs d'aéronefs doivent démontrer que chaque moteur et son système d'admission d'air peuvent fonctionner sur toute la plage de puissance de vol dans des conditions de neigeuse. Cette étude fait partie d'un effort visant à développer des modèles pour l'accumulation de neige.Pour établir le cadre de départ de ce travail sur la modélisation du givrage de la neige, le chapitre 1 est consacré à une revue de la littérature organisée en trois parties. Dans la première partie, les différents processus de création de neige dans l'atmosphère sont détaillés afin de définir la neige qui sera étudiée ici. Dans une deuxième partie, une revue de la littérature sur la modélisation du givrage des cristaux de glace est réalisée et constitue le point de départ de ce travail du point de vue de la modélisation. Enfin, une troisième partie présente les moyens expérimentaux actuels pour mesurer les conditions de neige et les avantages et inconvénients associés.Dans le chapitre 2, nous étudions les modèles de traînée adaptés au cas des flocons de neige pour calculer les trajectoires des particules. Comme mentionné dans l'état de l'art, les modèles classiques développés pour les particules non-sphériques s'avèrent suffisamment précis pour les cristaux de glace. L'objectif est double. D'une part, il s'agit de vérifier que les modèles valables pour les cristaux de glace le sont également pour les flocons de neige, qui sont en fait des agrégats de particules, beaucoup plus grands et de forme géométrique complexe. D'autre part, les modèles de traînée proposés doivent être compatibles avec le type de données d'entrée. Par exemple, à la fin d'une campagne d'essais en vol, les particules ne peuvent être décrites qu'à l'aide d'images 2D, ce qui est loin d'une description 3D complète et détaillée du flocon de neige. Compte tenu du niveau de précision des données d'entrée utilisées pour décrire la particule, l'objectif de ce chapitre est de proposer des modèles de traînée basés sur une description géométrique simple et limitée des flocons de neige.Le chapitre 3 est l'équivalent du chapitre 2 pour l'adaptation des modèles de transfert de chaleur et de masse aux flocons de neige. Le processus de fusion d'un flocon de neige transporté par un flux d'air chaud est étudié. Une fois de plus, l'exigence est double. D'une part, il s'agit de vérifier si les modèles développés pour les cristaux de glace peuvent être facilement étendus au cas des flocons de neige. D'autre part, proposer des modèles pour lesquels la complexité des données d'entrée est compatible avec le niveau de précision des bases de données. Pour rappel, les descriptions 3D des flocons de neige sont rares et difficiles à obtenir. Dans de nombreux cas, une seule image 2D de la particule issue d'une campagne d'essais en vol est disponible. Dans ce chapitre, l'accent est mis sur la description de la densité apparente de la particule, et en particulier sur son évolution au cours du processus de fusion. En effet, la densité apparente peut varier considérablement, de quelques kg/m3 pour la particule sèche à 997 kg/m3 pour la gouttelette d'eau résultant du processus de fusion.A l'issue des chapitres 2 et 3, des modèles ont été proposés pour la trajectoire des paillettes et pour le suivi du processus de fusion. Il est ainsi possible d'estimer la localisation de l'impact et la quantité d'eau transportée par les flocons. L'étape physique suivante concerne l'accrétion des particules de neige. Les données expérimentales seront utilisées pour valider ou améliorer les modèles d'accrétion des cristaux de glace. A notre connaissance, aucune base de données traitant de l'accrétion de la neige dans des conditions aéronautiques n'a été mise à disposition jusqu'à présent dans la littérature. C'est dans cette optique que ce chapitre traite de la conception et de la réalisation de ces essais d'accrétion de neige.

To ensure safe flight under snowy conditions, aircraft manufacturers must demonstrate that each engine and its air inlet system can operate throughout the flight power range of the engine (including idling) in both falling and blowing snow conditions. This study is part of an effort to develop models for snow accretion.To establish the starting framework of this work on the modeling of snow icing, Chapter 1 is dedicated to a literature review organized in three parts. In the first part, the different processes of snow creation in the atmosphere are detailed in order to define the snow that will be studied here. In a second part, a literature review on the modelling of ice crystals icing is conducted and constitutes the starting point of this work from the modeling point of view. Finally, a third part relates the current experimental means to measure the snow conditions and the associated advantages and disadvantages.In the chapter 2 we study drag models adapted to the case of snowflakes for calculating particle trajectories. As mentioned in the state of the art, the classical models developed for non-spherical particles are proving sufficiently accurate for ice crystals. The aim here is twofold. Firstly, to check that the models valid for ice crystals are still valid for snowflakes, which are in fact aggregates of particles, much larger and of complex geometric shape. Secondly, the drag models proposed must be compatible with the type of input data. For example, at the end of a flight test campaign, particles can only be described using 2D images, a far cry from a complete and detailed 3D description of the snowflake. In light of the level of accuracy of the input data used to describe the particle, the aim of this chapter is to propose drag models based on a simple and limited geometric description of snowflakes.The chapter 3 is the equivalent of Chap. 2 for adapting heat and mass transfer models for snowflakes. The melting process of a snowflake transported by a hot air flow is studied. Once again, the requirement is twofold. Firstly, to check whether the models developed for ice crystals can be easily extended to the case of snowflakes. Secondly, to propose models for which the complexity of the input data is compatible with the level of accuracy of the databases. As a reminder, 3D descriptions of snowflakes are scarce and difficult to obtain. In many cases, a single 2D image of the particle from a flight test campaign is available. In this chapter, particular emphasis is placed on describing the particle's bulk density, and in particular its evolution during the melting process. In fact, bulk density can vary widely, from a few kg/m3 for the dry particle to 997 kg/m3 for the water droplet resulting from the melting process.At the end of the Chapters 2 and 3, models were proposed for the trajectory of the flakes and for monitoring the melting process. It is thus possible to estimate the location of the impact and the amount of water carried by the flakes. The next physical step concerns the accretion of snow particles. Experimental data will be used to validate or improve the ice crystal accretion models. To our knowledge, no database dealing with snow accretion under aeronautical conditions has been made available so far in the literature. It is in this concept that, this chapter deals with the design and the realization of such ''snow'' accretion tests. A first comparison with the numerical simulations of the ONERA icing code IGLOO2D will also be proposed.