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.

par Boris Aguilar

Projet de thèse en Dynamique des fluides

Sous la direction de Philippe Villedieu et de Philippe Delpech.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Energétique et Dynamique des Fluides (laboratoire) depuis le 25-01-2018 .


  • Résumé

    La neige dite humide, mouillée ou collante est observée généralement pour des températures proche de la température de fusion de l'eau : cette neige contient de l'eau liquide qui favorise la formation d'agrégats au moment de l'impact avec une surface solide dû au transport de la neige par le vent ou du déplacement d'un véhicule dans une averse de neige. Ce phénomène d'accrétion est également observé pour des conditions de neige, dite sèche, après impact sur des parois chaudes, typiquement dans les entrées d'air d'hélicoptères. Les mécanismes de givrage atmosphérique peuvent occasionner des dommages très divers aux véhicules et aux structures depuis le blocage temporaire de systèmes mobiles, l'obstruction d'entrées d'air, les impacts de blocs compacts entrainés par un mouvement d'air jusqu'à la destruction complète des structures les plus légères (pylônes, antennes, câbles,…). Les processus d'endommagement font, le plus souvent, intervenir soit les surcharges directes induites par les accrétions de glace ou de neige, soit l'augmentation de la prise au vent due à la forme de ces accrétions ou encore les effets dynamiques dus au brusque décrochement des accrétions. Il s'agit aussi d'un des risques auxquels sont confrontés les hélicoptères en cas d'opération en conditions « Falling Snow » ou « Blowing Snow » avec de potentiel problème d'accumulation de neige dans les conduits d'entrée d'air moteur et des risques de perte de puissance moteur voire d'extinction. Ainsi les hélicoptéristes doivent démontrer pour la certification que la machine peut opérer en toute sécurité et sans restriction dans ces conditions. Des travaux précédents (Vigano, 2012 ) ont permis d'aborder la modélisation physique de ces phénomènes d'accrétion dans une soufflerie climatique équipés d'un système de génération de neige artificielle (Soufflerie Jules Verne du CSTB). Ces travaux ont montrés l'impact déterminant du ratio d'eau liquide des particules de neige (LWR : Liquid Water Ratio) sur la formation des accrétions ainsi que la faisabilité d'une étude paramétrique autorisée par la mise au point d'une procédure expérimentale rigoureuse. La modélisation numérique développée parallèlement à l'approche expérimentale, mettait en oeuvre un critère d'angle d'impact à la paroi sur lequel était basée la prise en compte d'une contribution d'une particule à la formation de l'accrétion. Les comparaisons avec les résultats expérimentaux avaient montrés l'insuffisance de ce seul paramètre et avait permis de conclure en la nécessité d'introduire un paramètre liée à la LWR pour définir un critère d'accrétion. En parallèle, des travaux menés par l'ONERA et ses partenaires dans le cadre du projet Européen HAIC (High Altitude Ice Crystals, FP7, 2012-2016) ont permis de développer un ensemble de modèles numériques pour simuler l'accrétion dans les turboréacteurs de cristaux de glace présents dans les nuages de haute altitude. Les phénomènes physiques associés présentant de fortes similitudes avec l'accrétion de neige collante, le savoir acquis et les outils numériques développés dans le cadre de HAIC, ainsi que les travaux sur la neige collante de la thèse de Vigano, fourniront une base de départ solide pour les travaux prévus dans le cadre de la présente thèse. L'étude proposée a pour but d'affiner la compréhension physique ainsi que la modélisation théorique, numérique et expérimentale des phénomènes d'accrétion de particules de neige sur des structures aéronautiques ou de génie civil. Les aspects thermiques et aéromécaniques induits par ce type de givrage seront abordés. Les phénomènes microphysiques associés à l'accrétion des particules de neige seront étudiés d'un point de vue expérimental dans la chambre climatique du CSTB et dans des installations de plus petites dimensions, plus disponibles et moins couteuses: influence de la teneur en eau liquide des particules, de la taille des particules, de la vitesse d'impact, de la géométrie et de l'état de surface des obstacles , de la température de surface, de la nature des matériaux etc. Les vitesses de vent considérées seront de l'ordre de 10 à 30m/s, vitesse maximum que l'installation climatique SC2 du CSTB permet en configuration « neige ». Des vitesses de l'ordre de 80m/s pourraient également être reproduites avec un banc de soufflage additionnel (à concevoir) installé dans l'enceinte climatique. Sur le plan de la modélisation, l'objectif principal de la thèse réside dans la détermination d'un modèle semi-empirique pour la « fonction d'efficacité du collage » en fonction d'un certain nombre de caractéristiques (à déterminer) des particules de neige et de la paroi au moment de l'impact. Sur le plan numérique, le doctorant devra implanter le modèle développé dans les codes de givrage (chaînes IGLOO2D et IGLOO3D) de l'ONERA. Il devra également réaliser des simulations de complexité géométrique croissante afin, dans un premier temps de valider pas à pas le modèle (et éventuellement d'en affiner la calibration) en comparant les résultats aux données expérimentales obtenues, puis dans un second temps de montrer la faisabilité et l'intérêt de calcul d'accrétion de neige dans un conduit d'entrée d'air d'hélicoptère.

  • Titre traduit

    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.


  • Résumé

    So-called wet, wet or sticky snow is generally observed for temperatures close to the melting temperature of water: this snow contains liquid water which promotes the formation of aggregates at the moment of impact with a solid surface snow transport by wind or moving a vehicle in a shower of snow. This accretion phenomenon is also observed for so-called dry snow conditions, after impact on hot walls, typically in the air intakes of helicopters. Atmospheric icing mechanisms can cause a great deal of damage to vehicles and structures from temporary blockage of mobile systems, obstruction of air inlets, impacts of compact blocks caused by air movement to the complete destruction of the lightest structures (pylons, antennas, cables, ...). Damage processes usually involve either direct overloads induced by ice accretion or snow accretion, increased wind setting due to the shape of these accretions or dynamic effects due to sudden detachment of accretions. It is also one of the risks helicopters face when operating in 'Falling Snow' or 'Blowing Snow' conditions with potential snow accumulation problems in the engine air intake ducts and risks of loss of engine power or even extinction. In this way helicopter operators must demonstrate for certification that the machine can operate safely and unreservedly under these conditions. Previous work (Vigano, 2012) allowed to approach the physical modeling of these accretion phenomena in a climatic wind tunnel equipped with an artificial snow generation system (CSTB Jules Verne Wind Tunnel). This work has shown the decisive impact of the liquid water ratio (LWR) on the formation of accretions as well as the feasibility of a parametric study authorized by the development of an experimental procedure. rigorous. Numerical modeling, developed in parallel with the experimental approach, implemented a wall impact angle criterion on which the contribution of a particle to the formation of accretion was based. Comparisons with the experimental results had shown the insufficiency of this single parameter and led to the conclusion that it was necessary to introduce a parameter linked to the LWR to define an accretion criterion. In parallel, work carried out by ONERA and its partners in the framework of the European HAIC project (High Altitude Ice Crystals, FP7, 2012-2016) has led to the development of a set of numerical models to simulate accretion in turbojet engines. Ice crystals present in high altitude clouds. The associated physical phenomena with strong similarities to the accretion of sticky snow, the knowledge acquired and the digital tools developed in the framework of HAIC, as well as the work on the sticky snow of the Vigano thesis, will provide a solid starting point. for the work planned in the context of this thesis. The purpose of the proposed study is to refine physical understanding as well as theoretical, numerical and experimental modeling of snow particle accretion phenomena on aeronautical or civil engineering structures. The thermal and aeromechanical aspects induced by this type of icing will be discussed. The microphysical phenomena associated with the accretion of snow particles will be studied from an experimental point of view in the CSTB climatic chamber and in smaller, more available and less expensive installations: the influence of the liquid water content of Particle size, particle size, impact velocity, geometry and surface condition of obstacles, surface temperature, nature of materials, etc. The wind speeds considered will be of the order of 10 to 30m / s, maximum speed that the CSTB SC2 climatic installation allows in 'snow' configuration. Speeds of the order of 80 m / s could also be reproduced with an additional blast bank (to be designed) installed in the climatic chamber. In terms of modeling, the main objective of the thesis lies in the determination of a semi-empirical model for the 'bonding efficiency function' as a function of a number of characteristics (to be determined) of the particles. of snow and the wall at the moment of impact. On a numerical level, the PhD student will have to implement the model developed in ONERA's icing codes (IGLOO2D and IGLOO3D chains). It will also have to carry out simulations of increasing geometric complexity in order to first validate the model step by step (and possibly to refine the calibra