Modélisation et développement de diagnostics optiques pour la caractérisation de gouttes surfondues en écoulement ou en interaction avec un substrat sous-refroidi

Modelling and development of optical diagnostics for the characterization of supercooled droplets flying or interacting with a subcooled substrate

• Auteur / Autrice : Mehdi Stiti
• Direction : Fabrice Lemoine, Alexandre Labergue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 10/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Josserand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Lemoine, Cameron Tropea, Anne-Laure Biance, Frédéric Grisch, Rosaria Vetrano, Claire Laurent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cameron Tropea, Anne-Laure Biance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais (technologie)

Avions -- Givrage -- Prévention

Changement d'état (physique)

Solidification

Gouttes

Fluorescence induite par laser

Mots clés libres

Fluorescence induite par laser

Solidification

Impact

Expérimental

Laser Induced Fluorescence

Solidification

Impact

Experimental

Résumé

Les phénomènes de givrage qui se produisent sur les aéronefs en vol peuvent constituer un danger majeur dans l’aéronautique. Les principaux problèmes de sécurité qui en résultent sont une visibilité réduite, un blocage des tubes de Pitot et une réduction des performances aérodynamiques. Dans ce contexte, les aéronefs doivent être certifiés pour différentes conditions de givrage susceptibles d’être rencontrées, notamment en lien avec la présence de gouttes surfondues de diamètres supérieurs à 50 µm dans l’atmosphère. Les étapes de certification sont réalisées à l’aide d’essais normatifs en soufflerie givrantes permettant de recréer des conditions aéronautiques givrantes proche de celles rencontrées en vol. Les objectifs des travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la mise en œuvre d’une nouvelle technique optique basée sur la Fluorescence Induite par Laser (LIF) pour la caractérisation de gouttes surfondues : température, détection de leurs états (i.e. liquide, solide ou mixte), caractérisation des gouttes en phase mixte et dynamique du front de solidification dans une goutte impactant un substrat sous-refroidi. Une première technique de LIF, mettant en jeux deux traceurs fluorescents et trois bandes spectrales de détection, permet de mesurer ponctuellement la température de gouttes surfondues en écoulement ainsi qu’estimer la fraction de glace contenue dans une population de gouttes en écoulement. Des mesures réalisées dans des conditions voisines de celles rencontrées en aéronautiques ont été réalisées dans une soufflerie givrante de la DGA Essais-Propulseurs et ont montré la difficulté de reproduire des conditions aéronautiques givrantes réelles (gouttes à l’équilibre thermique avec la phase porteuse). Une seconde technique basée sur l’Imagerie rapide de fluorescence induite par laser (PLIF) a été développée pour l’étude de la solidification d’une goutte impactant un substrat sous-refroidi. Cette nouvelle méthode de PLIF permet d’accéder, pour la première fois, à la dynamique et la morphologie du front de solidification à l’intérieur de la goutte. L’étude a porté sur des impacts de gouttes sur un substrat sec et sur un substrat recouvert d’une couche de glace. Le deuxième cas permet de s’affranchir du phénomène de surfusion de l’eau et donc du caractère aléatoire du déclenchement de la solidification. Les mesures ont montré que l’évolution du front de solidification et les caractéristiques de la pointe formée par la goutte en fin de solidification étaient dépendantes de la nature du substrat (conductivité thermique) et de l’angle de contact goutte/substrat.

Icing phenomena that occur on aircraft in flight can be a major hazard in aeronautics. The main resulting safety problems are reduced visibility, pitot tube blockage and reduced aerodynamic performance. In this context, aircraft must be certified for various icing conditions likely to be encountered, particularly in relation to the presence of supercooled droplets with diameters greater than 50 µm in the atmosphere. The certification stages are carried out using standardised icing wind tunnel tests that make it possible to recreate aeronautical icing conditions close to those encountered in flight. The objectives of the work presented in this manuscript concern the implementation of a new optical technique based on Laser-Induced Fluorescence (LIF) for the characterization of supercooled droplets: temperature, detection of their states (i.e. liquid, solid or mixed), characterization of drops in mixed phase and dynamic of the solidification front in a droplet impacting a subcooled substrate. A first LIF technique, using two fluorescent tracers and three spectral bands of detection, allows to measure the temperature of supercooled droplets in flow as well as to estimate the fraction of ice contained in a population of droplets in flow. Measurements carried out in conditions similar to those encountered in aeronautics were performed in an icing wind tunnel of the DGA Essais-Propulseurs and showed the difficulty of reproducing real aeronautical icing conditions (droplets in thermal equilibrium with the carrier phase). A second technique based on Laser Induced Fluorescence Fast Imaging (PLIF) was developed to study the solidification of a droplet impacting a subcooled substrate. This new PLIF method provides, for the first time, access to the dynamics and morphology of the solidification front inside the droplet.The study focused on droplet impacts on a dry substrate and on a substrate covered with an ice layer. The second case allows to get rid of the phenomenon of water supercooling and thus of the random character of the solidification triggering. The measurements showed that the evolution of the solidification front and the characteristics of the tip formed by the droplet at the end of solidification were dependent on the nature of the substrate (thermal conductivity) and the angle of contact between the droplet and the substrate.