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Présentation
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RÉSUMÉ
Dans l'aéronautique, hormis les facteurs humains, le givrage reste encore à ce jour la première cause d 'accident. Des gouttelettes d'eau surfondues, abritées par certains nuages, viennent heurter la structure de l'aéronef, y givrent en masse, formant rapidement de la glace en grande quantité. Ce phénomène modifie de manière conséquente le profil aérodynamique, et peut conduire jusqu'à l'arrêt des moteurs pertubés par cette glace "avalée". Le recours à la simulation numérique permet d'optimiser les systèmes de protection, qui par effet thermique ou mécanique limitent la quantité de glace se déposant. Les essais en soufflerie gibrante viennent compléter cette approche.
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Didier GUFFOND : Chargé de mission « Givrage des aéronefs » - Centre français de recherche aérospatiale (ONERA), France
INTRODUCTION
Identifié comme risque majeur dès le début de l'aéronautique, le givrage reste à ce jour la première cause d'accident hors facteurs humains.
Le givrage résulte de la captation et de la congélation plus ou moins rapide de gouttelettes d'eau surfondues (liquides à une température négative) présentes dans certains nuages traversés par les aéronefs. Les gouttelettes d'eau heurtent la partie frontale des différentes structures de l'appareil, rompant l'état instable de surfusion et conduisant à la formation de glace. En absence de protection, cette accumulation de glace peut provoquer, d'une part, des modifications très importantes des profils aérodynamiques des voilures, et d'autre part, des extinctions des moteurs dues à l'ingestion de glace se détachant des entrées d'air. Des systèmes de protection existent, permettant par des actions mécaniques ou thermiques de limiter la quantité de glace se déposant sur l'aéronef.
Pour étudier ce phénomène, optimiser les systèmes de protection et vérifier leur efficacité dans tout le domaine de vol, tout en limitant le nombre d'essais en vol, deux moyens complémentaires sont utilisés : la simulation numérique et les essais en soufflerie givrante. Pour les simulations numériques, le présent document analyse les différents modèles et donne le détail des termes négligés. Pour les essais en soufflerie, la dimension de la maquette ne permet généralement pas de travailler à échelle 1 et il est nécessaire d'utiliser une maquette à échelle réduite. L'approche classique par analyse dimensionnelle ne permet pas dans le cas du givrage de définir des lois de similitude exactes, raison pour laquelle des règles de similitude approchées ont été définies.
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Modélisation de l'antigivrage par air chaud ou électrique
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2. Modélisation du givrage : codes de calcul des formes de glace
Les modélisations sont réalisées en utilisant successivement quatre codes de calcul :
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le premier détermine le champ aérodynamique autour du profil ;
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à partir de ce champ, le deuxième calcule les trajectoires des gouttes d'eau en considérant que celles-ci ne subissent que les forces de traînée dues à la différence de vitesse entre les gouttes et l'air qui les environne. Ce calcul permet d'obtenir les trajectoires tangentes sur l'intrados et l'extrados ce qui donne la zone où la glace peut se déposer et permet donc le dimensionnement du système de protection. L'intensité locale de la captation sur le profil est obtenue en écrivant la conservation du flux des gouttelettes dans un tube défini par deux trajectoires voisines ;
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le troisième code utilisé donne la valeur du coefficient d'échange thermique à l'aide d'un calcul de couche limite prenant en compte la rugosité de la paroi due à la présence de glace ;
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le quatrième effectue un bilan thermodynamique à la paroi. Ce bilan permet de déterminer localement, à partir du point d'arrêt, successivement sur l'intrados et sur l'extrados, le taux de croissance de glace. Quand le dépôt calculé est suffisamment important pour perturber l'écoulement, un nouveau calcul complet est effectué. Une méthode a été proposée par l'ONERA de type prédicteur/correcteur : une première estimation de la forme est réalisée en un seul pas de temps. Les paramètres utilisés (coefficients de captation et d'échange convectif sont calculés sur cette forme estimée et le bilan thermodynamique est réalisé en faisant varier linéairement ces coefficients au cours du temps).
Cette méthode n'a pas l'inconvénient des méthodes itératives, dont le résultat dépend souvent de leur fréquence de rebouclage.
2.1 Champ aérodynamique
Il n'y a aucune spécificité requise pour la méthode à utiliser pour calculer l'écoulement. La seule contrainte est que le code puisse donner les caractéristiques aérodynamiques locales en tout point de l'espace.
HAUT DE PAGE2.2 Trajectoire des gouttes
Les forces dues aux différences de vitesse entre...
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Modélisation du givrage : codes de calcul des formes de glace
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LANGMUIR (I.), BOLDGETT (K.A.) - Mathematical investigation of water droplet trajectories. - Army Air Forces Technical Report, no 5418, fev. 1946.
-
(2) - MAKKONEN (L.J.) - Heat transfer and icing of a rough cylinder. - Journal of cold region science and technology, 10, p. 105-116 (1985).
-
(3) - MESSINGER (B.L.) - Equilibrium temperature of unheated icing surface as a function of airspeed. - Journal of Aeronautical SC, vol. 20-21, p. 29 (1953).
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(4) - WRIGHT (W.B.), POTAPCZUK (M.G.) - Semi empirical modelling of sld physics. - Proc 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, janv. 2004.
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(5) - IULIANO (E.), MINGIONE (G.), PETRSITO (F.), HERVY (F.) - Eulerian modelling of SLD physics towards more realistic aircraft icing simulation. - AIAA 2010-7676.
-
(6) - HONSEK (R.), HABASHI...
ANNEXES
AC-9C Aircraft Icing Technology Committee organise deux réunions par an (Spring et Fall meetings) http://www.sae.org/events/icing/specialevents.htm
Congrès organisé annuellement par l'AIAA. AIAA Aviation and Aeronautics Forum and Exposition https://www.aiaa.org/aviation
HAUT DE PAGE
BEA http://www.bea.aero/index.php
NTSB http://www.ntsb.org
ONERA http://www.onera.fr/
CIRA (Centro Italiano Di Ricerche Aerospaziali) http://www.cira.it/en
NASA Glenn Research Center http://www.nasa.gov/centers/glenn/home/#.UukZ-oaFfh5 http://facilities.grc.nasa.gov/irt/
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