Étude par CFD de l'interaction jet-surface dans un banc d'essais servant à modéliser le dégivrage au sol des avions

Résumé

Selon la réglementation en vigueur, les aéronefs doivent voler avec des surfaces portantes exemptes de toute contamination solide. Cette contamination solide peut être du givre, de la glace, une accumulation à la suite de précipitations au sol ou à cause du carburant sous le point de congélation contenu dans les ailes de l’avion. Les jets de propylène glycol dans l’air sont largement utilisés dans le dégivrage au sol pour enlever la glace accumulée sur un aéronef. Les jets impactent les surfaces de l’aéronef, le transfert thermique et la quantité de mouvement enlèvent la glace accumulée. Cette étude examine la quantité de mouvement et le transfert thermique d’un jet liquide turbulent impactant une plaque plane à une temperature sous le point de congélation à l’aide de la CFD. La version 11.06 de STAR-CCM+ est utilisée pour la simulation CFD du dégivrage au sol. Les cas de validation du logiciel sont un jet libre axisymétrique stationnaire d’air impactant une surface plane chauffée à refroidir, le changement de phase d’un bloc de glace en convection naturelle et le cas de jets multiples impactant une surface concave. La géométrie principale de la modélisation CFD du dégivrage est un jet libre incliné sortant d’une buse inclinée par rapport au plan horizontal et le tout contenu dans un bloc rectangulaire. Le maillage est raffiné à l’aide de cellules polyédriques dans la zone de diffusion du jet à la sortie de la buse. Le maillage est aussi raffiné par des cellules rectangulaires dans la zone de stagnation où le film liquide se forme. La loi de paroi, all y+, est appliquée pour modéliser la couche limite sur la surface d’impact du jet. Les courbes de Nusselt local concordent bien avec les autres courbes de résultats expérimentaux trouvés dans la littérature de Lee et al. (1999) et de Fénot et al. (2008). Différents modèles de turbulence ont été comparés et l’Elliptic Blending k-ε est capable de prédire le deuxième pic de transfert de chaleur causé par le jet proche de la paroi. Il est conjecturé que le plus large taux de transfert thermique se situe au point d’impact du jet et le deuxième pic du nombre de Nusselt local se situe proche du point d’impact. L’étude de la quantité de mouvement permet de constater que les maxima de transfert thermique (Nusselt local) au point de stagnation diminuent avec l’augmentation du Reynolds. Le cas du changement de phase d’un bloc de glace en convection naturelle est validé avec les données expérimentales de Virag et al. (2006). Ce travail apporte une contribution en simulant un modèle CFD de jet de dégivrage au sol. Les hypothèses considèrent que l’écoulement d’un jet oblique non-confiné impactant une plaque plane dépend de paramètres géométriques et physiques. Ces paramètres sont le diamètre et la pression de buse, la température du jet, l’angle d’inclinaison et la distance de la buse au point d’impact. Une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence de la variation de ces paramètres sur trois variables. Ces variables sont la vitesse de dégivrage, le coefficient d’épandage du liquide et la profondeur de crevasse créée par l’impact du jet. Les résultats ont été comparés aux expériences de Chakraborty et al. (2009) pour la vitesse du film liquide et celles de Guha et al. (2011) pour le coefficient d’épandage. Ainsi l’approche CFD présentée est en mesure de simuler le dégivrage en 3D en considérant le jet depuis sa sortie de la buse jusqu’à la formation du film liquide sur la surface d’impact. Finalement, l’étude paramétrique permet d’évaluer la sensibilité des résultats numériques aux paramètres géométriques et physiques a été évaluée.

Date	20 déc. 2017
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Morency (Directeur(-trice))