A contribution to the study of the near-field contrail by using a high-fidelity computational method combined to an advanced microphysical model

Résumé

L’importance accordée à la protection de l’environnement, la croissance attendue du trafic aérien et l’accumulation de preuves sur le forçage radiatif non-CO2 de l’aviation ont fait des traînées de condensation un sujet central dans l’évaluation des impacts climatiques de l’aviation. L’influence climatique des cirrus formés à partir des traînées de condensation d’aéronefs demeure l’un des volets les plus incertains du forçage radiatif anthropique. Des observations et des modèles sont mobilisés pour préciser la façon dont les cristaux de glace se forment dans le sillage proche de l’avion et pour estimer les distributions globales de leurs propriétés microphysiques et optiques. L’effet radiatif des traînées dépend de la taille des cristaux et de la concentration numérique, mais ces deux grandeurs sont difficiles à quantifier en raison des hypothèses sur la dynamique du sillage et des traitements simplifiés de la microphysique de phase glace aux tout premiers stades. L’objectif de cette thèse est de développer et de valider un cadre de modélisation qui simule l’écoulement du jet d’éjection derrière un turboréacteur à double flux réaliste et son entraînement précoce dans le champ de vortex de sillage, tout en intégrant des processus microphysiques couplés en ligne afin de déterminer les propriétés initiales des particules de glace. Les simulations dynamiques sont réalisées avec un code CFD interne (FludiLES) en simulation des grandes échelles (LES), avec une précision spatiale d’ordre 6 et temporelle d’ordre 3. Un jet libre à pression atmosphérique et à nombre de Reynolds réaliste (Re ≈ 106) est calculé et validé par confrontation à des résultats expérimentaux. Pour la microphysique, les particules de suie et les aérosols ambiants sont suivis par une méthode lagrangienne. Un couplage bidirectionnel est appliqué au transfert de masse de vapeur et à l’énergie, tandis que la quantité de mouvement est traitée en sens unique (fluide → particules); la rétroaction particules → fluide sur la quantité de mouvement est négligeable et la rétroaction énergétique est faible. Un jet bi-flux (cœur et flux secondaire) est simulé pour quantifier l’effet du taux de dilution (bypass ratio) en considérant trois moteurs—CFM56-5B3/3, LEAP-1A/33 et une configuration à très haut taux de dilution (UHBR)—à des températures ambiantes de 215, 220 et 225 K. Une comparaison initiale entre un turboréacteur à double flux et un turbojet équivalent a montré que le flux secondaire accélère le mélange et le refroidissement en champ proche du panache cœur, augmentant le rayon moyen des particules jusqu’à 30 %. Sur l’ensemble des moteurs, des taux de dilution plus élevés intensifient davantage le mélange, favorisent l’activation des suies puis leur congélation, et conduisent à des propriétés initiales de traînées moins sensibles à la température ambiante. Le modèle microphysique a ensuite été étendu pour inclure les effets de soluté via le paramètre d’hygroscopicité (κ) et évalué en configurations couplée en ligne et « boîte » hors ligne. Dans des conditions réalistes de croisière pour un LEAP-1A, trois groupes de scénarios sont examinés: (i) κ = 0.0005, 0.005, 0.0142, correspondant à des teneurs équivalentes en soufre du carburant (FSC) de 50, 410 et 1270 ppm; (ii) des indices d’émission en nombre de suie de 1013 à 1015 #/kg de carburant; et (iii) des rayons de noyau de suie de 10 à 30 nm. La diminution de κ de 0.0142 à 0.0005 réduit légèrement le rayon des particules mais accroît la fraction activée d’environ 20 % en raison d’une plus grande disponibilité de vapeur. Abaisser l’indice initial en nombre de suie de 1015 à 1013 particules par kilogramme de carburant augmente le rayon moyen d’environ 0.3 μm à 2.4 μm à 1 s et élève la fraction activée d’environ 66 %. Des noyaux de suie plus gros renforcent l’activation d’environ 20 %, avec des différences de rayon moyen atteignant ~80 % vers 0.4 s puis se resserrant à ~10 % à 1 s. Les LES 3D avec microphysique couplée en ligne s’avèrent indispensables pour l’analyse de sensibilité en champ proche; un modèle 0D en boîte hors ligne surestime l’activation et représente mal la sensibilité à κ. Les simulations sont ensuite prolongées dans la phase de vortex afin de comparer les formulations LES temporelle et spatiale et de quantifier l’influence de la méthodologie numérique sur la microphysique pour des scénarios « suie seule » et « suie + ambiant ». Pour évaluer les effets de l’initialisation, le vortex de sillage est initialisé à partir de la modélisation de la phase jet tj= 0.12 s et tj= 0.5 s. Dans des conditions de croisière représentatives d’un Airbus A320neo motorisé par LEAP-1A, la formulation temporelle présente un mélange plus vigoureux au début et une dissipation scalaire plus rapide dans la phase jet que la formulation spatiale, produisant ~60 % de cristaux de glace activés en plus pour le cas « suie seule » et ~70 % de plus lorsque les aérosols ambiants sont inclus. Pour une initialisation précoce du vortex, les cas initialisés temporellement maintiennent légèrement plus de glace activée, tandis que l’initialisation spatiale engendre des rayons moyens plus grands à temps tardif; ces écarts s’atténuent, en particulier en présence d’aérosols ambiants. Pour une initialisation tardive du vortex, la tendance s’inverse: l’initialisation spatiale donne davantage de glace activée, alors que l’initialisation temporelle conserve le rayon moyen le plus élevé. Dans tous les cas, l’aérosol ambiant augmente le nombre de cristaux de glace tout en limitant la croissance par cristal via la compétition pour la vapeur, ce qui modère la sensibilité à l’initialisation du jet. Globalement, l’entraînement en phase de vortex est relativement insensible au choix de modélisation de la phase jet; en revanche, l’instant de démarrage du vortex demeure déterminant, et les valeurs microphysiques absolues conservent une mémoire mesurable du mélange en champ proche du jet.

Date	21 janv. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Garnier (Directeur(-trice))