Modélisation des transferts thermiques sur paroi givrée par méthode intégrale 3D

par Rémi Harry

Projet de thèse en Dynamique des fluides

Sous la direction de Philippe Villedieu et de Emmanuel Radenac.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés , en partenariat avec ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides (laboratoire) et de ONERA/DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'ONERA développe depuis de nombreuses années des outils permettant aux industriels du secteur aéronautique français (notamment AIRBUS, SAFRAN) de simuler les phénomènes liés au givrage en vol des aéronefs. Une refonte complète des codes de givrage a été entreprise pour répondre aux nouveaux besoins industriels liés au renforcement récent des réglementations internationales sur le givrage. Le coût de calcul est une problématique importante pour les codes de givrage car de nombreux paramétrages sont généralement attendus pour le développement et la certification d'un avion vis-à-vis du givre. Or le givrage est un phénomène fortement multiphysique nécessitant de coupler un module d'aérodynamique (calcul de l'écoulement d'air autour de l'obstacle et des échanges thermiques), un module diphasique (calcul du taux d'impact des gouttelettes d'eau surfondue du nuage) et un module d'accrétion (calcul de la forme du dépôt de givre). L'essentiel du coût de calcul est dû au module aérodynamique. C'est pourquoi un code de couche limite intégrale 3D (couplé à un code fluide parfait) est en cours de développement. La méthode repose classiquement sur le transport d'épaisseurs intégrales de couche limite, associé à des fermetures issues, entre autres, de modèles pour les profils de vitesse et de température dans la couche limite. Cette méthode, résolue par une approche Volumes Finis, permet aujourd'hui de modéliser la dynamique de la couche limite avec précision. Celle-ci est au niveau de la littérature concernant les transferts thermiques et permet de modéliser des systèmes non protégés thermiquement contre le givre. Dans le cadre de cette thèse, la méthode intégrale sera améliorée afin d'étendre les possibilités du code à des systèmes complexes intégrant des protections thermiques de parois. L'enjeu majeur est donc de proposer un nouveau modèle thermique intégral pour étendre la validité de l'approche actuelle aux couches limites chauffées. Le givre constituant une paroi rugueuse, les travaux de modélisation et de développement porteront aussi sur cet aspect. La partie la plus théorique du travail sera effectuée dans le code de calcul de la chaine d'accrétion 2D de l'ONERA, IGLOO2D. Les modèles les plus pertinents seront ensuite implantés dans le code 3D, IGLOO3D. Des validations seront effectuées notamment par comparaison avec des solutions fournies par d'autres codes (Navier Stokes, elsA, ou code de résolution des équations locales de couche limite, 3C3D). Les capacités du code seront finalement évaluées dans les chaînes de givrage 2D et 3D en termes de précision sur la forme de glace produite (comparaisons par rapport à des expériences) et de gains de coût de calcul.

  • Titre traduit

    Modeling heat transfer on an iced wall using a 3D integral method


  • Résumé

    The Onera has been developing for some years useful tools allowing industrial from the French aeronautical branch to simulate phenomenon due to icing in flight of aircraft. A complete remake of icing code was undertaken in order to meet the new expectations of industrial company due to the recent strengthening of international legislation concerning icing. The calculation cost is a major issue for icing calculation codes since many parameters are generally expected for the design and the certification of an airplane concerning icing. However icing is a largely multi-physical phenomena that implies the paring of an aerodynamic module (calculation of the air flow around the obstacle and the heat transfer), a diphasic module (calculation of the impact rate of supercoled water droplets from the cloud) and a accretion module (calculation of he shape of icing). The main part of the calculation time is due to aerodynamic module. This is the reason why a three dimensional integral boundary layer code (paired with a perfect fluid code) is being designed. The method is classically based on the transportation of boundary layer integral thickness, associated with closure coming from models for speed profile and temperature in the boundary layer, among other. This method is solved through a finite volume approach and allows today to model the dynamic of the boundary layer with accuracy. This is at the literature level concerning heat transfer and allows to model thermally unprotected systems against icing. During this PhD project, the integral method will be improved in order to widen the possibilities of the code to complex system integrating wall thermal protections. The major challenge is to propose a new thermal integral model to widen the rightfulness of the current method to heated boundary layers. The ice is a rough surface thus the modeling and developing work will also tackle this aspect. The most theoretical part of the work will be on the calculation code of the 2D accretion chain of Onera, IGLOO2D. The most relevant models will be implemented in the 3D code, IGLOO3D. Then, validations will be conducted by comparing the results between several codes (Navier Stokes, elsA, or resolution of local boundary layer, 3C3D). The capacities of the code will be then evaluated in 2D and 3D chains of icing, concerning accuracy on the shape of ice produced (compared with experience) and also regarding the gain in term of cost of calculation.