Un modèle unifié pour les phénomènes de givrage en aéronautique et les systèmes de protection thermiques

A unified model for aircraft icing phenomena and ice protection system modeling

• Auteur / Autrice : Rémi Chauvin
• Direction : Pierre Trontin, Philippe Villedieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (Toulouse, Haute-Garonne). Département Modèles pour l’Aérodynamique et l’Energétique (DMAE)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Vila
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Héloïse Beaugendre, Fabien Dezitter, Pierre-Henri Maire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Helluy, Christian Ruyer-Quil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode de Galerkin Discontinue

Fonction de Schwarz

Avions -- Givrage -- Prévention

Mots clés libres

Givrage

Film mince

Méthode de Schwarz

Méthode de Galerkin

Couplage thermique

Dégivreur électrothermique

Modélisation

Simulation numérique

Icing

Thin film

Schwarz method

Galerkin method

Thermal coupling

Etips

Modeling

Computational science

Résumé

Le givrage a été identifié comme un danger important dès le début de l'aéronautique.L'accrétion de givre sur les ailes d'avion, due à la présence de gouttelettes surfonduesdans les nuages, cause parmi d'autres conséquences néfastes une dégradation des performancesaérodynamiques pouvant conduire au décrochage. C'est pourquoi les avionneursdéveloppent depuis longtemps des systèmes de protection. Comme les essais en vols ou ensoufflerie sont souvent complexes à mettre en oeuvre et onéreux, la simulation numériqueest devenue un outil efficace et complémentaire pour dimensionner ces systèmes.Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la modélisation de l'accrétion de givre, duruissellement et des systèmes de protection thermique. Elle s'articule en sept chapitres.Après avoir présenté les enjeux et contexte, on introduit une approche tricouche permettantde modéliser l'accrétion de givre et le ruissellement de manière instationnaire. Les troischapitres suivants traitent des méthodes de discrétisation de ce modèle ainsi que de soncouplage avec un modèle du système de protection thermique. Les deux derniers sontconsacrés à la présentation des résultats de simulations numériques montrant l'intérêt del'approche développée et la faisabilité de simulations complètes de phénomènes d'accrétionde givre sur une paroi chauffée ou non.

Icing has been identified as a serious issue since the start of aeronautics. Ice accretion onwings, due to supercooled droplets inside clouds, leads to severe degradation of aerodynamicperformances, among other undesirable effects. Therefore, aircraft manufacturers have sincea long time developed ice protection systems. As flight tests or wind tunnel experimentsare often complicated to implement and expensive, numerical modeling is an effective andcomplementary tool to design those systems. This thesis concerns the modeling of ice accretion, runback and thermal ice protectionsystems. It consists of seven chapters. The first one is dedicated to the presentation of theconcerns and the context. Then a three layer approach allowing to model in an unsteadyway ice accretion and runback is presented. Following three chapters deal with this modeldiscretization as well as a method to couple it with a thermal ice protection system model.Two last chapters are dedicated to numerical simulations showing the sake of the approachand the feasibility of a whole simulation of ice accretion on a heated or unheated surface.