Simulation multiphysique du détachement de givre par approche phase field

Multiphysics simulation of ice detachment by phase field approach

• Auteur / Autrice : Erwann Camberlin
• Direction : Eric Paroissien, Lokman Bennani
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides

Mots clés

Mots clés libres

Givrage

Simulation Numérique

Champ de Phase

Fissuration

Thermique

Icing

Numerical Simulation

Phase Field

Fracture

Heat

Résumé

La formation de givre sur les aéronefs est un problème fondamental pour les applications aéronautiques. L'accumulation de glace a de nombreux effets indésirables tel que la perte de performance aérodynamique ou encore l'obstruction des entrées d'air. Les avionneurs ont alors recours à des systèmes de protection contre le givre pour assurer la navigabilité des aéronefs. Dans le contexte de l'avion plus électrique, le système de dégivrage électrothermique est actuellement à l'étude. L'idée de ce système est de laisser dans un premier temps le givre s'accumuler. Par activation cyclique de résistances chauffantes, ce système génère un film liquide à l'interface entre la surface à protéger et le givre. Lorsque l'étendue du film devient suffisante, les sollicitations externes dus aux efforts aérodynamiques mènent au détachement du bloc de givre. Il est donc nécessaire de comprendre ce phénomène pour améliorer le dimensionnement et la conception de ce type de système. Le détachement du givre est un processus multi-physique faisant intervenir l'écoulement aérodynamique, le changement de phase solide/liquide et la rupture du bloc de givre. Ce processus est encore à ce jour mal compris et sa modélisation présente de nombreux défis. Ainsi le premier objectif de cette thèse est de proposer une modélisation de ce phénomène en se basant sur l'approche « phase field » (aussi dite variationnelle) de la fissuration tout en tenant compte de l'interaction fluide/structure par une approche multi-matériaux liquide/solide. Le second objectif sera d'établir une méthode numérique performante et adaptée à la modélisation retenue. Ces développements seront validés à l'aide d'une base de données expérimentale existante et issue de la soufflerie givrante de l'ONERA. Ces travaux devraient permettre un gain en maturité des moyens de simulation des phénomènes de givrage et une meilleure compréhension du phénomène du détachement de givre.

Ice formation on aircraft is a fundamental problem for aeronautical applications. Ice accumulation has many undesirable effects such as loss of aerodynamic performance or obstruction of air intakes. Aircraft manufacturers have therefore resorted to ice protection systems to ensure the airworthiness of aircraft. In the context of the more electric aircraft, the electrothermal de-icing system is currently being studied. The idea of this system is to initially let the ice accumulate. By cyclic activation of heating resistors, this system generates a liquid film at the interface between the surface to be protected and the ice. When the film is sufficiently large, the external stresses due to aerodynamic forces lead to ice shedding. It is therefore necessary to understand this phenomenon to improve the dimensioning and design of this type of system. Ice shedding is a multi-physical process involving aerodynamic flow, solid/liquid phase change and ice block breakup. This process is still poorly understood and its modeling presents many challenges. Thus, the first objective of this thesis is to propose a model of this phenomenon based on the 'phase field' (also called variational) approach to fracture while taking into account the fluid/structure interaction by a multi-material liquid/solid approach. The second objective will be to establish efficient numerical methods adapted to the selected model. These developments will be validated using an existing experimental database from ONERA's icing wind tunnel. These works should allow a gain in maturity of the simulation tools dedicated to icing phenomena and a better understanding of the phenomenon of ice shedding.