Modélisation des transferts thermiques et massiques sur un film liquide chauffé

Modelling of heat and mass transfer over a heated evaporating liquid film

• Auteur / Autrice : Alessandro Franceschini
• Direction : Emmanuel Radenac, Barbara Re
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE en cotutelle avec Politecnico di Milano
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ONERA/DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Givrage

Evaporation

Modeling

Icing

Evaporation

Résumé

Prédire la croissance de la glace sur les aéronefs est un problème fondamental pour les applications aéronautiques. L'accumulation de glace peut modifier la forme locale des ailes ou des pales et entraîner des pertes de performance aérodynamique. La formation de glace peut également obstruer les prises d'air. Le détachement de blocs de glace en raison des forces aérodynamiques et de traction peut endommager des parties de l'aéronef. Les systèmes de protection thermique contre la glace fournissent de la chaleur à la surface protégée afin d'empêcher l'accumulation de glace ou de faire fondre la couche de glace. Cela peut entraîner la formation d'un film liquide qui peut ruisseler sur la surface protégée. L'une des principales difficultés est d'estimer la quantité de chaleur à fournir par le système de protection pour empêcher que le film ruisselant ne gèle en aval, au-delà de la zone protégée. L'évolution du film, en particulier sa solidification, est régie par un équilibre thermodynamique avec l'environnement extérieur. Dans le cas d'une surface non chauffée, le coefficient de transfert de chaleur est souvent évalué à l'aide d'un solveur de couche limite intégrale. Le taux d'évaporation est ensuite déduit du coefficient de transfert de chaleur en utilisant l'analogie de Chilton-Colburn. Morency et al. [1] ont montré que le calcul du taux d'évaporation à l'aide d'un solveur de couche limite de Prandtl et la réalisation d'un couplage plus fort avec le solveur d'accrétion de glace améliorent considérablement les températures de surface prédites. De plus, Bu et al. [2] ont proposé un algorithme de couplage fort pour le transfert de chaleur entre l'écoulement aérodynamique (en utilisant un solveur RANS) et la conduction de chaleur dans le profil, ce qui entraîne également une amélioration significative des températures de surface prédites. L'objectif de ce projet de doctorat est de proposer une méthodologie numérique robuste pour coupler étroitement les phénomènes de transfert de chaleur et de masse dans la couche limite avec le solveur d'accrétion de glace et le solveur de profilé chauffé. Tout d'abord, la littérature relative aux différentes méthodes de modélisation et de simulation du transfert de chaleur et de masse sur un film liquide chauffé sera examinée. Deuxièmement, une analyse détaillée de la physique du transfert de chaleur et de masse sur un film liquide chauffé et évaporant sera réalisée. L'analyse sera basée sur des simulations RANS à plusieurs espèces. Ces simulations se concentreront uniquement sur la résolution du champ d'écoulement aérodynamique. Le film liquide sera supposé fixe et sa présence sera prise en compte par le biais d'une condition limite d'évaporation spécifique. Les points d'intérêt particuliers seront l'effet de la vitesse de soufflage et le transport de la vapeur dans la couche limite sur le taux d'évaporation. Un résultat attendu important de cette étude sera une meilleure compréhension de ce type d'écoulement. Troisièmement, sur la base de l'analyse précédente, une méthode pour réaliser une simulation couplée avec le solveur d'accrétion de glace et le solveur de conduction de chaleur de l'outil de givrage de l'ONERA sera proposée. Ici, la complexité et le coût computationnel de la simulation de l'écoulement d'air peuvent être réduits grâce à l'utilisation d'un solveur de couche limite intégrale ou de Prandtl interne combiné avec un solveur d'écoulement non visqueux. La méthode sera évaluée en comparant les températures de surface prédites aux données expérimentales et aux résultats de simulation obtenus par Morency et al. et Bu et al.

Predicting ice growth on aircraft is a fundamental problem for aeronautical applications. Ice accumulation can change the local shape of the wings or blades and cause losses in aerodynamic performance. Ice formation can also clog air intakes. The detachment of ice blocks due to aerodynamic and driving forces can damage parts of the aircraft. Thermal ice protection systems provide heat to the protected surface in order to prevent ice build-up or melt the ice layer. This can lead to the formation of a liquid film that can runback over the protected surface. One of the major difficulties is to estimate the amount of heat to be provided by the protection system to prevent the runback film from freezing downstream, beyond the protected area. The evolution of the running film, in particular its refreezing, is governed by a thermodynamic balance with the outer environment. In the case of an unheated surface, the heat transfer coefficient is often evaluated using an integral boundary layer solver. The evaporation rate is then deduced from the heat transfer coefficient using the Chilton-Colburn analogy. Morency et al. [1] showed that computing the evaporation rate using a Prandtl boundary layer solver and performing a stronger coupling with the ice accretion solver significantly improves the predicted surface temperatures. In addition, Bu et al. [2] proposed a tight coupling algorithm for heat transfer between the aerodynamic flow (using a RANS solver) and the heat conduction in the airfoil, also resulting in a significant improvement of the predicted surface temperatures. The goal of this doctoral project is to propose a robust numerical methodology to strongly couple heat and mass transfer phenomena in the boundary layer with the ice accretion solver and the heated airfoil solver. First, the literature relative to different methods to model and simulate heat and mass transfer over a heated liquid film will be reviewed. Second, a detailed analysis of the physics of heat and mass transfer over a heated evaporating liquid film will be performed. The analysis will be based on multispecies RANS simulations. These simulations will focus only on solving the aerodynamic flow field. The liquid film will be assumed fixed and its presence will be taken into account through a specific evaporative boundary condition. Particular points of interest will be the effect of the blowing velocity and the transport of steam in the boundary layer on the evaporation rate. An important expected outcome of this study will be a better understanding of this type of flow. Thirdly, based on the previous analysis, a method for performing a coupled simulation with the ice accretion solver and heat conduction solver of ONERA's icing tool will be proposed. Here the complexity and computational cost of the airflow simulation may be reduced through the use of an in-house integral or Prandtl boundary layer solver combined with an inviscid flow solver. The method will be assessed by comparing the predicted surface temperatures to experimental data and to the simulation results obtained by Morency et al. and Bu et al.