Etude expérimentale de la phase d'initiation de l'accrétion en conditions cristaux

Experimental study of the initial phase of ice crystal accretion

• Auteur / Autrice : Pavlos Stratakos
• Direction : Jean-Mathieu Senoner, David Rival
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...) en cotutelle avec université technique Carolo-Wilhelmina de Brunswick
• 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
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Givrage

Cristaux

Transferts de chaleur

Fragmentation

Dépôt

Icing

Crystals

Heat Transfer

Fragmentation

Deposition

Résumé

En 2019, l'Agence européenne de la sécurité aérienne (EASA) a identifié le givrage en vol comme un problème de premier ordre pour les moyens et longs courriers. Le givrage en vol peut se produire lorsqu'un avion traverse des nuages de gouttelettes surfondues, c'est-à-dire des gouttes d'eau liquide dont la température est inférieure à la température de fusion et qui gèlent au moment de l'impact. Le givrage d'un aéronef peut entraîner une réduction de la visibilité, des dommages dus au détachement de la glace, l'obstruction des sondes, une réduction des performances de vol, une perte de puissance du moteur, etc. Outre les problèmes de sécurité, les phénomènes de givrage en service peuvent entraîner une perturbation importante des opérations aériennes et de la maintenance des aéronefs. Aujourd'hui, la phase initiale d'accrétion de givre en conditions cristaux n'est pas complètement comprise. Dans le cadre du projet européen Horizon MUSIC-haic, la comparaison entre les études expérimentales et les modèles théoriques a révélé des différences significatives dans l'estimation du flux de chaleur résultant de l'impact d'un nuage de cristaux de glace sur un substrat chauffé. Les modèles théoriques existants utilisent le principe de superposition du transfert de chaleur par des impacts individuels pour tenir compte de l'impact d'un nuage de cristaux en soufflerie. En outre, l'un des paramètres clés (le plus empiriques par nature) de la modélisation numérique de l'accrétion de la glace est l'efficacité de collage des cristaux à la paroi. Pour fournir les données manquantes nécessaires à une modélisation précise de l'efficacité de collage, il est indispensable de réaliser des expériences portant sur la phase initiale de l'accrétion de givre. Par conséquent, des études expérimentales détaillées (macro- et microscopiques) de la phase initiale d'accrétion menant à la formation d'une couche de givre, c'est-à-dire l'impact des cristaux de glace sur une surface sèche chauffée, une surface partiellement mouillée et la croissance d'une couche de givre existante, sont non seulement importantes pour améliorer notre compréhension du transfert de chaleur et de la physique du givrage, mais elles permettront également d'étalonner et de valider les modèles théoriques et numériques. Nous planifions de mener ces nouvelles études détaillées dans la soufflerie givrante de l'université de Braunschweig en Allemagne.

In 2019, the European Aviation Safety Agency (EASA) identified in-flight icing as a major problem for medium- and long-haul aircraft. In-flight icing can occur when an aircraft passes through clouds of supercooled droplets, i.e. drops of liquid water whose temperature is below the melting point and which freeze on impact. Aircraft icing can lead to reduced visibility, damage due to ice detachment, obstruction of probes, reduced flight performance, loss of engine power, etc. In addition to safety problems, in-service icing phenomena can cause major disruption to flight operations and aircraft maintenance. Today, the initial phase of ice accretion due to ice crystals is not fully understood. As part of the European Horizon project MUSIC-haic, a comparison between experimental studies and theoretical models revealed significant differences in the estimated heat flux resulting from the impact of a cloud of ice crystals on a heated substrate. Existing theoretical models use the principle of superposition of heat transfer by individual impacts to account for the impact of a cloud of crystals in a wind tunnel. In addition, one of the key parameters (the most empirical in nature) in numerical modeling of ice accretion is the sticking efficiency of crystals to the wall. To provide the missing data needed for accurate modeling of the sticking efficiency, it is essential to perform further experiments on the initial phase of frost accretion. Therefore, detailed experimental studies (macro- and microscopic) of the initial accretion phase leading to the formation of a frost layer, i.e. the impact of ice crystals on a heated dry surface, a partially wetted surface and the growth of an existing frost layer, are not only important to improve our understanding of heat transfer and the physics of icing, but will also help to calibrate and validate theoretical and numerical models. We plan to carry out these new detailed studies in the icing wind tunnel at the University of Braunschweig in Germany.