Modélisation, contrôle et surveillance des systèmes de dégivrage hybrides thermo-piézoélectriques

Modelling, control and monitoring of hybrid thermalpiezoelectric de-icing systems

• Auteur / Autrice : Yohan Sabathé
• Direction : Marc Budinger, Valérie Pommier-budinger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MS2M - Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques
• 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

Vibration

Piézoélectrique

Résonance

Modélisation

Thermique

Controle

Vibration

Piezoelectrique

Resonance

Modeling

Thermique

Control

Résumé

Le givrage se produit lorsqu'un avion traverse des nuages contenant des gouttelettes surfondues alors que la température de l'air ambiant est inférieure au point de gèle. Lorsque les gouttelettes touchent l'avion, elles gèlent et provoquent une accumulation de glace qui peut rapidement entraîner une baisse des performances aérodynamiques (bord d'aile) ou constituer un risque (ingestion du moteur lorsque l'accumulation se détache). Pour prévenir ces risques, des systèmes de dégivrage sont mis en place pour protéger les zones/systèmes critiques. S'ils sont principalement basés sur des technologies de dégivrage thermique (air chaud prélevé sur les moteurs ou tapis électrothermiques), la tendance vers des systèmes de propulsion sans purge ou électriques signifie que le dégivrage doit être repensé avec d'autres sources d'énergie et une consommation de puissance et d'énergie plus faible. L'une des solutions étudiées par l'ISAE SUPAERO et le laboratoire de l'ICA consiste en des systèmes électromécaniques résonnants qui peuvent être couplés à un revêtement glaciophobe ou à des solutions électrothermiques. Le principe de ces systèmes est d'appliquer des vibrations sur la structure qui créent des contraintes supérieures à celles nécessaires pour provoquer des fissures et une délamination afin d'éliminer la glace accumulée sur la structure. Jusqu'à présent, différentes études ont été menées numériquement et expérimentalement pour comprendre les mécanismes conduisant à la propagation des fissures dans la glace. Pour favoriser les mécanismes de fissuration les plus efficaces et améliorer la surface totale protégée, les formes modales des modes de vibration doivent respecter ou maximiser les critères de dégivrage grâce à l'optimisation topologique. Les systèmes de dégivrage électromécaniques peuvent également bénéficier des effets thermiques, soit pour diviser les gros blocs de glace en blocs plus petits, soit pour diminuer la force d'adhérence de la glace. Par ailleurs, pour des raisons d'intégration aérodynamique ou mécanique, certaines zones doivent conserver une protection thermique contre le givre. Les systèmes de dégivrage peuvent donc nécessiter des technologies hybrides. Enfin, contrairement aux systèmes d'antigivrage, qui sont activés en continu lorsque des zones de givre sont traversées, un système de dégivrage est activé sur des périodes potentiellement très courtes. Les avantages de ce mode de fonctionnement résident dans la réduction de la consommation moyenne et dans la possibilité de fractionner l'alimentation électrique afin de la partager entre plusieurs modules, réduisant ainsi le poids de l'électronique embarquée. Pour obtenir ces avantages, des fonctions supplémentaires doivent être développées : - La surveillance de l'épaisseur de la glace ou un indicateur permettant d'activer le système au bon moment. Si la couche de glace est trop fine, le système perd de son efficacité. Si le dépôt de glace est trop épais, le dégivrage peut nécessiter une force d'activation élevée. - Contrôle de la fréquence de résonance pour s'assurer que le mode de résonance peut être excité efficacement et que l'amplification peut être utilisée pour poursuivre le mécanisme de rupture. Cette fréquence peut varier en fonction de l'épaisseur du dépôt, du type de glace et du type de fracture (cohésive ou adhésive). La thèse sera donc divisée en deux parties. Partie 1 : Modélisation - Modéliser un modèle dynamique de système de dégivrage piézoélectrique hybride thermique-résonant, en tenant compte des vibrations induites par les actionneurs piézoélectriques, de l'échauffement dû aux bandes thermiques et des pertes thermiques dans les actionneurs piézoélectriques. - Mesurer la force d'adhésion de la glace et la résistance à la rupture à différentes températures. - Évaluer les mécanismes de rupture de la glace sur des prototypes d'essai hybrides thermiques-piézoélectriques.

Icing occurs when an aircraft flies through clouds containing supercooled droplets while the ambient air temperature is below the freezing point. When the droplets impinge on the aircraft, they freeze and cause ice accretion and may quickly lead to a drop of aerodynamic performances (wing edge) or constitute risk hazard (engine ingestion when accretion detach). To prevent these risks, de-icing systems are implemented to protect critical areas/systems. If they are mostly based on thermal deicing technologies (hot air taken from the engines or electrothermal mats), the trend toward bleedless or electric propulsion system means that de-icing should be redesigned with other energy sources and lower power and energy consumption. One of the solutions under investigation at ISAE SUPAERO and ICA laboratory is electromechanical resonant systems that can be coupled to icephobic coating or electro-thermal solutions. The principle of these systems is to apply vibrations onto the structure that create high-level stresses greater than those required to bring about cracks and delamination to remove the ice accumulated on the structure. So far different studies have been carried out numerically and experimentally to understand the mechanisms leading to ice crack propagation. To favour most efficient crack mechanisms and improve total protected area, modal forms of vibration modes have to respect or maximize deicing criteria through topological optimisation. Electromechanical de-icing systems can also be benefit from thermal effects, either to split large ice blocks in smaller blocks, or decrease the ice adhesion strength. Also, for aerodynamic or mechanical integration reasons, certain areas must maintain thermal anti-icing or de-icing protection. De-icing ice protection systems may therefore require hybrid technologies. Finally, unlike anti-icing systems, which are activated continuously when icing zones are crossed, a deicing system is activated over potentially very short periods of time. The benefits of this operating mode lie in the reduction in average consumption and in the possibility of splitting the power supply so that it can be shared by several modules, thereby reducing the weight of the on-board electronics. To achieve these benefits, additional functions have to be developed: - Monitoring of ice thickness or an indicator enabling the system to be activated at the right time. If the ice deposit is too thin, the system loses its effectiveness. If the ice deposit is too thick, deicing may require a high activation force. - Control of the resonance frequency to ensure that the resonance mode can be effectively excited and the amplification used to continue the fracture mechanism. This frequency can change with the thickness of the deposit, the type of ice and the type of fracture (cohesive or adhesive). The thesis will be divided into two parts. Part 1: Modelling - Synthetize a dynamic model of a hybrid thermal-resonant piezoelectric de-icing system, considering vibrations induced by the piezoelectric actuators, heating from thermal strips, and thermal losses in the piezoelectric actuators. - Measure the ice adhesion strength and fracture toughness at various temperatures. - Evaluate the ice fracture mechanisms on hybrid thermal-piezoelectric test prototypes. - Validate experimentally the ice fracture mechanisms for hybrid thermal-piezoelectric test prototypes in an icing wind tunnel. Part 2: Control and monitoring - Synthetize control and monitoring algorithms based on sensor data fusion and Kalman filters. - Validate the algorithms in an icing wind tunnel performing experiments with different ice accretions