A unified model for aircraft icing phenomena and thermal ice protection systems
Un modèle unifié pour les phénomènes de givrage en aéronautique et les systèmes de protection thermiques
Résumé
Icing has been identified as a serious issue since the start of aeronautics. Ice accretion on wings, due to supercooled droplets inside clouds, leads to severe degradation of aerodynamic performances, among other undesirable effects. Therefore, aircraft manufacturers have since a long time developed ice protection systems. As flight tests or wind tunnel experiments are often complicated to implement and expensive, numerical modeling is an effective and complementary tool to design those systems.
This thesis concerns the modeling of ice accretion, runback and thermal ice protection systems. It consists of seven chapters. The first one is dedicated to the presentation of the concerns and the context. Then a three layer approach allowing to model in an unsteady way ice accretion and runback is presented. Following three chapters deal with this model discretization 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 approach and the feasibility of a whole simulation of ice accretion on a heated or unheated surface.
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 surfondues dans les nuages, cause parmi d'autres conséquences néfastes une dégradation des performances aérodynamiques pouvant conduire au décrochage. C'est pourquoi les avionneurs développent depuis longtemps des systèmes de protection. Comme les essais en vols ou en soufflerie sont souvent complexes à mettre en œuvre et onéreux, la simulation numérique est 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, du ruissellement et des systèmes de protection thermique. Elle s'articule en sept chapitres. Après avoir présenté les enjeux et contexte, on introduit une approche tri-couche permettant de modéliser l'accrétion de givre et le ruissellement de manière instationnaire. Les trois chapitres suivants traitent des méthodes de discrétisation de ce modèle ainsi que de son couplage avec un modèle du système de protection thermique. Les deux derniers sont consacrés à la présentation des résultats de simulations numériques montrant l'intérêt de l'approche développée et la faisabilité de simulations complètes de phénomènes d'accrétion de givre sur une paroi chauffée ou non.
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