Méthode intégrale pour la couche limite tridimensionnelle - Applications au givrage - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Integral method for the three-dimensional boundary layer - Icing applications

Méthode intégrale pour la couche limite tridimensionnelle - Applications au givrage

Résumé

Icing has since long been identified as a serious issue in the aeronautical world. Ice accretion occurs when supercooled water droplets impinge on a surface, particularly the leading edge of a wing or an engine inlet, and freeze after the impingement. This can lead to degradation of aerodynamic performances, sensor malfunction or engine damage. This is why this issue is being carefully studied. The lengthy and costly flight and wind tunnel tests have made numerical simulation of ice accretion a necessary tool in the aircraft design and certification process. The present work deals with the 3D numerical modeling of ice accretion, and more particularly the modeling of the dynamic and thermal boundary layers that develop around an iced body. Since numerical tools must be fast and robust, the approach proposed in this thesis for aerodynamic computation is a coupled Euler/integral boundary layer method. Thus, an integral model is developed to represent the development of the dynamic boundary layer. The thermal part is modeled either by a simplified method based on algebraic approaches, or by an integral method. This modeling of the dynamic and thermal boundary layers is valid on smooth or rough walls and provides the friction coefficient and heat exchange coefficient that are necessary for the calculation of ice accretion. The integral boundary layer equations, associated with their closure relations, are then solved by a Finite-Volume method on unstructured surface mesh, that is well suited for complex geometries. In addition, specific numerical treatments are implemented to improve the accuracy of the method in the vicinity of the stagnation point and to make the code robust to separated boundary layers. After validation of the boundary layer method, the code is used in ONERA’s 2D and 3D icing tools for icing applications. This demonstrates the value of the method in terms of robustness and accuracy compared to the boundary layer codes more commonly used in current icing tools.
Depuis de nombreuses années, le givrage a été identifié comme un danger dans le domaine de l’aéronautique. L’accrétion de givre se produit lorsque des gouttelettes d’eau surfondue se déposent sur une surface, en particulier le bord d’attaque d’une aile ou la lèvre d’entrée d’air moteur, et gèlent après l’impact. Ceci peut ensuite engendrer une dégradation des performances aérodynamiques, un dysfonctionnement des sondes ou encore un endommagement du moteur. C’est pourquoi cette problématique est étudiée avec attention. Les essais en vol et en soufflerie étant longs et coûteux, la simulation numérique de l’accrétion de givre est devenue un outil nécessaire dans le processus de conception et de certification des avions. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la modélisation 3D de l’accrétion de givre, et plus particulièrement des couches limites dynamique et thermique qui se développent autour du corps givré. Les outils numériques devant être rapides et robustes, l’approche proposée dans cette thèse pour le calcul aérodynamique est une méthode couplée Euler/couche limite intégrale. Ainsi, un modèle intégral est développé pour représenter le développement de la couche limite dynamique. La partie thermique est modélisée soit par une méthode simplifiée basée sur des approches algébriques, soit par une méthode intégrale. Cette modélisation des couches limites dynamique et thermique est valable sur paroi lisse ou rugueuse et permet de fournir notamment le coefficient de frottement et le coefficient d’échange thermique qui sont nécessaires pour un calcul d’accrétion de givre. Les équations intégrales de couche limite, associées à leurs relations de fermeture, sont ensuite résolues par une méthode Volumes-Finis sur maillage surfacique non structuré, qui est bien adaptée pour les géométries complexes. De plus, des traitements numériques spécifiques sont mis en oeuvre pour améliorer la précision de la méthode au voisinage du point d’arrêt et pour rendre le code robuste au passage du décollement. Après la validation de la méthode de couche limite, le code est utilisé dans les chaînes de givrage 2D et 3D de l’ONERA pour des applications d’accrétion de givre. Ceci permet de montrer l’intérêt de la méthode en termes de robustesse et de précision par rapport aux codes de couche limite habituellement utilisés dans les codes de givrage actuels.
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Dates et versions

tel-01715950 , version 1 (23-02-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01715950 , version 1

Citer

Charlotte Bayeux. Méthode intégrale pour la couche limite tridimensionnelle - Applications au givrage. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. INSTITUT SUPERIEUR DE L'AERONAUTIQUE ET DE L'ESPACE (ISAE); UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01715950⟩

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