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Étude par CFD de l'interaction jet-surface dans un banc d'essais servant à modéliser le dégivrage au sol des avions

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Yakhya, Saleh (2017). Étude par CFD de l'interaction jet-surface dans un banc d'essais servant à modéliser le dégivrage au sol des avions. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Selon la réglementation en vigueur, les aéronefs doivent voler avec des surfaces portantes exemptes de toute contamination solide. Cette contamination solide peut être du givre, de la glace, une accumulation à la suite de précipitations au sol ou à cause du carburant sous le point de congélation contenu dans les ailes de l’avion. Les jets de propylène glycol dans l’air sont largement utilisés dans le dégivrage au sol pour enlever la glace accumulée sur un aéronef. Les jets impactent les surfaces de l’aéronef, le transfert thermique et la quantité de mouvement enlèvent la glace accumulée. Cette étude examine la quantité de mouvement et le transfert thermique d’un jet liquide turbulent impactant une plaque plane à une temperature sous le point de congélation à l’aide de la CFD.

La version 11.06 de STAR-CCM+ est utilisée pour la simulation CFD du dégivrage au sol. Les cas de validation du logiciel sont un jet libre axisymétrique stationnaire d’air impactant une surface plane chauffée à refroidir, le changement de phase d’un bloc de glace en convection naturelle et le cas de jets multiples impactant une surface concave. La géométrie principale de la modélisation CFD du dégivrage est un jet libre incliné sortant d’une buse inclinée par rapport au plan horizontal et le tout contenu dans un bloc rectangulaire. Le maillage est raffiné à l’aide de cellules polyédriques dans la zone de diffusion du jet à la sortie de la buse. Le maillage est aussi raffiné par des cellules rectangulaires dans la zone de stagnation où le film liquide se forme. La loi de paroi, all y+, est appliquée pour modéliser la couche limite sur la surface d’impact du jet.

Les courbes de Nusselt local concordent bien avec les autres courbes de résultats expérimentaux trouvés dans la littérature de Lee et al. (1999) et de Fénot et al. (2008). Différents modèles de turbulence ont été comparés et l’Elliptic Blending k-ε est capable de prédire le deuxième pic de transfert de chaleur causé par le jet proche de la paroi. Il est conjecturé que le plus large taux de transfert thermique se situe au point d’impact du jet et le deuxième pic du nombre de Nusselt local se situe proche du point d’impact. L’étude de la quantité de mouvement permet de constater que les maxima de transfert thermique (Nusselt local) au point de stagnation diminuent avec l’augmentation du Reynolds. Le cas du changement de phase d’un bloc de glace en convection naturelle est validé avec les données expérimentales de Virag et al. (2006). Ce travail apporte une contribution en simulant un modèle CFD de jet de dégivrage au sol.

Les hypothèses considèrent que l’écoulement d’un jet oblique non-confiné impactant une plaque plane dépend de paramètres géométriques et physiques. Ces paramètres sont le diamètre et la pression de buse, la température du jet, l’angle d’inclinaison et la distance de la buse au point d’impact. Une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence de la variation de ces paramètres sur trois variables. Ces variables sont la vitesse de dégivrage, le coefficient d’épandage du liquide et la profondeur de crevasse créée par l’impact du jet. Les résultats ont été comparés aux expériences de Chakraborty et al. (2009) pour la vitesse du film liquide et celles de Guha et al. (2011) pour le coefficient d’épandage. Ainsi l’approche CFD présentée est en mesure de simuler le dégivrage en 3D en considérant le jet depuis sa sortie de la buse jusqu’à la formation du film liquide sur la surface d’impact. Finalement, l’étude paramétrique permet d’évaluer la sensibilité des résultats numériques aux paramètres géométriques et physiques a été évaluée.

Titre traduit

CFD study jet-surface interaction in a bench-test used for modelling aircraft ground deicing

Résumé traduit

According to the regulations, aircrafts are required to fly with lifting surfaces free from any solid contamination. This solid contamination can be frosted contaminants, ice or accumulation due to freezing rain or because of below-freezing fuel in the wing tanks. Propylene glycol jets in air are widely used in the ground de-icing to remove ice accretion on aircraft. The jets impact the aircraft surface and heat transfer and momentum forces remove accreted ice. This study investigates momentum forces and heat transfer created by turbulent liquid jet impinging on a horizontal plate at temperature below freezing point with CFD.

The version 11.06 of STAR-CCM+ is used for CFD ground de-icing simulation. Validation cases are a free axisymmetric steady air jet impinging on a flat heated surface to cool, the phase change of an ice block in natural convection and case of multiple jets impinging on a curved surface. The main geometry of the CFD modelling of de-icing is a free jet coming out of a nozzle, inclined with horizontal plane and all contained in a rectangular block. The mesh is refined with polyhedral cells in the diffusion zone of the jet at the nozzle exit. The mesh is also refined by rectangular cells in the stagnation zone where the liquid film is formed. All y+ wall treatment is applied to model the boundary layer on the jet impinging surface.

Local Nusselt number curves are in agreement with the experimental results, found in the literature, of Lee et al. (1999) and Fénot et al. (2008). Various turbulence models have been compared and Elliptic Blending k-ε is able to predict the second peak of heat transfer due to near wall jet. It is conjectured that the largest heat transfer rate is located at the jet impinging point and the second peak of the local Nusselt number is near the impinging point. The study of momentum forces allows noting that the heat transfer maxima (local Nusselt number) at the stagnation point decrease while increasing Reynolds number. The phase change case of an ice block in natural convection is validated with experimental data of Virag et al. (2006). This work is novel in that it first proposes a CFD model of ground de-icing jet.

The hypotheses are that flow due to impinging oblique unconfined jet on a horizontal plate depends on geometric and physic parameters. These parameters are the nozzle diameter and pressure, the jet temperature, inclination angle and distance to plate (standoff). A parametric study allowed evaluating the influence of the variation of these parameters on three variables. These variables are the de-icing velocity; the liquid spreading coefficient and the groove depth created by the jet impingement. The results were compared with Chakraborty et al. (2009) experience for liquid film velocity and Guha et al. (2011) experience for the spreading coefficient. Thus the CFD approach presented is able to simulate the 3D de-icing regarding the jet from its exit from the nozzle until the formation of the liquid film on the impinging surface. Finally the parametric study evaluated the sensitivity of the numerical results to the geometric and physic parameters.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieures comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 95-95.
Mots-clés libres: Avions Givrage Prévention Modèles mathématiques. Dynamique des fluides numérique. Jets Dynamique des fluides. Surfaces (Technologie) Analyse. Chaleur Transmission. Turbulence. Analyse géométrique. movement, jet, quantité de mouvement, transfert thermique, turbulence, STAR-CCM+
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Morency, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 11 juill. 2018 18:56
Dernière modification: 11 juill. 2018 18:56
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2065

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