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Simulation numérique de la formation des traînées de condensation dans le champ proche d'un turboréacteur d'avion

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Cantin, Sébastien (2018). Simulation numérique de la formation des traînées de condensation dans le champ proche d'un turboréacteur d'avion. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’impact des traînées de condensation sur le bilan radiatif terrestre est désormais admis dans la communauté scientifique, mais difficilement quantifiable. Dans ce contexte, ce travail de recherche se propose d’étudier la formation des traînées de condensation dans le champ proche d’un turboréacteur d’avion.

La simulation numérique de la dynamique des fluides (CFD) est l’outil utilisé dans cette étude. Les équations instationnaires de Navier-Stokes moyennées de Reynolds (URANS) sont résolues pour la phase gazeuse en régime turbulent et compressible. En effet, une approche eulérienne pour la phase gazeuse composée d’air et de vapeur d’eau est en interaction avec une phase solide composée de particules passives. Le mouvement de ces particules passives représentant des particules de suies issues de la combustion du turboréacteur et des cristaux de glace reposent sur une approche lagrangienne. La croissance des cristaux de glace est calculée grâce au modèle mathématique de Fukuta et Walter programmé à cet effet dans le logiciel commercial STAR-CCM+.

Les résultats portent sur l’influence du by-pass sur les propriétés aérothermodynamiques du jet propulsif et microphysiques des cristaux de glace. L’énergie cinétique turbulente est basse dès les premiers instants du jet propulsif et les cristaux de glace sont formés plus tard avec la configuration by-pass. Cependant, l’énergie cinétique turbulente s’intensifie avec la distance derrière le turboréacteur et la température diminue rapidement sur les bords du jet, là où la turbulence est maximale. Le nombre de cristaux de glace formés ainsi que la taille des cristaux de glace sont plus élevés à la fin du domaine avec le by-pass. Également, des etudes paramétriques ont été menées afin d’évaluer l’influence des paramètres de sortie du turboréacteur (nombre initial et rayon initial de particules, quantité de vapeur d’eau) et atmosphériques (température ambiante, humidité relative ambiante) sur les proprieties microphysiques des cristaux de glace. Par exemple, les résultats de l’étude paramétrique montrent que la température ambiante plus froide de 9K influe de manière importante sur le rayon moyen des cristaux de glace (+160,35 %) et sur le nombre de cristaux de glace formés (+24,54 %).

Titre traduit

Numerical simulation on the formation of contrail ice particle growth in the near field of an aircraft engine

Résumé traduit

The impact of contrails on the radiative budget balance is now admitted in the scientific community, but hardly to quantify. In this context, this research work aims to study the formation of contrails in the near field of an aircraft.

Computational fluids dynamics (CFD) is the tool used in this study. The Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes (URANS) equations are solved for the gaseous phase in the turbulent and compressible regime. Indeed, an Eulerian approach for the gaseous phase composed of air and water vapour is in interaction with the solid phase composed of passive particles. This latter represent soot particles issued from the engine combustion and ice crystals relying on a Lagrangian approach. Ice crystals growth is calculated by the mathematical model of Fukuta and Walter computed in the commercial software STAR-CCM+.

The results show the influence on the bypass flow on aerothermodynamics properties of the plume and microphysics properties of ice crystals. The turbulent kinetic energy is low from the first moment of the plume and ice crystals are formed later with the bypass configuration. However, that the turbulent kinetic energy increase with downstream distance behind the engine and the temperature drop quickly in the edge of the jet, where the turbulence is maximale. The number and size of ice crystals were higher at the end of the computational domain with the bypass flow configuration. Moreover, parametric studies were carry on so as to evaluate the influence of engine exit parameters (initial particles number, initial particles radius, water vapour quantity) and atmospheric (ambient temperature, ambient relative humidity) on the microphysical properties of ice crystals. For example, the results of the parametric study show that a colder ambient temperature of 9K significantly affects the mean ice crystals radius (+160.35 %) and the number of ice crystals formed (+24,54 %).

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 147-159).
Mots-clés libres: traînées de condensation, champ proche, turbulent, compressible, particules, croissance des cristaux de glace, bypass
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Garnier, François
Codirecteur:
Codirecteur
Morency, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 18 avr. 2019 19:15
Dernière modification: 18 avr. 2019 19:15
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2276

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