Simulation numérique des grandes échelles d’un jet propulsif en sortie de moteur d’avion avec modélisation microphysique des particules de glace

Razanamparany, Sitraka (2021). Simulation numérique des grandes échelles d’un jet propulsif en sortie de moteur d’avion avec modélisation microphysique des particules de glace. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’importance mondiale accordée aux problèmes environnementaux et la perspective d’une croissance future du trafic aérien ont conduit la plupart des pays développés à lancer d’importants programmes de recherche de l’impact de l’aviation sur l’environnement. Le premier concerne l’impact sur le réchauffement climatique. Ce dernier a été suivi par la mise en place de mesures réglementaires réduisant essentiellement la pollution locale. Plus récemment, la pollution en altitude est devenue un sujet de recherche majeur. Ce dernier impact a été étudié par certains auteurs commePaoli & Garnier (2005b) ; cette étude a montré que le processus de formation des trainées de condensation est principalement contrôlé par l’entrainement du jet, le vortex et la diffusion turbulente du jet. De plus, dans les études sur l’impact de l’aviation sur le changement climatique, l’impact des trainées de condensation est celui qui représente le plus d’incertitudes. Dans ce contexte, cette thèse vise à mieux comprendre les phénomènes microphysiques dans le panache de l’avion, ces derniers conditionnant les propriétés des cirrus induits.

L’objectif principal de la thèse est d’approfondir la compréhension de la formation et de la croissance des particules de glace en utilisant et modifiant un code de CFD de haute précision avec un modèle microphysique intégré afin de pouvoir modéliser la formation d’une traînée de condensation en altitude de vol.

La simulation des grandes échelles d’un jet turbulent a été largement étudiée au cours de la dernière décennie. Les conditions de non-réflexion ont été utilisées comme conditions aux limites pour les jets libres dans la grande majorité des cas. Le modèle dynamique de Smagorinsky (DSM) donne de bons résultats à faible nombre de Mach (0,2) et faible nombre de Reynolds. Dans notre travail, les simulations ont été effectuées à l’aide du code FLUDILES pour calculer un jet libre à pression atmosphérique et un nombre de Reynolds élevé (106). Dans un premier temps, une validation du jet, en utilisant le code FLUDILES, sera faite. Les résultats obtenus seront comparés aux résultats expérimentaux en termes de grandeurs moyennes et turbulentes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous discuterons en détail des résultats de la simulation numérique de l’interaction jet/particules de suie en sortie de moteur à une altitude de croisière. Pour finir, nous nous concentrerons sur l’influence des caractéristiques du moteur sur la croissance des particules.

L’impact scientifique et technologique de ces travaux consiste à avoir une compréhension plus précise de l’influence des effluents émis par l’aviation actuelle sur l’environnement. L’outil numérique ainsi développé permettra potentiellement de faire des modifications techniques dès même la conception du moteur et par conséquent réduire l’empreinte environnementale des moteurs d’avion.

Titre traduit

Numerical simulation of the large scales of a turbulent jet exiting an aircraft engine with microphysical modeling of ice particles

Résumé traduit

The worldwide importance given to environmental problems and the prospect of future growth in air traffic led most developed countries to start important research programs on the aviation’s impact on the environment. The first concerns the impact on the global warning. It was followed by the establishment of regulatory measures which essentially reduce local pollution. More recently, the pollution in altitude as become a major topic of research. This latter impact was studied by some authors such as Paoli & Garnier (2005b) ; the author showed that the interaction process is mainly controlled by entrainment of the jet by the vortex flow and the turbulent diffusion of the jet . Although, in studies of the impact of aviation on climate change, contrails influence are among the most uncertain on the climate. In this context, the study aims to better describe the microphysical phenomena of the plume in the near field of an aircraft, these being able to condition the properties of the formed contrails.

The main goal of the thesis is to deepen the understanding of the formation and growth of ice particles by using and modifying a high precision CFD code with an integrated microphysical model in order to understand the contrails formation at flight altitude.

The turbulent round free jet using LES was widely studied in the last decade. Non-reflective conditions are used as boundary conditions for free jets, also, dynamic Smagorinsky model (DSM) give good results at low Mach number (0.2) and low Reynolds number compared to experiment and DNS data. In our work, simulations were run using a multidimensional Navier-Stokes solver (FLUDILES), to compute a free jet at atmospheric pressure and realistic Reynolds number (106). First, the accuracy and the stability of the model will be discussed for the mesh size and boundary conditions. The flow field results will be compared with experimental correlations on the mean and turbulent quantities and analytics results. On the second part of the thesis, we will discuss in detail the results of high-resolution numerical simulations of jet/soot particle interaction that include microscale turbulent mixing. The last part of the thesis will focus on the influence of the engine design on the particle growth.

The essential scientific and technological impact of this work is to enable the precise understanding and quantification of the influence of effluents emitted by current aviation on the atmospheric environment. The digital tool thus developed will potentially allow technical modifications, from the very design of the engines and consequently reduce the environmental borrowing of aircraft engines.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 175-187).
Mots-clés libres:	trainées de condensation,turbulence, simulation des grandes échelles, environnement, jet, microphysique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Garnier, François
Codirecteur:	Codirecteur Montreuil, Emmanuel
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	02 déc. 2021 15:43
Dernière modification:	02 déc. 2021 15:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2803

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