Modélisation numérique de la dynamique des fluides du procédé de dégivrage au sol des aéronefs par liquide de dégivrage

Ernez, Sami (2023). Modélisation numérique de la dynamique des fluides du procédé de dégivrage au sol des aéronefs par liquide de dégivrage. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le processus de dégivrage au sol des aéronefs est obligatoire pour le décollage de tout aéronef dans des conditions givrantes. Au début, les avions étaient dégivrés par une opération purement mécanique. Depuis les années 1950, l’industrie s’est tournée vers l’utilisation de solutions de dégivrage. De nos jours, le processus est bien encadré par les normes mondiales internationales d’antigivrage et de dégivrage de la Society of Automotive Engineers (SAE). Cependant, plusieurs valeurs de paramètres du processus ne sont pas définies, ce qui rend l’efficacité du processus dépendante du niveau d’expertise de l’opérateur. Cette recherche propose des méthodes numériques permettant l’utilisation de la mécanique des fluides numériques (MFN) pour la simulation du procédé de dégivrage au sol des aéronefs. Ces méthodes numériques ont été implémentées dans un code MFN et ont été vérifiées. Ce travail est présenté sous la forme d’une thèse par article. Les méthodes numériques sont publiées à travers trois articles de journaux et ont servi à concevoir le code MFN. Le premier article présente un modèle eulérien-lagrangien de dégivrage au sol des aéronefs qui évite le problème de dispersion d’échelle causé par la distance considérable entre la buse de pulvérisation et la surface à dégivrer. Les vérifications sont effectuées à l’aide d’un cas test d’un jet de liquide chaud à particules impactant une plaque plane horizontale. La répartition de la chaleur calculée à la paroi est vérifiée. Enfin, une étude de l’angle d’inclinaison du jet est présentée. Le deuxième article se concentre sur la région au voisinage de la glace où il propose une méthode MFN pour simuler l’interaction entre la glace et le liquide de dégivrage chaud. Une approche d’écoulement diphasique particulaire est utilisée pour modéliser l’impact de la pulvérisation sur la glace près de la surface contaminée. La fonte du givre est modélisée à l’aide d’une version étendue de la technique enthalpie-porosité développée durant cette thèse. L’eau résultant du processus de fusion est diffusée dans le liquide de dégivrage formant un film monophasique. Cet article présente un nouveau modèle du processus. Le modèle est vérifié et validé en trois étapes : (i) vérification du transport de l’espèce, (ii) validation du champ de température transitoire d’un mélange, (iii) validation du transfert de chaleur par convection d’un jet incident. Le coefficient de perméabilité de la technique enthalpie-porosité est ensuite calibré. Le modèle proposé s’est avéré être un bon candidat pour une étude paramétrique du processus de dégivrage au sol des aéronefs. Le troisième article est une combinaison des deux premiers. Il présente une méthode MFN pour simuler en trois dimensions le procédé. La méthode comprend un modèle multi-régions où une méthode lagrangienne résout les équations du jet et la technique enthalpie-porosité étendue simule la fonte du givre avec une méthode eulérienne. L’approche multi-région est vérifiée dans cet article par un test de pénétration de la pointe de pulvérisation (STP). La STP prédite par le modèle multi-région concorde à 99 % avec la STP prédit par un modèle lagrangien. Par conséquent, l’approche multi-région transfère correctement la quantité de mouvement des particules entre les deux régions. Les trois articles ont abouti à un code MFN spécialement conçu et vérifié pour simuler le procédé de dégivrage au sol des aéronefs. Des scénarios de dégivrage optimaux peuvent être définis en étudiant numériquement l’effet des paramètres de pulvérisation sur l’efficacité du dégivrage. Ce code pourrait servir également à concevoir un simulateur pour la formation des agents.

Titre traduit

Computational fluid dynamic modelling of the aircraft ground deicing process with aircraft deicing fluid sprays

Résumé traduit

The aircraft ground deicing process is mandatory for all types of aircraft to take-off in icing conditions. In the early days aircraft were deiced by a purely mechanical operation. In the 1950s the industry moved toward the use of deicing solutions. Nowadays, the process is well defined by the Society of Automotive Engineers (SAE) international global anti-icing and deicing standards. However, several process parameter values are not defined which leads the process efficiency to dependent on the operator’s level of expertise. This research proposes numerical methods allowing the use of computational fluid dynamics (CFD) for the simulation of the aircraft ground deicing process. These numerical methods have been implemented in a CFD code and have been verified. This work is presented in the form of a thesis by article. The numerical methods are published through three journal articles and served to develop the CFD code. The first paper presents a Eulerian-Lagrangian model of aircraft ground deicing that avoids the scale dispersion problem caused by the considerable distance between the spray nozzle and the surface to be de-iced. Verifications are done using a testcase of a hot particle liquid spray impinging on a horizontal flat plate. The computed wall heat distribution is verified. In the end, an inclination spray angle study is presented. The second paper focuses on the region at the vicinity of the ice where it proposes a CFD method to simulate the interaction between ice and the hot aircraft deicing fluid. A particulate two-phase flow approach is used to model the spray impact on ice near the contaminated surface. Ice melting is modelled using an extended version of the enthalpyporosity technique. The water resulting from the melting process is diffused into the deicing fluid forming a single-phase film. This paper presents a new model of the process. The model is verified and validated through three steps: (i) verification of the species transport, (ii) validation of the transient temperature field of a mixture, (iii) validation of the convective heat transfer of an impinging spray. The permeability coefficient of the enthalpy-porosity technique is then calibrated. The proposed model proved to be a suitable candidate for a parametric study of the aircraft ground deicing process. The third paper is a combination of the first two where it presents a 3 dimensions CFD method to simulate the process in full scale. The method comprises a multi-region model where a Lagrangian method solves the spray particle equations, and the enthalpy porosity simulates the ice melting with an Eulerian method. The multi-region approach is verified in this paper through a spray-tip penetration (STP) test. The STP predicted by the multi-region model agrees at 99% with the STP predicted by a Lagrangian model. Therefore, the multi-region correctly transfers the particle momentum between the two regions. The three papers led to a CFD code specially designed and verified to simulate the aircraft ground deicing process. Optimal deicing scenarios can be defined by investigating the effect of spray parameters on deicing efficiency. This code could also be used to design a simulator for training agents.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 125-135).
Mots-clés libres:	dégivrage au sol des aéronefs, jet impactant, fusion de givre, MFN, vérification et validation (V&V), modèle eulérien-lagrangien à deux régions, écoulements particulaires diphasiques, technique d’enthalpie-porosité étendue, transfert de chaleur, diffusion des espèces, paramètres de pulvérisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Morency, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 mars 2023 13:34
Dernière modification:	30 mars 2023 13:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3210

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