Influence de la géométrie de la tuyère sur la formation de trainées de condensation dans le champ proche d’un turboréacteur d’avion

Misandeau, Adrien (2023). Influence de la géométrie de la tuyère sur la formation de trainées 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

Dépendamment des conditions atmosphériques, les trainées de condensation formées dans le sillage des avions peuvent devenir persistantes et donner lieu à des cirrus. Ces cirrus artificiels influent le bilan énergétique terrestre et représente une part conséquente du forçage radiatif lié à l’aviation civile. Depuis ces dernières décennies, des études ont été menées afin de comprendre les processus de formation des contrails. Celles-ci ont notamment montré que le mélange avait impactait significativement la formation des cristaux de glace. Dans ce contexte, ce mémoire se propose d’étudier l’influence des géométries de tuyère couramment utilisées dans l’industrie sur les propriétés microphysiques des contrails.

Un modèle numérique CFD est configuré afin de simuler un jet coaxial dans le champ proche d’un LEAP-1A33 en altitude de croisière. La température ambiante est de 219°K et l’humidité relative est de 60%. La phase gazeuse se compose d’air et de vapeur d’eau. Une approche de résolution des équations de Navier-Stokes instationnaires par décomposition de Reynolds (URANS) est utilisée pour modéliser l’écoulement de la phase gazeuse. Les particules de suies résiduelles de la combustion servent de noyaux de condensation pour les vapeurs d’eau présentes dans le panache et l’air ambiant. Celles-ci sont modélisées par des particules passives selon une approche lagrangienne. La croissance des cristaux de glace est modélisée selon le modèle de Fukuta et Walter implémenté au code commercial de STAR-CCM+.

Deux études paramétriques ont été menées afin de quantifier l’influence des paramètres géométriques des chevrons (position sur la tuyère, nombre et angle de pénétration) et des mélangeurs lobés (nombre et hauteur de lobe) sur les propriétés aérothermodynamiques du jet ainsi que les propriétés microphysiques des contrails. Les résultats ont montré que les chevrons ne perturbaient pas suffisamment le mélange interne du panache pour observer des différences significatives sur les propriétés microphysiques, peu importe leur position, nombre et angle de pénétration. Les mélangeurs lobés ont quant-à-eux montré un fort impact sur le mélange et la diffusion de la température du jet. De fait, les configurations lobés engendrent un rayon moyen des cristaux de glace significativement plus important (+60%). L’étude paramétrique a montré que la diminution du nombre de lobes à tendance à accentuer ces écarts. Cependant la variation de la hauteur des lobes n’a pas montré d’impact notable sur les rayons des cristaux.

Titre traduit

Effect of modern nozzle technology on near field contrail formation

Résumé traduit

Depending on atmospheric conditions, contrails formed in the wake of airplanes can become persistent and lead to cirrus cloud formation. These aircraft induced clouds (AIC) influence the Earth's energy balance and represent a substantial portion of the radiative forcing due to civil aviation. Over the past decades, studies have been conducted to understand contrail formation processes, revealing that mixing significantly affects ice crystal formation. In this context, this thesis aims to investigate the influence of commonly used aft-body geometries in the industry on the microphysical properties of contrails.

A numerical Computational Fluid Dynamics (CFD) model is configured to simulate a coaxial jet in the near-field of a LEAP-1A33 engine at cruising altitude. The ambient temperature is 219°K, with a relative humidity of 60%. The gas phase is composed of air and water vapor. An Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) approach is employed to model the gas phase flow. Residual soot particles from combustion act as condensation nuclei for water vapor in the plume and ambient air. These are modeled as passive particles using a Lagrangian approach. Ice crystal growth is modeled using the Fukuta and Walter model, implemented in the commercial code STAR-CCM+.

Two parametric studies were conducted to quantify the influence of geometric parameters of chevrons (position on the nozzle, number, and penetration angle) and forced mixers (number and lobe height) on the aerothermodynamic properties of the jet and microphysical properties of contrails. The results show that chevrons do not sufficiently disturb the internal mixing of the plume to observe significant differences in microphysical properties, regardless of their position, number, and penetration angle. On the other hand, lobed mixers exhibit a strong impact on the mixing and temperature diffusion of the jet. Consequently, lobed configurations result in a significantly larger mean ice crystal radius (+60%). The parametric study indicates that reducing the number of lobes tends to accentuate these differences. However, varying the height of the lobes does not show a notable impact on crystal radii.

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 aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 143-152).
Mots-clés libres:	trainées de condensation, CFD, champ proche, chevrons, mélangeurs lobés, particules de suie, croissance des cristaux de glace
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2024 18:19
Dernière modification:	01 févr. 2024 18:19
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3352

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