Simulation de la formation de traînée de condensation dans le champ proche d’un turboréacteur d’avion avec un modèle microphysique basé sur la solubilité des particules de suie

Georgelin, Jason (2024). Simulation de la formation de traînée de condensation dans le champ proche d’un turboréacteur d’avion avec un modèle microphysique basé sur la solubilité des particules de suie. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’impact environnemental de l’aviation civile identifier avec le bilan énergétique globale est en grande partie causé par l’effet de serre issu des traînées de condensation, formé par le passage d’un avion dans l’espace aérien pouvant former avec les bonnes conditions ambiantes des cirrus induits persistants. Ainsi, la formation de traînée de condensation est un phénomène difficilement mesurable expérimentalement renforçant l’intérêt de la modélisation et de la simulation pour quantifier son impact. Pour cette raison, des travaux ont été menés afin de mieux comprendre les phénomènes physiques est les processus à l’origine de la formation et de la croissance des cristaux de glace menant à l’apparition des cirrus induits.

La dynamique des fluides numérique (CFD) est utilisée afin de simuler le jet en sortie de propulseur seul dans les conditions de vol en croisière. Les équations, moyennées de Navier- Stokes avec une décomposition de Reynolds, sont résolues dans le champ proche du jet. Les simulations modélisent un gaz multiphasique, formé d’air et de vapeur d’eau, compressible dans un régime turbulent. Une phase solide est ajoutée pour modéliser les particules de suie, issue de la combustion dans le propulseur, dans le jet, permettant ainsi de suivre le déplacement de celle-ci à l’aide d’une approche lagrangienne. Finalement, la croissance de ces particules, évoluant dans le jet, est calculée en reprenant les modèles développés par Kärcher pour la phase liquide et par Fukuta et Walter pour la phase solide.

Les résultats obtenus explorent l’impact des différents paramètres lié à l’environnement ambiant et à la propulsion. Ils montrent que des températures élevées (>225 [K]) empêchent la formation de traînée de condensation, tandis que des températures plus basses (<215 [K]) la favorisent. L’humidité ambiante n’affecte pas le développement des traînées dans le champ proche du propulseur, parce que l’eau dans le jet provient principalement de la propulsion. En augmentant la quantité d’eau expulsée par la propulsion, le nombre de cristaux de glace formé par la combustion est accru. L’indice d’émission en particule de suie influence le nombre maximal de cristaux pouvant être formé et la quantité d’eau disponible dans le domaine. Finalement, le rayon initial des particules de suie exerce une influence sur le résultat seulement si la température ambiante se rapproche de la température seuil (~225 [K]) pour la formation de cristaux de glace.

Titre traduit

Simulation of contrail formation in the near field of an aircraft engine using a microphysical model based on soot particle solubility

Résumé traduit

The environmental impact of civil aviation, identified through the global energy balance, is largely caused by the greenhouse effect resulting from contrails, which are formed by the passage of an aircraft through the airspace and can, under the right ambient conditions, develop into persistent induced cirrus clouds. Consequently, the formation of contrails is a phenomenon that is difficult to measure experimentally, reinforcing the importance of modeling and simulation to quantify its impact. For this reason, studies have been conducted to better understand the physical phenomena and processes leading to the formation and growth of ice crystals, which result in the appearance of induced cirrus clouds.

Computational Fluid Dynamics (CFD) is used to simulate the jet at the exit of the engine alone under cruise flight conditions. The Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations are solved in the near field of the jet. The simulations model a multiphase gas, composed of air and water vapor, which is compressible in a turbulent regime. A solid phase is added to model soot particles, originating from combustion in the engine, within the jet, thus allowing their movement to be tracked using a Lagrangian approach. Finally, the growth of these particles, evolving within the jet, is calculated using models developed by Kärcher for the liquid phase and by Fukuta and Walter for the solid phase.

The results obtained explore the impact of various parameters related to the ambient environment and propulsion. They show that high temperatures (>225 [K]) prevent the formation of contrails, while lower temperatures (<215 [K]) promote it. Ambient humidity does not affect the development of contrails in the near field of the engine, as the water in the jet primarily comes from propulsion. Increasing the amount of water expelled by propulsion increases the amount of ice crystals formed by combustion. The soot particle emission index influences the maximum number of crystals that can be formed and the amount of water available in the domain. Finally, the initial radius of soot particles only affects the result if the ambient temperature approaches the threshold temperature (~225 [K]) for ice crystal formation.

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 114-121).
Mots-clés libres:	traînée de condensation, CFD, URANS, champ proche, gaz multiphasique, compressible, particules, modèle microphysique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	20 févr. 2025 17:52
Dernière modification:	20 févr. 2025 17:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3541

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