Approche multiphysique pour la modélisation des traînées de condensation en champ moyen

Brégeot, Victor (2025). Approche multiphysique pour la modélisation des traînées de condensation en champ moyen. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les traînées de condensation, qui se forment à l’arrière des moteurs d’un avion en vol, représentent une composante importante du forçage radiatif associé à l’aviation civile. Ce phénomène est d’autant plus significatif lorsque ces traînées évoluent en cirrus induits, dont la durée de vie prolongée accentue leur impact climatique. Toutefois, de fortes incertitudes subsistent à ce sujet, en raison de la variabilité des conditions atmosphériques et des échelles spatio-temporelles complexes à considérer. Par ailleurs, la difficulté d’obtenir des mesures expérimentales représentatives rend la simulation numérique particulièrement adaptée pour l’étude de ces phénomènes. Dans ce contexte, ce mémoire se propose d’analyser l’interaction entre le jet propulsif et le tourbillon marginal généré par le bout de l’aile de l’appareil, afin de mieux comprendre leur rôle dans la formation et l’évolution des traînées de condensation.

Pour modéliser ce phénomène, la dynamique des fluides est utilisée en considérant des conditions de vol à vitesse et altitude de croisière. Les équations de Navier-Stokes moyennées par la décomposition de Reynolds sont résolues sur une distance d’un kilomètre en aval du moteur, en régime stationnaire dans un premier temps, puis en régime instationnaire. Le panache propulsif est représenté sous la forme d’une phase lagrangienne de particules de suie, évoluant dans un mélange compressible et turbulent d’air et de vapeur d’eau, permettant ainsi de suivre leur évolution temporelle et spatiale. Celle-ci est décrite à l’aide du modèle de Kärcher pour la phase liquide et du modèle de Fukuta et Walter pour la phase solide.

Des études paramétriques ont été menées afin d’évaluer l’influence de différents paramètres de l’écoulement sur la formation et l’évolution de la traînée de condensation. La présence de l’aile, à l’origine du tourbillon marginal, entraîne une dilution importante du panache, pouvant aller jusqu’à doubler la surface de traînée par rapport au cas d’un moteur seul. Par ailleurs, une température ambiante plus élevée (>225 K) limite la formation des traînées de condensation, tandis que des températures plus faibles (<215 K) la favorise. Le rayon initial des particules de suie en sortie de moteur n’a pas d’influence significative dans les conditions considérées. Enfin, l’indice d’émission influence directement la taille des cristaux de glace dans le panache, et, par conséquent, la visibilité de la traînée de condensation.

Titre traduit

Multiphysical study for contrail model in medium range

Résumé traduit

Contrails, which appear behind aircraft engines in flight, represent a significant contribution to the radiative forcing associated with civil aviation. This phenomenon becomes particularly critical when contrails evolve into induced cirrus clouds, whose extended lifetime amplifies their climatic impact. However, large uncertainties remain due to the variability of atmospheric conditions and the complex spatial and temporal scales involved. Moreover, the difficulty of obtaining representative experimental measurements makes numerical simulations a particularly suitable approach for studying these phenomena. In this context, this work aims to analyze the interaction between the engine exhaust jet and the wingtip vortex generated by the aircraft’s wing, to better understand their role in the formation and evolution of contrails.

To model this phenomenon, computational fluid dynamics is employed under cruise flight conditions. The Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations are solved over a one-kilometre domain downstream of the engine, first in steady state and then in unsteady mode. The exhaust plume is represented as a Lagrangian phase of soot particles evolving in a compressible and turbulent mixture of air and water vapour, allowing both spatial and temporal evolution to be tracked. This evolution is modelled using Kärcher’s formulation for the liquid phase and the Fukuta and Walter model for the solid phase.

Parametric studies were conducted to assess the influence of various flow parameters on contrail formation and development. The presence of the wing, which generates the wingtip vortex, induces significant plume dilution, increasing the contrail cross-section by up to a factor of two compared to the single-engine configuration. In addition, higher ambient temperatures (>225 K) limit contrail formation, while lower temperatures (<215 K) favour it. The initial radius of soot particles at the engine exit shows no significant influence for the considered conditions. Finally, the emission index directly affects the size of the ice crystals within the plume and, consequently, the overall visibility of the contrail.

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 en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 137-141).
Mots-clés libres:	traînée de condensation, CFD, URANS, champ moyen, tourbillon, maillage adaptatif, particule, modèle microphysique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	22 déc. 2025 17:00
Dernière modification:	22 déc. 2025 17:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3765

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