A contribution to the study of the near-field contrail by using a high-fidelity computational method combined to an advanced microphysical model

Afkari, Parisa (2026). A contribution to the study of the near-field contrail by using a high-fidelity computational method combined to an advanced microphysical model. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Global emphasis on environmental protection, expected growth in air traffic, and accumulating evidence on aviation’s non-CO2 radiative forcing have made contrails an important component in assessments of aviation climate impacts. The climate influence of cirrus formed from aircraft condensation trails remains one of the most uncertain components of anthropogenic radiative forcing. Observations and models are used to clarify how ice crystals form in the near-field aircraft wake and to estimate global distributions of their microphysical and optical properties. The radiative effect of contrails depends on ice crystal size and number concentration, yet both are difficult to quantify because of assumptions about wake dynamics and simplified treatments of early ice-phase microphysics.

The objective of this thesis is to develop and validate a modeling framework that simulates exhaust jet flow behind a realistic turbofan and its early entrainment into the wake-vortex field, while integrating online-coupled microphysical processes to determine the initial properties of ice particles. Dynamic simulations are performed with an in-house CFD code (FludiLES) using large-eddy simulation (LES) with sixth-order spatial and third-order temporal accuracy. A free jet at atmospheric pressure and a realistic Reynolds number (Re≈106) is computed and validated against experimental results. For the microphysics, soot and ambient aerosol particles are tracked with a Lagrangian method. Two-way coupling is applied to vapor mass transfer and energy, whereas momentum is one-way (fluid → particles); particle-to-fluid momentum feedback is negligible, and energy feedback is small.

A dual-stream jet (core and bypass) is simulated to quantify bypass ratio effects using three engines—CFM56-5B3/3, Leading Edge Aviation Propulsion (LEAP)-1A/33, and an ultra-high-bypass-ratio (UHBR) configuration—at ambient temperatures of 215, 220, and 225 K. An initial comparison of a turbofan with an equivalent turbojet showed that the bypass stream accelerated near-field mixing and cooling of the core plume, increasing the mean particle radius by up to 30%. Across the engine set, larger bypass ratios further intensified mixing, promoted soot activation and subsequent freezing, and yielded initial contrail properties that were less sensitive to ambient temperature.

Subsequently, the microphysical model was extended to include solute effects through the hygroscopicity parameter (κ) and was evaluated in both online-coupled and offline box model configurations. Under realistic LEAP-1A cruise conditions, three scenario groups are examined: (i) κ = 0.0005, 0.005, 0.0142, corresponding to equivalent fuel sulfur contents (FSC) of 50, 410, and 1270 ppm; (ii) soot number emission indices of 1013 to 1015 #/kg-fuel; and (iii) soot core radii of 10–30 nm. Reducing κ from 0.0142 to 0.0005 slightly decreases particle radius but increases the activation fraction by about 20% due to greater vapor availability. Lowering the initial soot number from 1015 to 1013 particles per kilogram of fuel increases the mean particle radius from roughly 0.3 μm to 2.4 μm at 1 s and raises the activated fraction by about 66%. Larger soot cores enhance activation by about 20%, with mean-radius differences reaching approximately 80% near 0.4 s and narrowing to about 10% by 1 s. Three-dimensional LES with online-coupled microphysics is shown to be essential for near-field sensitivity analysis; a zero-dimensional offline box model overpredicts activation and misrepresents κ sensitivity.

Simulations are then extended into the vortex phase to compare temporal and spatial LES formulations and to quantify how numerical methodology influences microphysics for soot-only and soot+ambient scenarios. To assess the effects of initialization, the wake-vortex was initialized from jet phase modeling at tj= 0.12s and tj=0.5s. Under cruise conditions representative of a LEAP-1A powered Airbus A320neo, the temporal modeling shows stronger early-stage mixing and faster scalar dissipation in the jet phase than the spatial modeling, yielding approximately 60% more activated ice crystals in the soot-only case and approximately 70% more when ambient aerosols are included. At early vortex initialization, temporally initialized cases sustained slightly higher activated ice numbers, whereas spatial initialization produced larger late-time mean radii; these disparities diminished, particularly when ambient aerosols were present. At late vortex initialization, the trend reversed: spatial initialization yielded higher activated ice numbers, while temporal initialization retained the larger mean radius. In all cases, ambient aerosol increases ice number yet limits per-crystal growth through vapor competition, which moderates sensitivity to jet initialization. Overall, vortex phase entrainment is relatively insensitive to the jet phase modeling choice; however, the vortex start time remains consequential, and absolute microphysical values retain a measurable memory of near-field jet mixing.

Titre traduit

Contribution à l'étude des traînées de condensation en champ proche en utilisant une méthode numérique haute-fidélité combinée avec un modèle de microphysique avancé

Résumé traduit

L’importance accordée à la protection de l’environnement, la croissance attendue du trafic aérien et l’accumulation de preuves sur le forçage radiatif non-CO2 de l’aviation ont fait des traînées de condensation un sujet central dans l’évaluation des impacts climatiques de l’aviation. L’influence climatique des cirrus formés à partir des traînées de condensation d’aéronefs demeure l’un des volets les plus incertains du forçage radiatif anthropique. Des observations et des modèles sont mobilisés pour préciser la façon dont les cristaux de glace se forment dans le sillage proche de l’avion et pour estimer les distributions globales de leurs propriétés microphysiques et optiques. L’effet radiatif des traînées dépend de la taille des cristaux et de la concentration numérique, mais ces deux grandeurs sont difficiles à quantifier en raison des hypothèses sur la dynamique du sillage et des traitements simplifiés de la microphysique de phase glace aux tout premiers stades.

L’objectif de cette thèse est de développer et de valider un cadre de modélisation qui simule l’écoulement du jet d’éjection derrière un turboréacteur à double flux réaliste et son entraînement précoce dans le champ de vortex de sillage, tout en intégrant des processus microphysiques couplés en ligne afin de déterminer les propriétés initiales des particules de glace. Les simulations dynamiques sont réalisées avec un code CFD interne (FludiLES) en simulation des grandes échelles (LES), avec une précision spatiale d’ordre 6 et temporelle d’ordre 3. Un jet libre à pression atmosphérique et à nombre de Reynolds réaliste (Re ≈ 106) est calculé et validé par confrontation à des résultats expérimentaux. Pour la microphysique, les particules de suie et les aérosols ambiants sont suivis par une méthode lagrangienne. Un couplage bidirectionnel est appliqué au transfert de masse de vapeur et à l’énergie, tandis que la quantité de mouvement est traitée en sens unique (fluide → particules); la rétroaction particules → fluide sur la quantité de mouvement est négligeable et la rétroaction énergétique est faible.

Un jet bi-flux (cœur et flux secondaire) est simulé pour quantifier l’effet du taux de dilution (bypass ratio) en considérant trois moteurs—CFM56-5B3/3, LEAP-1A/33 et une configuration à très haut taux de dilution (UHBR)—à des températures ambiantes de 215, 220 et 225 K. Une comparaison initiale entre un turboréacteur à double flux et un turbojet équivalent a montré que le flux secondaire accélère le mélange et le refroidissement en champ proche du panache cœur, augmentant le rayon moyen des particules jusqu’à 30 %. Sur l’ensemble des moteurs, des taux de dilution plus élevés intensifient davantage le mélange, favorisent l’activation des suies puis leur congélation, et conduisent à des propriétés initiales de traînées moins sensibles à la température ambiante.

Le modèle microphysique a ensuite été étendu pour inclure les effets de soluté via le paramètre d’hygroscopicité (κ) et évalué en configurations couplée en ligne et « boîte » hors ligne. Dans des conditions réalistes de croisière pour un LEAP-1A, trois groupes de scénarios sont examinés: (i) κ = 0.0005, 0.005, 0.0142, correspondant à des teneurs équivalentes en soufre du carburant (FSC) de 50, 410 et 1270 ppm; (ii) des indices d’émission en nombre de suie de 1013 à 1015 #/kg de carburant; et (iii) des rayons de noyau de suie de 10 à 30 nm. La diminution de κ de 0.0142 à 0.0005 réduit légèrement le rayon des particules mais accroît la fraction activée d’environ 20 % en raison d’une plus grande disponibilité de vapeur. Abaisser l’indice initial en nombre de suie de 1015 à 1013 particules par kilogramme de carburant augmente le rayon moyen d’environ 0.3 μm à 2.4 μm à 1 s et élève la fraction activée d’environ 66 %. Des noyaux de suie plus gros renforcent l’activation d’environ 20 %, avec des différences de rayon moyen atteignant ~80 % vers 0.4 s puis se resserrant à ~10 % à 1 s. Les LES 3D avec microphysique couplée en ligne s’avèrent indispensables pour l’analyse de sensibilité en champ proche; un modèle 0D en boîte hors ligne surestime l’activation et représente mal la sensibilité à κ.

Les simulations sont ensuite prolongées dans la phase de vortex afin de comparer les formulations LES temporelle et spatiale et de quantifier l’influence de la méthodologie numérique sur la microphysique pour des scénarios « suie seule » et « suie + ambiant ». Pour évaluer les effets de l’initialisation, le vortex de sillage est initialisé à partir de la modélisation de la phase jet tj= 0.12 s et tj= 0.5 s. Dans des conditions de croisière représentatives d’un Airbus A320neo motorisé par LEAP-1A, la formulation temporelle présente un mélange plus vigoureux au début et une dissipation scalaire plus rapide dans la phase jet que la formulation spatiale, produisant ~60 % de cristaux de glace activés en plus pour le cas « suie seule » et ~70 % de plus lorsque les aérosols ambiants sont inclus. Pour une initialisation précoce du vortex, les cas initialisés temporellement maintiennent légèrement plus de glace activée, tandis que l’initialisation spatiale engendre des rayons moyens plus grands à temps tardif; ces écarts s’atténuent, en particulier en présence d’aérosols ambiants. Pour une initialisation tardive du vortex, la tendance s’inverse: l’initialisation spatiale donne davantage de glace activée, alors que l’initialisation temporelle conserve le rayon moyen le plus élevé. Dans tous les cas, l’aérosol ambiant augmente le nombre de cristaux de glace tout en limitant la croissance par cristal via la compétition pour la vapeur, ce qui modère la sensibilité à l’initialisation du jet. Globalement, l’entraînement en phase de vortex est relativement insensible au choix de modélisation de la phase jet; en revanche, l’instant de démarrage du vortex demeure déterminant, et les valeurs microphysiques absolues conservent une mémoire mesurable du mélange en champ proche du jet.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 221-243).
Mots-clés libres:	traînée de condensation, aéronef, climat, écoulement de jet, vortex de sillage, turbulence, simulation CFD, simulation des grandes échelles (LES), microphysique, particule de suie, condition ambiante, turboréacteur à double flux
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Garnier, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 19:49
Dernière modification:	04 mars 2026 19:49
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3831

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