Reynolds-Averaged Navier-Stokes Based Ice Accretion For Aircraft Wings

Cette thèse aborde l'un des enjeux actuels de la sécurité aérienne pour augmenter les capacités de simulation de givrage pour la prédiction des formes complexes 2D et 3D de verglas sur les surfaces des aéronefs.Durant les années 1980 et 1990, le domaine de l'aérogivrage numérique s'est développé pour soutenir la conception et la certification des aéronefs volant dans des conditions givrantes.Les technologies multidisciplinaires utilisées dans ces codes étaient : l'aérodynamique (méthode des panneaux), le calcul des trajectoires des gouttelettes (méthode Lagrangienne), le module thermodynamique (modèle Messinger) et le module de géométrie (accumulation de glace).Ceux-ci sont intégrés dans un module quasi-stationnaire pour simuler le processus d'accumulation de glace en fonction du temps (procédure à plusieurs pas de temps).Les objectifs de la présente recherche visent à améliorer le module aérodynamique en passant de Laplace à un solveur d'équations de Navier-Stokes moyennée (RANS).Les avantages sont nombreux.Tout d'abord, le modèle physique permet le calcul des effets visqueux dans le module aérodynamique.Deuxièmement, la solution du programme d'aérogivrage fournit directement les moyens pour caractériser les effets aérodynamiques du givrage, comme la perte de portance et la traînée accrue.Troisièmement, l'utilisation d'une approche de volumes finis pour résoudre les équations aux dérivées partielles (PDE) permet des analyses rigoureuses de convergence en maillage et en temps.Enfin, les approches développées en 2D peuvent être facilement transposées aux problèmes 3D.La recherche a été réalisée en trois étapes principales, chacune fournissant des aperçus des approches numériques globales.La réalisation la plus importante vient de la nécessité de développer des algorithmes de génération de maillage spécifiquement pour assurer des solutions réalisables en plusieurs étapes de calculs très complexes d'aéro-givrage.Les contributions sont présentées dans l'ordre chronologique de leurs réalisations.D'abord, un nouveau cadre de simulation de glace bidimensionnel basé sur un code RANS, CANICE2D-NS, est développé.Un code RANS à maillage à simple bloc de l'université de Liverpool (nommé SMB) fournit la solution aérodynamique en utilisant le modèle de turbulence Spalart-Allmaras.L'outil commercial ICEM CFD est utilisé pour le remaillage du profil glacé pour le lissage du domaine.Le nouveau couplage est entièrement automatisé et capable d'effectuer des simulations d'accumulation de la glace à plusieurs pas de temps par une vi approche quasi-stationnaire.En outre, le logiciel permet une analyse de l'écoulement de l'air et la prévision des performances aérodynamiques des profils glacés.La convergence de l'algorithme quasi-stationnaire est vérifiée et identifie la nécessité de l'augmentation d'un ordre de grandeur dans le nombre de pas de temps dans les simulations de givrage afin de parvenir à des solutions indépendantes du nombre d'incréments de temps.Deuxièmement, un code Navier-Stokes à maillages à blocs multiples, NSMB, est couplé avec le programme de givrage CANICE2D.L'attention est accordée à l'implémentation du modèle de rugosité ONERA dans le modèle de turbulence Spalart-Allmaras et à la convergence de la procédure itérative stationnaire et quasi-stationnaire.Les effets d'une rugosité de surface uniforme dans la simulation quasi-stationnaire de l'accumulation de glace sont analysés à travers différents cas de validation.Les résultats de CANICE2D-NS montrent un bon accord avec les données expérimentales à la fois en termes de formes de glace prédites ainsi qu'en termes d'analyses aérodynamiques des formes de glace prédites et expérimentales.Troisièmement, un code Navier-Stokes structuré à maillage à simple bloc, NSCODE, est couplé avec le cadre de givrage CANICE2D-NS.L'attention est accordée à l'implémentation de la rugosité du modèle Boeing dans le modèle de turbulence Spalart-Allmaras, et à l'accélération de la convergence des procédures itératives stationnaires et quasi-stationnaires.Les effets d'une rugosité de surface uniforme dans la simulation de l'accumulation quasi-stationnaire de glace sont analysés à travers différents cas de validation et de comparaisons entre codes avec le même programme couplé avec le solveur Navier-Stokes NSMB.L'efficacité de l'approche à grilles multiples dans la direction J est démontrée pour la résolution des équations d'écoulement d'air sur des géométries glacées complexes.Puisqu'il a été remarqué à travers les différents résultats obtenus que le logiciel de génération de maillage ICEM-CFD produit un certain nombre de problèmes tels que la mauvaise qualité des maillages et les carences en lissage (notamment les chocs de mailles), une quatrième étude propose un nouvel algorithme de génération de maillages.Un code de génération de maillages en plusieurs blocs et basé sur la résolution d'équations aux dérivées partielles, NSGRID, est développé à cet effet.L'étude comprend les développements de nouveaux algorithmes de génération de maillage sur des formes complexes de verglas contenant des géométries d'accumulation de glace à courbure hautement variable, comme des cornes de glace vii simples ou doubles.Une approche en deux étapes consiste à discrétiser la surface de la géométrie, puis le domaine de résolution.Un algorithme curviligne adaptatif contrôlant la courbure est construit en résolvant une équation elliptique 1D avec termes sources périodiques.Cette méthode contrôle l'espacement de la longueur d'arc des mailles sur la surface de telle sorte que les régions de forte courbure convexe et concave autour des cornes de glace sont captées de manière appropriée.Il est montré que cette méthode traite efficacement le problème de choc de mailles.Ensuite, une nouvelle méthode mixte est développée en définissant des combinaisons de termes sources avec des équations elliptiques 2D.Les termes sources comprennent deux fonctions de contrôle communes, Sorenson et Spekreijse, et un troisième terme source supplémentaire pour forcer l'orthogonalité.Cette méthode mixte s'avère être très efficace pour améliorer la qualité des mailles d'un maillage complexe de verglas avec une résolution RANS.La performance en termes de réduction des résidus par itérations non linéaires de plusieurs algorithmes de résolution (Point-Jacobi, Gauss-Seidel, ADI, Point et Line SOR) est discutée dans le contexte d'un opérateur multi grilles complet.Des détails sont donnés sur les différentes formulations utilisées dans le procédé de linéarisation.Il est montré que la performance de l'algorithme de solution dépend de la nature de la fonction de contrôle utilisée.Enfin, les algorithmes sont validés sur des formes de glace expérimentales standards et complexes, démontrant l'applicabilité des méthodes.Finalement, un programme bidimensionnel de simulation d'accumulation de glace basé sur la résolution RANS et automatisé pour le calcul par plusieurs incréments de temps, CANICE2D-NS, est développé et couplé avec un code CFD Navier-Stokes multi blocs, NSCODE2D, un code de génération elliptique de maillages multi blocs, NSGRID2D, et un solveur multi blocs Eulérien pour la trajectoire des gouttelettes, NSDROP2D (développé à l'École Polytechnique de Montréal).Le programme permet des calculs Lagrangiens et Eulériens de trajectoires de gouttelettes, la dernière profitant d'une approche de maillages superposés pour traiter les géométries à éléments multiples.Le code a été testé sur des cas de validation confidentiels et publics, y compris les cas standards NATO.En outre, une accélération d'un facteur allant jusqu'à 10 est observée dans la procédure de génération de maillages en utilisant un lisseur implicite avec une procédure à grilles multiples.Les résultats démontrent les avantages et la robustesse du nouveau programme dans la prédiction des formes de glace et des paramètres de performances aérodynamique.

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