Des outils numériques pour simuler le givrage en vol
Le givrage par cristaux de glace (ICI pour «ice crystal icing») survient lorsque de la glace se forme sur l’avion pendant le vol. La glace peut affecter le fonctionnement d’une série de pièces d’avion, notamment les ailes, les hélices, les pare-brise et les systèmes de communication. Depuis quelques décennies, les ingénieurs ont identifié un risque supplémentaire d’accumulation de glace sur les parties chaudes du cœur du moteur. Cependant, les essais physiques sur les moteurs nécessitent l’utilisation de souffleries de givrage, ce qui les rend difficiles et coûteux. Dans le cadre du projet MUSIC-haic financé par l’UE, les chercheurs ont mis au point de nouveaux outils de simulation ICI pour aider l’industrie aérospatiale européenne à progresser dans le développement des moteurs de la prochaine génération. «Lors de la conception d’un nouvel avion ou d’un nouveau moteur, l’ingénieur peut utiliser les outils de simulation pour analyser un grand nombre de conditions de vol et identifier les zones à risque en termes d’accumulation de cristaux de glace», explique Phillipe Villedieu, ingénieur en recherche énergétique chez ONERA et coordinateur du projet MUSIC-haic. Les ingénieurs peuvent également utiliser l’outil lors de la certification, minimisant ainsi la nécessité d’effectuer des essais en soufflerie ou en vol. «Plus généralement, un outil numérique de givrage validé pourrait être utilisé comme moyen de conformité lors du processus de certification en matière de givrage», ajoute Phillipe Villedieu.
Contribuer à la mise au point des moteurs de nouvelle génération
Les moteurs de nouvelle génération devraient être plus sensibles à la menace de l’ICI que les systèmes actuels. Ces moteurs présentent des taux de dérivation très élevés, ce qui signifie qu’une plus grande quantité d’air contourne le cœur du moteur afin de réduire la consommation de carburant. Les ventilateurs de ces moteurs possèdent moins de pales, qui tournent plus lentement. Les forces centrifuges exercées sur les particules de glace étant plus faibles, le taux d’entrée des particules de glace dans le cœur du moteur sera plus élevé que dans les turbosoufflantes actuelles. «Les méthodes d’analyse comparative permettant d’évaluer la menace ICI pour les moteurs de la génération actuelle ne sont pas applicables aux moteurs possédant une architecture révolutionnaire», explique Phillipe Villedieu. «En outre, l’ICI est très difficile à traiter par des essais au sol en raison des limitations physiques des installations de givrage, de leur faible disponibilité dans le monde entier et de leurs coûts très élevés.»
Générer des données dans les tunnels de givrage et en laboratoire
Pour créer les nouveaux outils de simulation ICI, l’équipe de MUSIC-haic a réalisé une série d’expériences, soit en laboratoire, soit dans une soufflerie de givrage. La plupart des expériences ont utilisé des modèles à petite échelle — représentant une pale ou une partie d’un moteur, par exemple — qui ont été placés dans un nuage de givre artificiel dans la soufflerie. À l’aide de caméras vidéo placées à différents angles, les chercheurs ont observé et enregistré les phénomènes d’accrétion de la glace afin de recueillir des données quantitatives pour les modèles numériques. «La plupart des expériences prévues ont été réalisées, fournissant une multitude de nouvelles données expérimentales quantitatives pour comprendre l’accrétion sur les parois chauffées, le détachement des blocs de glace ou l’impact des cristaux sur les parois.» «Toutes ces données sont désormais à la disposition de la communauté internationale et constituent un atout inestimable pour l’amélioration et la validation des modèles», déclare Phillipe Villedieu.
Intégrer l’ICI dans les outils de l’industrie
Le résultat le plus important a été l’intégration réussie de la capacité ICI dans les outils numériques 3D utilisés par les partenaires du projet: Rolls Royce, General Electric, Safran, Airbus et Dassault. «Un important travail de validation a également été réalisé et a donné des résultats très prometteurs sur la capacité des nouveaux outils à prédire les zones d’accrétion des cristaux de glace dans les moteurs», explique Philippe Villedieu. Au-delà de MUSIC-haic, les modèles et les outils qui ont été développés continueront à être utilisés et testés de manière intensive par l’industrie aérospatiale européenne et les centres de recherche.
Mots‑clés
MUSIC-haic, givrage, cristal, glace, avion, aérospatiale, industrie, outils, simulation, modèle, données
