Кедрова глазур
Контекст
Мороз: предмет, який заморожує виробників літаків
Обмерзання залишається основним ризиком для авіаційної безпеки. ONERA, фахівець з фізики та чисельного моделювання, допомагає владі зрозуміти явище, щоб краще протистояти йому.
У 2018 році ONERA організувала перше видання Моделювання та чисельне моделювання обмерзання в дні аеронавтики у своєму центрі в Тулузі. Мета: об’єднати національних гравців на місцях, щоб підвести підсумки прогресу та потреб.
ONERA повністю виконує свою роль державного референта: у 2016 році DGAC, Головне управління цивільної авіації, попросив її провести дослідження щодо розуміння та моделювання основних фізичних процесів, що регулюють збільшення льоду та його наслідки для різних компонентів літака. Ця конвенція, яка називається PHYSICE, має на меті покращити можливості цифрових та експериментальних засобів моделювання, а також відтворити та передбачити всі явища, а отже, врешті-решт покращити авіаційну безпеку.
Коли і як виникає мороз ?
Зазвичай це відбувається, коли літак проходить через хмару переохолоджених крапель під час зльоту, підйому або наближення або кристалів льоду в круїзі. Краплі замерзають на відкритих поверхнях, викликаючи накопичення льоду на крилах, гондолах, хвості, антенах тощо. Кристали можуть потрапляти на перші ступені турбореактивних струменів, частково плавитися і прилипати до стіни, що призводить до накопичення льоду.
Акреція може змінити аеродинамічні характеристики літака, погіршити роботу двигуна, порушити зонди та пошкодити структурні компоненти, якщо залишки льоду залишаться. Щоб уникнути або обмежити ці небажані ефекти, цивільні літаки оснащені системами протиобледеніння або антиобледеніння, які запобігають накопиченню морозу на найбільш чутливих частинах (передній край крила, кромка кошика тощо).
Льодовий покрив
Проблема також важлива: в умовах зледеніння погодних умов на землі літаки перед зльотом повинні бути знезаражені з очевидних міркувань безпеки. Сьогодні ця операція проводиться шляхом розпилення рідин, що містять такі хімічні речовини, як гліколь. Час, необхідний для виконання цього завдання, дуже великий і спричиняє дорогі затримки для авіакомпаній. В даний час вивчаються рішення щодо обмеження накопичення морозу та вдосконалення операцій розморожування.
Сертифікація
Щоб врахувати ці ризики, нещодавно міжнародним органам авіаційної безпеки було запропоновано змінити правила сертифікації, змусивши виробників літаків та двигунів враховувати додаткові ризики, обумовлені наявністю в атмосфері крижаних кристалів (IC, "Крижані кристали" ) та великі переохолоджені краплі (SLD, "Переохолоджені великі краплі").
Таким чином, роль ONERA полягає у роботі над кращим розумінням пов'язаних явищ, зокрема, в рамках поширення стандарту на SLD та IC. Завдяки національним та європейським дослідницьким проектам та міжнародному співробітництву, що дає можливість об'єднати дослідницькі ресурси (експериментальний стенд, бази даних, моделі), ONERA розробляє нові моделі для вдосконалення моделювання явищ, пов'язаних з обледенінням. Ці моделі реалізовані на різних платформах ONERA, що використовуються для імітації нарощування: IGLOO, платформа, призначена для додатків "Обмерзання", і CEDRE, мультифізична платформа розрахунку ONERA, вирішувачі якої також збагачені.
Інгредієнти для моделювання
Для проведення розрахунку акреції важливо контролювати захоплення частинок, тепло- і масообмін з газовою фазою і, можливо, теплообмін зі стінкою.
Щодо захоплення частинок, застосовуються різні уточнення моделей залежно від типу частинок: для малих переохолоджених крапель води апріорі достатньо лише розрахунку траєкторії, тоді як для великих крапель мова йде про врахування режимів взаємодії зі стіною (відкладення, рикошет, сплеск). Для кристалів необхідно мати можливість розрахувати еволюцію швидкості їх плавлення, від якої залежить швидкість зчеплення зі стінкою. Таким чином, розрахунок захоплення частинок можна виконати за допомогою розв'язувача Eulerian SPIREE у випадку невеликих крапель, але для SLD або ІС використовуватиметься розв'язувач SPARTE Lagrangian, оскільки для цих частинок були застосовані більш досконалі фізичні моделі.
Потім для обчислення теплообмін і маси з газовою фазою була створена методологія отримання коефіцієнтів тепло- і масообміну з розрахунку Нав'є-Стокса при накладеній температурі стінки. Цей розрахунок можна провести за допомогою газового розчинника CHARME від CEDRE, а також за допомогою аеродинамічного коду elsA. Ці коефіцієнти обміну та дані захоплення є даними зчеплення, які потім використовуються у вирішувачі ФІЛЬМ для виконання розрахунку акреції.
FILM - це 3D поверхневий вирішувач від CEDRE, який моделює нарощення за допомогою двошарової моделі - шару льоду, покритого плівкою потокової води. Різні режими, що зустрічаються при обледенінні, можна описати наступним чином: випадок «Крижаний лід» або «Білий мороз» відповідає одному шару льоду, температура якого суворо негативна, режим «Глазурний лід» або «Прозорий мороз» відповідає до шару льоду, покритого плівкою рідкої води при температурі 0 ° С, і нарешті, випадок «Мокрий» або «Потік плівки» відповідає потоковій плівці позитивної температури. Моделі, впроваджені у ФІЛМ, перевірені на еталонах з літератури.