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Mécanismes microphysiques intervenant dans le sillage proche d'un avion en maillage non structuré

Guignery, Florent (2010) Mécanismes microphysiques intervenant dans le sillage proche d'un avion en maillage non structuré. (Microphysical processes occuring in the near wake of an aircraft using unstructured grids.)

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Abstract

La présente étude porte sur la simulation numérique de la croissance des cristaux de glace dans le sillage proche d'une aile rectangulaire munie de deux injecteurs qui modélisent les deux moteurs. Dans cette configuration, les phénomènes microphysiques interviennent lors de l'interaction du jet, issu du moteur, et du tourbillon marginal qui se développe à chaque bout d'aile. Cet écoulement, très turbulent, perturbe fortement l'air environnant. Les jets diffusent dans l'atmosphère et s'enroulent autour des deux tourbillons de bout d'aile. Ces jets contiennent de la vapeur d'eau, des suies, des gaz mais également des aérosols et particules chargées. Le modèle microphysique utilisé dans cette étude repose sur l'hypothèse que la vapeur d'eau condense uniquement sur les particules de suie. Les simulations numériques sont effectuées à l’aide du code CEDRE développé à l’ONERA. Les méthodes numériques sont basées sur une approche volume finie pour des maillages non structurés généralisés. La résolution des équations de Navier stokes compressibles pour des fluides multi-espèces se fait selon une approche de type RANS et seul le champ stationnaire, jusqu'à huit envergures en aval de la maquette, est calculé. La turbulence de l'écoulement est modélisée au moyen du système de fermeture à deux équations k-l . Cette approche permet d'obtenir une description spatiale plus réaliste de l'interaction entre le jet et le tourbillon marginal. Le champ aérodynamique du sillage est ainsi comparé aux données expérimentales existantes. Le jet est correctement enroulé autour du tourbillon à huit envergures, et la dilution du panache est bien décrite par les simulations. Le modèle microphysique est ensuite couplé au modèle aérodynamique. Une première simulation porte sur les phénomènes microphysiques intervenant dans le sillage de la maquette dans des conditions particulières, représentatives d'un avion commercial en vol de croisière dans une atmosphère saturée par rapport à la glace. L'influence de la taille initiale des particules de suies émises par les moteurs ainsi que l'humidité relative de l'atmosphère, sur les propriétés de la traînée de condensation, sont ensuite étudiées et discutées. Ce travail, de part la stratégie de calcul mise en place et notamment l'utilisation de maillages non structurés généralisés, permettra d'appréhender le rôle de certains paramètres clés liés à l'avion comme la géométrie des ailes ou bien encore la position des nacelles sur les propriétés microphysiques de la traînée de condensation. ABSTRACT : Numerical simulations of ice particles growth, in the near wake of a rectangular wing with two injectors, are presented in this study. In this configuration, microphysical processes occur during the interaction between the engines jets and the marginal vortices developping at each wing tip. This strong turbulent flow disturbs highly the environmental flow. The jets diffuse in the atmosphere and are wrapped around the two wing tip vortices. They contain water vapour, soots, gas, aerosols and charged particles as well. One of the hypothesis of the microphysical modeling, used in this study, is that water vapour condenses on soot particles only. Numerical simulations are performed with the code CEDRE developed at ONERA. The numerical methods are based on a cell-centered finite volume approach for general unstructured grids. A Navier-Stokes solver for turbulent, compressible and multi-species flows with a RANS approach, based on the k-l turbulence model, is used. Only stationary states of the flow, until eight spans downstream the setup, are computed. This approach enables to get a better spatial description of the interaction between the jet and the marginal vortex. The numerical flow field is then compared to existing experimental data. The jet is correctly wrapped around the wing tip vortex at eight spans and the dilution of the effluents is well described by our simulations. The microphysical model is then coupled to the aerodynamics. The microphysical processes occurring in the wake of the setup in specific conditions, representative of a cruising civil aircraft in an ice-saturated atmosphere, are firstly simulated. The role, on the contrail’s properties, of soot particles initial size and of the atmospheric humidity is studied and discussed. This work, through its computational strategy, with the use of unstructured grids, will enable to understand the potential role of some key parameters such as the wings geometry or the engines position on the contrail properties.

Department:Département Mesures Physiques - DMPH (Châtillon, France)
Directeur de thèse:Thual, Olivier and Montreuil, Emmanuel
Uncontrolled Keywords:Microphysique - Traînée de condensation - Jet turbulent - RANS - Aérodynamique - Pollution - Cirrus - Particules. KEYWORDS : Microphysics - Aerodynamics - Pollution - Contrails - Cirrus - turbulent Jet - Particles - RANS
Subjects:Solid state physics
Deposited On:22 November 2010

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