Nouvelle modélisation du givrage positionnée à l’avant-garde

Lorsqu'il y a accumulation de glace sur les surfaces exposées d'un aéronef, cette situation a le potentiel de diminuer la performance de l'appareil et d'accroître le risque rattaché à la sécurité continue de son utilisation. C'est dans le but d'atténuer ce risque que les chercheurs du domaine du givrage en aéronautique du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) se penchent actuellement sur les caractéristiques et la formation des gouttelettes d'eau en surfusion (température sous 0 °C) de très petit diamètre (de 0,02 à 0,04 mm) qui peuvent être présentes dans les nuages. Lorsque de telles gouttelettes font contact avec le bord d'attaque d'une aile ou d'une autre partie de l'aéronef, elles gèlent à l'impact; la glace s'accumule ainsi et compromet la sécurité de l'appareil.

M. Krzysztof Szilder, Ph. D., du groupe Aérodynamique d'aviation du CNRC, a élaboré récemment des capacités de modélisation originales du givrage, qui dépassent celles d'établissements parmi les meilleurs au monde (p. ex., laboratoires aérospatiaux nationaux des États-Unis, du Royaume-Uni, de la France et de l'Italie). Les modèles traditionnels de prédiction du givrage utilisés par ces laboratoires prennent en compte les flux continus de gouttelettes incidentes et l'écoulement continu de l'eau le long de la surface glacée. L'approche innovatrice du CNRC en matière de modélisation de l'accumulation de la glace, soit la modélisation morphogénétique, tient compte du comportement tridimensionnel d'un ensemble d'éléments fluides qui se précipitent sur la surface givrée, se déplacent le long de celle-ci et y gèlent.

« Cette approche permet de prédire l'accrétion ou l'accumulation de la glace simultanément sous la forme de givre et de verglas, les accumulations de densité variable ainsi que des caractéristiques tridimensionnelles complexes, comme les queues de homard, les plumes de givre, les ondins glaciels et les rigoles, précise M. Szilder. Aucun autre modèle n'est capable de prédire ces éléments importants sur les voilures en flèche, éléments dont la morphologie influe de façon considérable sur l'écoulement de l'air sur l'aile et, par conséquent, sur la sécurité du vol. »

L'équipe se prépare actuellement à valider son code 3D au moyen d'essais en soufflerie. Durant le mois d'août, elle reproduira des conditions de simulation par ordinateur spécifiques dans la soufflerie de givrage en altitude du CNRC, en utilisant une voilure en flèche à 30 degrés et à 45 degrés exposée au flux. Au moyen de balayages tridimensionnels des différentes formes de glace et des techniques de traitement d'images, l'équipe comparera les deux ensembles de résultats. Si les données des essais en soufflerie viennent valider les données de simulation, l'exactitude de la modélisation 3D sera ainsi prouvée. Les constructeurs d'aéronefs et les organismes de réglementation en matière de sécurité pourront dès lors se fier sur le modèle et en accepter les résultats aux fins de la certification des aéronefs. La validation en soufflerie permettrait en outre d'utiliser la modélisation dans d'autres applications d'ingénierie, comme celles concernant l'accumulation de la glace sur les aérogénérateurs, les lignes de transport d'énergie et les câbles de pont, causée par la pluie verglaçante ou le crachin.

Forte de l'expérience qu'elle tirera de ces essais, l'équipe appliquera ensuite sa modélisation aux grosses gouttelettes en surfusion (GGS), lesquelles ont été incluses récemment dans les règlements de la FAA et de l'EASA, aux États-Unis. Ces gouttelettes ont un diamètre allant de 0,1 mm à plus de 1 mm et peuvent geler sur des parties de l'aéronef qui ne sont pas protégées par des systèmes de protection givrage déjà en place. Ainsi, les constructeurs auront besoin d'avoir accès aux simulations afin de pouvoir évaluer l'impact des conditions de GGS sur l'exploitation sécuritaire continue des appareils. Aux fins de la certification des aéronefs pour utilisation dans des environnements avec GGS, la simulation par ordinateur doit être validée par des essais en vol en conditions de GGS ou par des essais en soufflerie. C'est pour répondre à ces nouvelles exigences réglementaires que le CNRC mettra à niveau ses souffleries et garantira ainsi que les constructeurs d'équipement d'origine puissent certifier leurs composants efficacement en termes de coûts.

Les données de validation définitives découlant des essais à venir placeraient la modélisation de l'équipe à l'avant-garde de ce domaine. De là, celle-ci entend consentir une licence à une entreprise canadienne qui souhaiterait développer le concept en un produit commercial.

L'élaboration et la validation du code de givrage 3D font partie d'un projet qui reçoit l'appui du programme Réduction des risques de givrage en aéronautique du CNRC.