L’ACCRÉTION DE GLACE SUR UN CYLINDRE 

LES PRINCIPAUX PARAMÈTRES AFFECTANT L’ACCRÉTION DE GLACE

   Les hydrométéores et les averses comme le brouillard givrant et les pluies verglaçantes sont caractérisés par la teneur en eau liquide L WC (Liquid Water Content) en g/m3 qui est la quantité d’ eau contenue dans un volume d’ air donné, et le spectre du diamètre des gouttelettes d’ eau en surfusion qui est remplacé, pour la simplification, par la valeur médiane de la distribution MVD (Median V olumetric Diameter) en )lm. La captation des gouttelettes d’eau en surfusion ou des flocons de neige dépend de l’ interaction entre les paramètres caractérisant le phénomène. L’approche de Messinger (Messinger, 1953) identifie des paramètres affectant la fonne de glace qui s’ accumule sur les structures, en plus de la teneur en eau liquide L WC et du diamètre volumétrique médian MVD se retrouvent la forme des gouttelettes d’eau ou des flocons de neige, la vitesse de l’écoulement d’air Va, la température de l’ air Ta, l’altitude, le temps d’accrétion Lü et l’épaisseur selon la forme de l’objet (le diamètre du cylindre ou la corde du profil aérodynamique) (Fortin & Perron, Wind Turbine Icing and De-Icing, 2009). La température de l’air, la vitesse de l’ air et la teneur en eau liquide ont les effets les plus importants sur la forme de glace qui s’accumule dans des conditions données, avec une prédominance pour la température (Lozowski, Stallabrass, & Hearty, 1983). L’étude du givrage demande l’ accès à des nombreuses données météorologiques, comme la température, la vitesse du vent et la teneur en eau liquide, mais aussi la connaissance de données techniques précises sur les éoliennes du site étudié comme le diamètre du rotor, sa vitesse de rotation ou la géométrie des pales (Hochart C. , 2006).

LES RÉGIMES DE L’ACCUMULATION DE GLACE

   Il existe deux régimes principaux de l’accrétion de glace : le régime sec (le givre) etle régime humide (le verglas); ce qui détermine si le givre ou le verglas vont se former, c’est la capacité du milieu ambiant d’absorber la chaleur latente de solidification. La limite de Ludlam est la teneur en eau liquide critique qui définit la frontière entre l’accumulation en régime sec ou humide.
• Le régime sec (le givre) :L’accrétion de glace s’effectue en régime sec lorsque la teneur en eau liquide est inférieure à la limite de Ludlam (L.L.), la température de la surface est inférieure à la température de congélation de l’eau et la fraction solide est égale à 1. Cela signifie que toutes les gouttelettes d’eau en surfusion se solidifient en formant un noyau de congélation pour les autres gouttelettes qui frappent le même endroit. Toutes les gouttelettes d’eau surfondue qui heurtent l’objet gèlent à l’impact pour former une glace laiteuse appelée givre. Le givre est caractérisé par une solidification rapide en raison des petites gouttelettes d’eau en surfusion qui gèlent instantanément. Il est constitué d’une surface rugueuse composée d’une glace de faible densité qui est opaque et laiteuse, car un nombre élevé de bulles d’air est emprisonné à l’intérieur de la structure de glace (Saeed, 2003).
• Le régime humide (le verglas) :L’ accrétion s’ effectue en régime humide lorsque la teneur en eau liquide est supérieure à la limite de Ludlam, la température de surface avoisine la température de solidification de l’ eau et la fraction solide est comprise entre 0 et 1. Une partie des gouttelettes d’ eau en surfusion se solidifie et une certaine quantité d’ eau reste emprisonnée à l’intérieur de la matrice de glace lorsqu’une seconde gouttelette d’ eau arrive au même endroit. Cette eau sous forme liquide peut former de la glace spongieuse ou s’ écouler sous l’effet des forces aérodynamiques. Une fraction des gouttelettes d’ eau surfondue qui heurtent l’objet gèle à l’impact pour former une glace transparente appelée verglas dont la densité est de 917 kg/m3 . Le verglas (en régime humide) est plus important et il déforme considérablement le profil aérodynamique du à la formation de cornes (Fortin G. , Cours de la thermodynamique de la glace atmosphérique, 2009).

LES MODÈLES NUMÉRIQUES DE L’ACCRÉTION DE GLACE

  Depuis 1980, les modèles numériques ont été progressivement améliorés. Plusieurs groupes de recherche à travers le monde ont développé des modèles pour déterminer l’accrétion locale en régime sec et humide sur une aile d’avion. FENSAP-ICE 3D développé à l’université McGill (Canada) et décrit par Habashi (Habashi, Morency, & Beaugendre, 2001) peut prédire la formation de glace sur un avion en 3D. Le logiciel CIRA-LIMA a été réalisé pour simuler l’accrétion de la glace sur un objet bidimensionnel fixe. C’est un modèle développé par LIMA (Laboratoire international des matériaux antigivre) en collaboration avec le CIRA (Centre italien de recherche aérospatiale) (Ilinca, Fortin, & Laforte, Modele d’accretion de glace sur un objet bidimensionnel fixe applicable aux pales d’eoliennes, 2004). Un code de simulation en deux dimensions pour prédire la forme de l’accrétion de glace sur plusieurs sections de pale d’éolienne a été développé en 2006 dans le cadre des recherches menées par le Laboratoirede recherche en énergie éolienne (LREE) de l’Université du Québec à Rimouski (UQAR). Ce code, reposant sur le logiciel CIRA-LIMA, a également été vérifié expérimentalement par le Laboratoire international des matériaux antigivre (LIMA) de l’Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) (Hochart C. , 2006). Des essais en soufflerie réfrigérée basés sur les résultats de Hochart ont été réalisés par (Mayer, 2007) sur des pales éoliennes avec un système électrothermique afin d’étudier la rentabilité du système de dégivrage lors de la phase de conception d’un parc éolien en fonction des conditions climatiques propres au site d’installation du parc. L’étude bibliographique a montré que les codes réalisés et qui permettent de simuler la glace sont limités et orientés principalement vers l’aéronautique. Les modèles numériques pour simuler la condition de givrage sur les avions ne peuvent pas être appliqués directement aux éoliennes en raison de la rotation des pales et des nombres de Reynolds et Mach différents. Les applications les plus proches du cas des éoliennes sont celles des hélicoptères, bien que les objectifs ne sont pas compatibles vu que la recherche du givrage en aéronautique est orientée vers la sécurité, tandis que la recherche sur les éoliennes est orientée vers la rentabilité. L’ application de ces modèles sur les pales d’ éoliennes nécessite l’étude des écoulements autour des profils aérodynamiques plutôt que des cylindres, néanmoins les fondements physiques et numériques restent les mêmes.

CALCUL DES TRAJECTOIRES DES GOUTTELETTES n’EAU AVEC UNE APPROCHE LAGRANGIENNE

  La simulation des trajectoires des gouttelettes d’eau se base principalement sur les forces agissant sur les gouttelettes d’eau, sur l’échange thermique et massique entre les gouttelettes d’eau et l’ air et sur les caractéristiques de l’écoulement (Fortin G. , Cours de la thermodynamique de la glace atmosphérique, 2009). L’interaction des gouttelettes d’eau entre elles et la perturbation de l’ écoulement d’air par les gouttelettes d’eau sont négligées afin de réduire la complexité du problème.Le modèle mathématique est construit des équations différentielles de mouvements et des calculs de l’écoulement. La méthode de Runge-Kutta dans sa version dite d’ordre 4 est utilisée pour résoudre ces équations. Plusieurs scénarios de calcul sont appliqués et analysés en prenant chaque fois des conditions aux limites et initiales différentes concernant la position des gouttelettes, la vitesse à l’infinie de l’écoulement de l’air et celle des gouttelettes et le pas du temps. Une interface interactive flexible basée sur l’utilisation des feuilles de calcul Excel est utilisée pour démontrer les différents scénarios de calcul de la traj ectoire des gouttelettes d’eau dans l’écoulement d’air.

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Table des matières

REMERCIEMENTS
AVANT-PROPOS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 MISE EN SITUATION
1.2 PROBLEMATIQUE
1.3 OBJECTIFS
1.4 METHODOLOGIE
1.5 L’ETAT DE L’ART DU GIVRAGE
1.5.1 LES PRINCIP AUX PARAMETRES AFFECTANT L’ACCRETION DE GLACE
1.5.2 L’EFFICACITE DE LA COLLECTION
1.5.3 LES REGIMES DE L’ACCUMULATION DE GLACE
1.5.4 LES MODELES NUMERIQUES DE L’ACCRETION DE GLACE
1.6 SIMULATIONS NUMERIQUES DE L’ECOULEMENT D’AIR ET L’ACCUMULATION DE GLACE AUTOUR D’UN CYLINDRE
1.6.1 L’APPROCHE EULERIENNES AVEC CFX POUR L’ESTIMATION DE L’EFFICACITE DE COLLECTION
1.6.2 CALCUL DES TRAJECTOIRES DES GOUTTELETTES D’EAU AVEC UNE APPROCHE LAGRANGIENNE
CHAPITRE 2 UNE APPROCHE CFX MULTIPHASE POUR LA MODÉLISATION DE L’ACCRÉTION DE GLACE SUR UN CYLINDRE 
2.1 RESUME DU PREMIER ARTICLE
CHAPITRE 3 UNE INTERFACE INTERACTIVE LAGRANGIENNE POUR MODÉLISER L’ACCRÉTION DE GLACE SUR UN CYLINDRE – CAS DE TEST POUR LA MODÉLISATION DU GIVRAGE SUR DES PROFILS D’ÉOLIENNES
3.1 RESUME DU DEUXIEME ARTICLE
CHAPITRE 4 CONCLUSION GÉNÉRALE
4.1 BILAN ET AVANCEMENT DES CONNAISSANCES
4.2 LIMITATIONS DE LA RECHERCHE
4.3 TRAVAUX FUTURS
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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