Travaux antérieurs sur les traînées de condensation dans le champ proche
d’un avion :

Maintenant que nous avons introduit le principe de formation des traînées de condensation, nous allons répertorier dans cette section quelques travaux récents en lien avec la modélisation des traînées de condensation dans le champ proche d’un avion.

Travaux antérieurs

Les travaux de (Maglaras, 2007) et de (Garnier, Maglaras, Morency, & Vancassel, 2014) ont porté sur la modélisation d’un jet rond de turboréacteur avec microphysique. Leur objectif était de mieux comprendre les phénomènes microphysiques se produisant dans le régime jet. Les auteurs ont utilisé la même méthodologie, à savoir une méthode LES, couplée avec une approche Lagrangienne. La croissance des cristaux de glace est calculée par l’équation du Fukuta et Walter (Fukuta & Walter, 1970a).. (Maglaras, 2007) a montré que les caractéristiques thermodynamiques du milieu dans lequel le jet évolue et les paramètres initiaux relatifs aux particules influent sur l’ensemble des propriétés des cristaux de glace, tels que leur nombre, leur taille, la vitesse auxquels ils se forment et s’évaporent. (Garnier et al., 2014) se sont focalisés sur les effets de compressibilité sur la formation des cristaux de glaces pour deux nombres de Mach différents (0,2 et 1). Les résultats montrent que la croissance des cristaux de glace est vraiment affectée par le mélange relatif aux deux nombres de Mach.

(Kärcher & Yu, 2009) ont étudié les propriétés microphysique d’un jet propulsif de turboréacteur (< 5 s) à l’aide d’un modèle de microphysique en 0D/1D. L’objectif de leurs travaux était d’étudier les conditions ambiantes atmosphériques, comme la température, et le rôle des particules de suies sur la formation des traînées de condensation. Plus la température ambiante est basse (213 K), plus la saturation en eau et la densité de cristaux de glaces dans le jet propulsif sont importantes. Une diminution de la densité initiale de particules de suies amène à un abaissement du nombre de cristaux de glace formé. Les auteurs ont également montré l’existence de plusieurs régimes concernant l’indice d’émission des particules de suies.

(H. W. Wong & Miake-Lye, 2010) ont étudié le régime jet (< 5 s) à travers une modélisation 0D/1D. Le but de leurs travaux était d’étudier la formation des cristaux de glace dans le champ proche d’un avion jusqu’à 1000 m en aval (< 5 s). Leurs résultats suggèrent que les émissions de particules de suies ont une influence notable sur les propriétés des cristaux de glace tels que leur taille ou encore leur densité initiale. La taille des cristaux de glace dépend de la densité initiale de particules de suies. Les auteurs montrent que la quantité de vapeur d’eau dans le jet propulsif influent sur la croissance des cristaux pour les 1000 premiers mètres. Au-delà, les cristaux de glace sont formés à partir de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Autrement, il est montré que la majorité des cristaux est formé par la condensation de la vapeur d’eau autour des particules de suies, c’est-à-dire par la nucléation hétérogène. Des concordances sont obtenues avec les travaux de (Kärcher & Yu, 2009) en ce qui concerne l’influence de la densité initiale de particules de suies sur les propriétés des cristaux formés.

Par la suite, ces travaux de modélisation 0D/1D de (H. W. Wong & Miake-Lye, 2010) ont été comparés face à des résultats expérimentaux de (H. W. Wong et al., 2013). Les recherches menées avaient pour but d’identifier des effets de la vapeur d’eau initiale dans le jet, la densité initiale de suies et les conditions atmosphériques sur la formation des cristaux de glace. Les expérimentations ont été effectuées dans une chambre reproduisant les conditions atmosphériques de vol d’un avion pour diverses altitudes allant jusqu’à 40 000 pieds. Les résultats des mesures montrent qu’une certaine quantité de vapeur d’eau initiale est requise pour déclencher la formation des cristaux de glace lorsque des particules de suies sont présentes. Aussi, lorsqu’aucune particule de suie n’est introduite dans la chambre, la formation des cristaux de glace par la voie homogène, c’est-à-dire sans support solide, se trouve défavorable. Enfin, les auteurs mentionnent l’existence d’une compétition des particules de suies pour la condensation de la vapeur d’eau, et qu’une haute densité initiale de suies conduit à la formation de cristaux de glace de taille plus petite.

À plus grande échelle, (Khou, Ghedhaifi, Vancassel, & Garnier, 2015) ont réalisé une étude numérique en 3D sur la formation d’une trainée de condensation avec une configuration « réaliste » d’avion commercial. L’objectif était d’étudier la phase de développement des traînées de condensation (< 0,5 s) dans le champ proche d’un avion commercial. Les calculs ont été réalisés avec une méthode RANS et une approche Eulérienne pour modéliser le mouvement des particules. Les résultats montrent l’influence de l’humidité relative sur les propriétés des cristaux de glace. L’augmentation de l’humidité relative ambiante joue un rôle important au niveau local puisqu’elle augmente la fraction de particules saturées dans un jet propulsif et elle augmente le taux de condensation. Par conséquent le rayon moyen des particules est plus gros.

Influence des paramètres sur la formation des traînées de condensation

Dans cette section sont présentés les différents travaux d’auteurs qui ont étudié l’impact de plusieurs paramètres sur les propriétés de formation des traînées de condensation dans le champ proche d’un avion. Dans le champ proche d’un avion, deux grands types de paramètres ayant un impact sur les propriétés des cristaux de glace ont principalement été étudiés :
• les paramètres de sortie d’un turboréacteur,
• les paramètres atmosphériques.

Les paramètres de sortie d’un turboréacteur 

Les paramètres de sortie du turboréacteur étudiés dans ce mémoire qui peuvent avoir une influence sur les propriétés microphysiques des cristaux de glace sont le nombre initial de particules de suies, la quantité initiale de vapeur d’eau et le rayon initial des particules de suie.

Nombre initial de particules de suies
Dans beaucoup d’études (Kärcher et al., 2015; Khou et al., 2015; Paoli et al., 2013), le nombre initial de particules en suies apparait comme un facteur clé contrôlant la formation des cristaux dépendamment de la température. En effet, la densité numérique de particules influe sur les propriétés des cristaux formés dans la traînée de condensation (Schumann, 2005). Une densité numérique de particules de suies élevée (Np ≈ 10¹² #.m⁻³) favorisera la formation de particules avec un rayon moyen plus faible comparé à une densité numérique de particules plus faible (Np ≈ 10 ⁹ #.m⁻³) (Guignery, 2010; Kärcher et al., 1996). Pour une même quantité de vapeur d’eau dans le jet propulsif, il existe un phénomène de compétition entre les particules de suies sur la condensation de la vapeur d’eau autour des particules. Les particules en densité numérique inférieure disposent d’une plus grande quantité de vapeur d’eau. Ainsi, davantage d’eau va se condenser sur les particules. Plusieurs régimes distincts existent pour lesquels le nombre initial de particules de suies joue un rôle dans la formation des traînées de condensation (Kärcher & Yu, 2009; H. W. Wong et al., 2013; H. W. Wong & Miake-Lye, 2010). En fonction du régime (riche, intermédiaire ou pauvre en suies), le mécanisme de formation des cristaux de glace par nucléation n’est pas le même. Également, Kärcher et al. montrent que le rayon maximal des particules dépend directement de la densité de particules de suies, pour une même quantité de vapeur d’eau (Kärcher et al., 1996).