Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

De façon à assurer des décollages sécuritaires dans les aéroports nordiques, on dégivre et on prévient la formation de glace sur les avions en attente de décollage par l'application de produits dégivrants et antigivre. Même si ces produits s'éliminent en majeure partie pendant la période d'accélération précédant l'envol, le film résiduel encore en place sur l'aile au moment du décollage contribue à réduire la portance de l'avion et en augmenter la traînée, plus particulièrement lorsqu'il décolle lors de tempêtes de neige et de verglas.

Le présent mémoire présente les résultats d'une étude expérimentale visant à faire ressortir les effets perturbateurs aérodynamiques déterminés à partir de l'épaisseur de la couche limite (ECDL) au-dessus du fluide résiduel lorsque ce dernier est contaminé par deux types de précipitations, soit la bruine verglaçante et la neige. À cette fin, on a comparé lors d'un décollage simulé les caractéristiques d'élimination d'une couche de fluide de 1,5 mm d'épaisseur dans trois conditions de contamination - prédilution, bruine verglaçante et neige. Les essais aérodynamiques ont été effectués avec quatre produits commerciaux certifiés, deux dégivrants de type I offrant une protection limitée à quelques minutes et deux fluides antigivre de type II et IV présentant des temps de protection respectifs de moyenne et longue durée. Un fluide de référence a été également utilisé pour fin d'étalonnage.

Les essais aérodynamiques réalisés sont semblables aux essais normalisés utilisés pour la certification des produits commerciaux; leur particularité vient de ce qu'ils ont été réalisés dans une soufflerie mobile de petite dimension opérée à l'intérieur d'une chambre climatique maintenue à température constante. La paroi du haut de la soufflerie s'ouvre pour permettre l'exposition sur toute la surface d'essai du fluide candidat aux gouttelettes surfondues de 150 jam simulant la bruine verglaçante ou aux flocons de neige distribués à la main. Les différents niveaux de dilutions retenues, compris entre 0 et 70 %, reproduisent les effets de la dilution dynamique occasionnée dans le fluide résiduel au moment du décollage par les particules de glace ou les gouttelettes surfondues. Les pourcentages de dilution sont les valeurs calculées à partir de l'intensité et la durée de la bruine verglaçante ou de la masse totale de neige distribuée dans une couche de fluide d'épaisseur connue. L'acceptabilité aérodynamique des produits est déterminée lors du décollage simulé, comme dans l'essai aérodynamique normalisé, à partir de la valeur de l'ECDL mesurée à 30 secondes.

Les produits commerciaux soumis aux essais présentent des comportements aérodynamiques différents selon le type de fluide, la température de l'essai, le niveau de dilution et la nature de la contamination. Les deux fluides dégivrants de type I, se sont montrés acceptables à -10 °C sur le plan aérodynamique avec des valeurs de l'ECDL comparables à l'erreur expérimentale jusqu'à ce que soient atteints des niveaux de dilution de 50 % où le mélange avoisine alors le point de congélation; en haut de 50 %, il y a formation, avant ou durant l'essai, de «névasse», constituée d'un mélange hétérogène de glace et de fluide, qui fait augmenter brusquement les valeurs de l'ECDL. À -20 °C, le comportement est similaire sauf que la «névasse» commence à se former à des pourcentages de dilution aussi faibles que 20 %. Pour sa part, le produit antigivre de type II de moyenne durée ne s'est pas montré acceptable sur le plan aérodynamique à -10 °C et à -20 °C alors que le fluide de type IV offrant la meilleure protection est acceptable jusqu'à ce que de la «névasse» commence à se former, plus précisément à partir de 70 % de dilution à -10 °C et de 50 % à -20 °C.

Avec les quatre produits commerciaux étudiés, la diminution de la performance aérodynamique caractérisée par la brusque augmentation de l'ECDL a toujours été confirmée par l'observation visuelle de plaquettes de «névasse» formée avant ou au cours de l'essai. La rugosité créée par la «névasse» formée en surface perturbe la couche limite à l'interface entre l'air et le fluide, augmentant alors considérablement la valeur de l'EDCL.

Avec les produits de type I, aucune différence significative sur le plan aérodynamique n'a été observée avec les trois types de contamination correspondant à l'état prédilué, ou après exposition aux gouttelettes surfondues et à la neige. Avec les produits de types II, les valeurs les plus élevées de l'ECDL sont celles obtenues avec la neige tandis que les plus faibles sont celles mesurées avec le produit à l'état prédilué. Avec la bruine verglaçante, les valeurs de l'EDCL mesurée avec les produits de types II et IV sont proches de celles du fluide prédilué. Les fluides prédilués constituent des solutions parfaitement homogènes. La «névasse» va s'y former par plaquettes aux endroits où la température du fluide dilué avoisine le point de fusion; ces dernières gèlent alors de façon spontanée.

Dans le cas des produits exposés aux gouttelettes surfondues et aux particules de neige, les temps de diffusion des gouttelettes surfondues et de dissolution des particules de neige sont relativement courts, étant limités à la période de temps allant du début de l'exposition à la précipitation au démarrage de l'essai. Le fluide devient non homogène, étant plus dilué en surface qu'en profondeur, favorisant alors le développement de «névasse» en surface à un niveau de dilution plus faible qu'avec un fluide homogène. Sur la base de ces résultats, l'acceptabilité aérodynamique du fluide ne serait pas bien évaluée dans les tests standards effectués avec seulement les fluides prédilués, en particulier, pour les fluides antigivre offrant une protection de moyenne et longue durées. Si le fluide résiduel prédilué au moment de l'envol est parfaitement homogène, le fluide dilué dynamiquement, i.e. contaminé par les précipitations glacées, est hétérogène, ce qui affecte son comportement aérodynamique en raison de la plus grande rugosité de surface qui s'y développe à l'interface air-fluide.