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

Résumé

Les hivers canadiens donnent lieu à de nombreuses intempéries liées au froid. En effet, dans cette région du monde, les températures, parfois extrêmes, conduisent à des précipitations récurrentes telles que la neige, la bruine ou la pluie verglaçante, etc. Cette contamination des surfaces est une problématique importante pour les aéroports canadiens qui doivent maintenir une qualité de piste avec une faible glissance pour que les avions puissent circuler sur la piste en toute sécurité. Afin de maintenir un état de surface approprié pour la piste, ces derniers utilisent des outils mécaniques (grattes, balais, fraiseuse, etc.) mais aussi des produits chimiques hivernaux qui assurent la fusion de la contamination accumulée ou qui protègent la piste avant une précipitation. Toutefois, il n’existe aucune norme guidant précisément les aéroports dans le dégivrage et l’antigivrage des pistes. En effet, Transport Canada possède et partage des normes pour aider aux opérations mais aucun guide précis comme pour le dégivrage et l’antigivrage des aéronefs. Un avion bien dégivré et protégé est crucial mais, s’il décolle ou qu’il atterrit sur une piste contaminée par de la neige ou de la glace, cela devient dangereux. En effet, des accidents se produisent encore. De plus, les produits chimiques utilisés ont un coût mais surtout un impact écologique. Donc juste en épandre énormément dans le doute de se dire « trop c’est mieux que pas assez » reste une solution néfaste à long terme. Les normes de la SAE donnent le point de congélation comme actuel et seul critère évalué d’échec hivernal. Il existe tout de même trois essais normés de performance en dégivrage, utilisés à des fins de comparaison entre les produits, leurs résultats restants toutefois informationnels. De plus, il n’existe aucune donnée en antigivrage ni sur le taux d’épandage. Cette thèse, effectuée avec la collaboration des aéroports de Montréal, vise donc à développer une méthodologie en laboratoire pour évaluer la performance des produits chimique de dégivrage et d’antigivrage utilisés pour les pistes d’aéroport. Cette méthodologie intègre les connaissances issues de la littérature, des observations sur le terrain et des expérimentations. Un modèle dynamique a été élaboré dans la première phase du projet afin d’approfondir les connaissances sur l’interaction entre le produit chimique et la glace lors de la pénétration de cette dernière. Nous avons observé que le mode dominant de transfert de chaleur est la convection laminaire naturelle. Le modèle prédit une longueur de fusion uniforme pour l'ensemble de la section du tube. Ainsi, cette modélisation simplifiée de la pénétration de la glace à l'aide de l'AS6211 prédit de manière acceptable une vitesse de pénétration de la glace (mm/min), confirmée par les résultats expérimentaux. La seconde phase du projet s’est focalisée sur l’interaction physico-chimique entre de la glace et un produit chimique solide grâce à l'analyse couplée par spectroscopie Raman et thermographie infrarouge. Grâce à ces techniques d'analyse, il est possible de déterminer l'évolution de la concentration du produit chimique en solution et la température radiative de surface tout au long de l'action de ce produit chimique sur le contaminant solide. Les phases initiales du contact entre le celui-ci et la glace impliquent des réactions de fusion exothermiques qui génèrent de la saumure, suivies d'un échange de chaleur avec la glace IV

environnante pour encourager la fonte. La phase finale est la fonte complète du contaminant solide, qui ne laisse que de la saumure avec un échange de chaleur réduit à la surface. Par la quantification de ces changements thermiques et chimiques, nous comprenons mieux la fonte de la glace liée aux produit chimique, et une évaluation plus solide peut être fournie aux aéroports les utilisant. Enfin, la dernière phase du projet s’est intéressée à l’activation mécanique des produits chimiques. L'activation mécanique joue un rôle essentiel dans l'efficacité du produit de dégivrage des pistes en tant qu'agent antigivrant. Par exemple, si une saleuse assure une activation mécanique par broyage du produit en roulant dessus, cela peut permettre aux aéroports d'éviter d'épandre à nouveau du produit et de réduire le risque de saturation des pistes, ce qui permet d'économiser de l'argent et de prolonger la durée d'action du produit. C'est pourquoi un Simulateur de Trafic Aéroportuaire (STA) a été développé afin de reproduire en laboratoire les conditions réelles d'exploitation hivernale des pistes d'aéroport et de leur environnement. Le temps d'efficacité du produit augmente au fur et à mesure que la température croît et que l'intensité des précipitations diminue. Cette relation souligne l'importance de le prise compte des conditions météorologiques pour déterminer la stratégie d'application optimale du produit. En outre, le broyage par le STA d'un produit a démontré qu'une activation mécanique plus fréquente améliore de manière significative l'efficacité du produit en tant qu'agent antigivre. Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet constituent la base à l'élaboration d'un cadre analytique plus large, grâce à la méthodologie robuste élaborée, qui peut être étendue à d'autres conditions météorologiques. Grâce aux outils de caractérisation physique et chimique, il est possible de déterminer la concentration en produits et la température de surface du fluide contaminant présent sur les pistes, tandis que le modèle thermodynamique élaboré dans la première phase du projet permet d’évaluer leur performance curative en présence de contaminants divers (glace, neige, slush, etc.). Grâce à ce travail, les opérations hivernales gagneront en efficacité dans de multiples aspects comme la sécurité, le coût mais aussi l’impact environnemental.

ABSTRACT Canadian winters give rise to a great deal of cold-related bad weather. In fact, in this part of the world, the sometimes extreme temperatures lead to recurrent precipitation such as snow, drizzle or freezing rain. This surface contamination is a major problem for Canadian airports, which have to maintain runway quality with low slipperiness so that aircraft can taxi safely. To maintain an appropriate runway surface condition, they use mechanical tools (scrapers, brooms, milling machines, etc.) as well as winter chemicals to melt away accumulated contamination or protect the runway before precipitation. However, there are no standards to guide airports precisely in de-icing and anti-icing runways. In fact, Transport Canada has and shares standards to help operations, but no precise guidelines as for aircraft de-icing and anti-icing. A properly de-iced and protected aircraft is crucial, but if it takes off or lands on a runway contaminated by snow or ice, it becomes dangerous. Accidents still happen. What's more, the chemicals we use have a cost and, above all, an ecological impact. So just spraying a lot of them, in the doubt that “too much is better than too little”, remains a harmful solution in the long term. SAE standards give the freezing point as the current and only evaluated criterion for winter failure. There are, however, three standardized de-icing performance tests, which are used to compare products, although their results remain informative. Moreover, there are no data on anti-icing or spreading rates. The aim of this thesis, carried out in collaboration with Montreal's airports, is to develop a laboratory methodology for assessing the performance of de-icing and anti-icing chemicals used on airport runways. This methodology integrates knowledge from the literature, field observations and experiments. A dynamic model was developed in the first phase of the project to gain a better understanding of the interaction between the chemical and the ice during ice penetration. We observed that the dominant mode of heat transfer is natural laminar convection. The model predicts a uniform melting length for the entire tube cross-section. Thus, this simplified modeling of ice penetration using the AS6211 predicts an acceptable ice penetration velocity (mm/min), confirmed by experimental results. The second phase of the project focused on the physico-chemical interaction between ice and a solid chemical, using coupled analysis by Raman spectroscopy and infrared thermography. Thanks to these analysis techniques, it is possible to determine the evolution of the concentration of the chemical in solution and the radiative surface temperature throughout the action of this chemical on the solid contaminant. The initial phases of contact between the chemical and the ice involve exothermic melting reactions that generate brine, followed by heat exchange with the surrounding ice to encourage melting. The final phase is the complete melting of the solid contaminant, leaving only brine with reduced heat exchange at the surface. By quantifying these thermal and chemical changes, we gain a better understanding of chemical-related ice melting, and a more robust assessment can be provided to airports using them. Finally, the last phase of the project focused on the mechanical activation of chemicals. Mechanical activation plays an essential role in the effectiveness of runway de- VI icers as anti-icing agents. For example, if a spreader provides mechanical activation by crushing the product as it rolls over it, this can enable airports to avoid re-spraying product and reduce the risk of runway saturation, saving money and extending the product's duration of action. For this reason, an Airport Traffic Simulator (ATS) has been developed to reproduce in the laboratory the actual winter operating conditions of airport runways and their environment. As temperature rises and precipitation intensity falls, the product's effectiveness increases. This relationship underlines the importance of taking weather conditions into account when determining the optimum product application strategy. In addition, STA milling of a product has shown that more frequent mechanical activation significantly improves the product's effectiveness as an anti-icing agent. The results obtained in this project form the basis for the development of a broader analytical framework, thanks to the robust methodology developed, which can be extended to other weather conditions. Thanks to physical and chemical characterization tools, it is possible to determine the product concentration and surface temperature of the contaminating fluid present on the tracks, while the thermodynamic model developed in the first phase of the project enables us to assess their curative performance in the presence of various contaminants (ice, snow, slush, etc.). Thanks to this work, winter operations will be more efficient in many respects, including safety, cost and environmental impact.