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

Résumé

Cette thèse décrit un modèle morphogénétique qui prédit la forme et la masse de la glace accumulée sur un cylindre non energise, fixe ou tournant, suite à une pluie verglaçante. Les résultats du modèle sont comparés aux résultats expérimentaux et de modèles existants.

Le givrage atmosphérique des câbles et conducteurs de lignes de transmission d'énergie est l'un des facteurs à considérer, dans leur planification, construction et exploitation, dans les régions froides. Celles-ci sont soumises à des températures froides parfois accompagnées de tempêtes de verglas, dont l'impact socioéconomique peut être désastreux. Par conséquent, il est impératif de prévenir cette accumulation où d'en atténuer les effets. Une prédiction réaliste de l'accumulation de verglas est une solution économiquement viable.

Le givrage d'un cylindre est utilisé comme première approximation du givrage des conducteurs de phase ou câbles de gardes des lignes de transport d'énergie. Le modèle 3D présenté ici, traite de l'accumulation de verglas. Il en prédit la forme et la masse accumulée sur un cylindre, fixe ou tournant. Le modèle simule l'écoulement d'un film d'eau liquide à la surface du cylindre givré, par la méthode du «cheminement aléatoire». Cela se traduit par le cheminement aléatoire de particules liquides issues d'une discrétisation du film d'eau. La quintessence de cette approche est la détermination progressive de la glace à partir de chacune des particules. L'issue du cheminement est régie par la probabilité de congélation et le paramètre de délestage. La probabilité de congélation définit quand est-ce que la particule gèle. Quant au paramètre de délestage, il émule le comportement de la masse d'eau pendante sous le cylindre. La particule liquide quitte le cylindre recouvert de glace lorsqu'elle demeure sous le cylindre sans geler pendant une période supérieure au paramètre de délestage.

La méthode du cheminement aléatoire est une approche adéquate pour la prédiction de l'accrétion de glace, car elle permet d'inclure progressivement tous les processus physiques importants dans la modélisation. Elle simule aisément la formation de glaçons. Le rôle important des glaçons dans l'intensité du givrage s'est avéré.

Les résultats du modèle morphogénétique ont été comparés aux résultats expérimentaux. Cette comparaison s'est faite au plan qualitatif et quantitatif. Il en ressort des vraisemblances au plan qualitatif. Le modèle simule la formation de glaçons tel qu'observé expérimentalement. Mais il existe un écart considérable au plan quantitatif. Il y a une surestimation de la masse et de la longueur des glaçons de l'accumulation par le modèle numérique, dû au fait que le phénomène d'éclaboussure est ignoré. Autrement dit, la totalité du volume d'une particule interceptée est prise en compte dans le processus de givrage.

Les résultats du modèle ont étés comparés aux résultats des modèles de Jones, Goodwin, de Chaîné et Castonguay. Par ailleurs, les épaisseurs uniformes radiales équivalentes obtenues par ces modèles sont supérieures à celles simulées par le modèle morphogénétique dans une proportion de 15,33 et 169% respectivement. Les formes de Paccrétion de glace sont totalement différentes.

En pratique, les conducteurs des lignes électriques ne sont pas parfaitement horizontaux, en raison de la gravité et de leur flexibilité. Lorsqu'un cylindre est horizontal, on définit son angle d'inclinaison à 90°. Une diminution de cet angle de 90 à 85° entraîne une augmentation de la masse de la glace accumulée. Par contre une diminution de l'angle d'inclinaison de 85 à 60°, se traduit par une diminution de cette masse.

Le modèle numérique morphogénétique prend également en compte, la torsion des conducteurs de lignes aériennes de transport d'énergie. En effet, les conducteurs recouverts de glace sont parfois soumis à l'action du vent combinée à celle des forces gravitationnelles dues à la charge de glace qui provoquent leur torsion. Ce phénomène est approximé par un cylindre tournant. Finalement, l'accumulation de glace diminue avec la vitesse de rotation.