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

Résumé

L'accumulation de neige et de givre sur les surfaces critiques des avions au sol ou en attente de décollage telles que les ailes, les gouvernes et les bords d'attaque altère leur surface, conduisant à des pertes de performances aérodynamiques lors du décollage qui, dans certains cas, se sont avérées néfastes. Pour éviter ce type d'accidents lors du décollage, des méthodes de dégivrage et de protection antigivre ont été développées. Les fluides antigivre et dégivrants appliqués sur les surfaces critiques des avions en attente de décollage sont parmi les méthodes les plus utilisées pour prévenir la formation de la neige ou encore pour la faire fondre.

Les fluides qui sont à base de glycol sont caractérisés par leur temps de protection, communément appelé temps d'endurance, qui est mesuré à partir d'une évaluation effectuée en chambre climatique selon la norme ARP5485. Le temps d'endurance est déterminé en exposant une plaque, recouverte d'un fluide antigivre, à des précipitations de neige artificielle sous 0 °C.

Le but de ce mémoire est de comprendre le comportement du fluide antigivre durant l'essai d'endurance à la neige, de déterminer les paramètres influençant l'échec du fluide, et d'élaborer un mécanisme expliquant l'échec du fluide.

Le montage expérimental défini dans la norme a été modifié afin de simplifier les phénomènes enjeu. Le montage expérimental utilisé durant les essais qui ont été effectués dans la chambre climatique de 9 m du LIMA consiste à une plaque plane en aluminium de 50 cm de longueur par 30 cm de largeur et d'une boîte à neige en aluminium munie d'un cylindre en acétal avec des trous demi-sphériques permettant à la neige de tomber sous forme de groupes selon deux intensités de 10 et 25 g/dm2/h. La plaque est parallèle au sol et entourée de parois isolées permettant aux précipitations de neige de s'accumuler et d'empêcher l'écoulement du fluide. Un élément chauffant situé sous la plaque permet de maintenir sa température à la valeur déterminée par la norme et deux thermocouples positionnés à l'interface plaque/élément chauffant permettent de mesurer et contrôler sa température. Un autre thermocouple est ajouté afin de mesurer la température du fluide durant l'essai. La chambre climatique est contrôlée par un automate afin de maintenir sa température au niveau désiré qui est de -5 °C, -10 °C, -14 °C, -25 °C. Le montage est relié à un automate qui maintient la température de la plaque à la valeur désirée en gérant l'énergie fournie à la plaque. L'automate et le montage sont reliés à un ordinateur, dans lequel un programme informatique permet l'enregistrement des températures de l'air, de la plaque et du fluide, de l'intensité des précipitations et de la masse de neige précipitée durant l'essai ainsi que de la puissance consommée. Les essais ont été effectués avec un fluide générique à base de propylène glycol; durant chaque essai, une quantité de 400 ml de fluide est versée sur la plaque, ce qui forme une couche d'épaisseur de 2,7 mm.

Les résultats ont montré que la température de l'air demeure constante avec de petites fluctuations régulières tout au long de l'essai pour toutes les conditions. Pour les essais effectués à une température supérieure à -25 °C, la température de la plaque débute à peu près à la valeur désirée et décroît rapidement à une valeur minimale. La diminution de température est compensée par une augmentation de puissance pour la ramener à la valeur désirée; par la suite, la puissance décroît vers une valeur nulle. Pour les essais réalisés à une température de -25 °C, la température de la plaque reste presque constante et aucune puissance n'est impliquée. La masse de neige qui induit l'échec ainsi que la puissance moyenne fournie à la plaque et le temps d'endurance du fluide diminuent exponentiellement avec la baisse de la température. La masse de neige est indépendante de la grosseur des trous et peu dépendante de l'intensité. Par contre, la puissance moyenne et le temps d'endurance sont indépendants de la grosseur des trous, mais ils sont dépendants de l'intensité de précipitation. Les observations visuelles effectuées durant les essais ont montré que seulement une fraction de la neige fond et se diffuse dans le fluide, l'autre fraction s'accumule dans le fluide. Les cristaux de glace qui s'accumulent dans le fluide forment aussi une 'slush' épaisse et uniforme à l'échec.

En raison de la neige qui s'accumule dans le fluide, de nombreux sites de diffusion sont présents à l'intérieur de celui-ci, permettant de conclure que la diffusion de l'eau est homogène et s'effectue presque instantanément dans le fluide. L'absorption de l'eau et de la neige décroît la concentration en propylène glycol du fluide et cette concentration diminue avec l'augmentation de la température. Par contre, le fluide n'est en mesure d'absorber qu'une certaine quantité d'eau, car l'énergie consommée n'est qu'une fraction de l'énergie disponible et que cette quantité dépend de la température de l'air. Cette diminution de concentration accroît la température de solidification du fluide. Lorsque la température de solidification est calculée à partir de la concentration d'eau liquide et solide excluant le 30 % de neige accumulée à l'échec, celle-ci est égale à la température de l'air.

Les résultats issus de ce travail ont permis d'élucider certains aspects liés aux essais d'endurance de neige. L'échec débute lorsque la température de solidification du fluide est égale à la température de l'air. À ce moment, le fluide n'est plus en mesure d'absorber de l'eau, la neige ne fond plus, mais s'accumule dans le fluide pour former une 'slush' qui s'épaissit avec le temps. Lorsque le fluide est saturé d'eau et de particules solides, la neige s'accumule sur la surface. Lorsque la surface est recouverte de 30 % de neige, l'échec est déclaré. Cependant, d'autres travaux sont requis afin de produire un modèle numérique pour prédire l'échec : (1) Réaliser les mêmes essais avec les fluides utiliser en industrie et comparer les résultats avec ceux du fluide générique. (2) réaliser des essais avec une plaque plane inclinée à 10°. Vérifier si les mêmes paramètres sont impliqués et vérifier l'effet de la viscosité du fluide.