PhD defence Rémy Annunziata

Title:	Comprehensive study of installation effects on the formation and evolution of condensation trails in aircraft near-field

Mots clés : Traînées de condensation, Simulation numérique 3D, Géométries avions, Impact environnemental, Microphysique

Résumé : Les traînées de condensation, ou contrails, sont de longs nuages linéaires qui se forment dans le sillage des aéronefs. Dans des conditions atmosphériques favorables, elles peuvent persister, s’étendre et évoluer en cirrus induits par les contrails, contribuant ainsi de manière significative à l’impact environnemental de l’aviation. Dans ce contexte, et dans le double objectif d’identifier d’éventuelles stratégies d’atténuation tout en améliorant la compréhension des mécanismes gouvernant la formation et l’évolution des contrails, cette thèse s’intéresse à un paramètre de conception de l’avion susceptible d’être modifié : la position en envergure du moteur sous l’aile. Pour cela, des simulations numériques de haute-fidélité sont réalisées pour une géométrie réaliste d’avion et pour plusieurs positions de moteur représentatives de configurations existantes. Ces simulations décrivent la formation du contrail dans le champ proche et suivent son évolution jusqu’au régime de dissipation, au-delà duquel la dynamique tourbillonnaire ne contrôle plus la structure du sillage. Les résultats mettent en évidence une influence marquée de la position du moteur sur la formation des cristaux de glace dans le proche sillage de l’avion, principalement en raison des modifications de l’écoulement induites par les variations de l’interaction entre le jet et les tourbillons. Les variations de propriétés de la traînée de condensation ainsi obtenues sont du même ordre que celles produites par une variation de 10 % de l’humidité relative ambiante. Plus en aval, toutefois, les écarts générés dans le champ proche s’atténuent progressivement, et la position du moteur apparaît comme un facteur secondaire en comparaison des effets de la stratification atmosphérique et de la dynamique tourbillonnaire. Afin de dépasser certaines limites du modèle microphysique utilisé dans ce travail, une nouvelle méthodologie est également proposée pour représenter la phase dispersée, c’est-à-dire la population de cristaux de glace. Cette approche repose sur une formulation eulérienne multi-fluides originale dédiée à la formation des contrails. La dérivation complète de cette modélisation est présentée dans la thèse. Elle permet d’intégrer des particules multicomposantes, une description explicite de la polydispersité, ainsi que des extensions possibles de l’espace des phases afin de prendre en compte des phénomènes physiques additionnels. Dans cette étude, la masse de suie est retenue comme variable de conditionnement pour modéliser la formation des cristaux de glace dans les conditions actuelles de fonctionnement des turboréacteurs. La modélisation microphysique prend ainsi en compte l’activation des particules en gouttelettes liquides, leur congélation, puis la croissance des cristaux par déposition de vapeur d’eau. L’implémentation du modèle est ensuite vérifiée, démontrant que cette formulation est capable de simuler la formation de cristaux de glace sur les particules de suie.

Devant le jury composé de :

• Thomas Leweke (IRPHE, Centrale Méditerranée, Rapporteur),
• Roberto Paoli (Polytechnique Montréal, Rapporteur),
• Tânia Ferreira (Stanford University, Examinatrice),
• Nicolas Gourdain (ISAE-SUPAERO, Examinateur),
• Christian Tenaud (EM2C, CentraleSupélec, Examinateur),
• Marc Massot (CMAP, École polytechnique, Directeur de thèse),
• Nicolas Bonne (ONERA, Palaiseau, Co-directeur de thèse),
• François Garnier (ETS-Montréal, Encadrant de thèse),
• Karim Shariff (NASA Ames Research Center, Invité)

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