Mesures physiques

Impact des aéronefs sur l'atmosphère
Dynamique et microphysique du sillage

Processus microphysiques dans le sillage

Le département travaille depuis plusieurs années au développement de moyens permettant aux industriels et spécialistes du climat d’évaluer plus finement l’impact de l’aviation sur l’atmosphère. Il développe en particulier des codes permettant de simuler la formation des aérosols et des traînées de condensation en fonction des régimes-moteur, des types de carburants utilisés et des conditions de vol.

Les phénomènes mis en jeu lors de la formation de la trainée sont résumés sur ce schéma.

Développés à l’origine en partenariat avec l’Université de Strasbourg, ces codes prennent en compte les différentes phases de la vie des particules dans le panache ainsi que les différents processus physico-chimiques qu’elles subissent dans le sillage. Les derniers développements s’orientent vers l’étude de l’influence la géométrie du panache sur la taille moyenne des particules, ainsi que sur l’influence des composés organiques (hydrocarbures imbrûlés).

Evolution de la taille moyenne des particules volatiles dans le panache d’un Airbus A340 (à 231 K, 240 hPa)

Des codes de cinétique chimique permettant d’étudier l’évolution des effluents gazeux sont aussi développés sur la base du modèle INCA en collaboration avec le Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE) du CNRS.

Le département participe à de nombreux projets parmi lesquels le projet européen QUANTIFY, dans lequel le département étudie la chimie et la microphysique du sillage dans le champ proche de l'avion ou encore le projet SWAFEA dédié à l'impact des futurs carburants alternatifs.

Les partenaire de l'ONERA dans ce domaine sont le LSCE, le CERFACS (Centre d’Enseignement, de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique), le DLR (Institut de recherche aérospatial Allemand), ainsi que Airbus.

Influence des caractéristiques géométriques de l’avion sur la formation des traînées de condensation (contrails)

L’apparition des traînées de condensation dépend non seulement des conditions atmosphériques de vol, des émissions moteur, mais également de la dynamique du sillage en aval de l’avion. Aux extrémités des ailes sont générés deux tourbillons appelés « tourbillons marginaux ». Leurs propriétés sont étroitement liées avec les caractéristiques de l’avion. Ces tourbillons jouent un rôle très important dans les toutes premières phases d’apparition des cristaux de glace. En effet, les jets émis par les moteurs vont subir très rapidement le mouvement rotationnel de l’air imposé par leur présence. Les jets sont d’abord étirés puis complètement enroulés.

Les tourbillons marginaux jouent donc un rôle déterminant en favorisant le mélange des jets avec l’atmosphère. Cette dynamique est conditionnée par un certain nombre de facteurs liés à l’avion : son poids, la géométrie de ses ailes, la position relative de ses moteurs par rapport aux bouts d’ailes etc. 

Illustration 1 : Visualisation de la maquette et de l’enroulement du jet chaud émis par l’injecteur autour du tourbillon marginal généré par l’aile.

C’est dans ce contexte que le département travaille sur la mise au point d’un outil numérique capable d’intégrer non seulement des considérations microphysiques mais également aérodynamiques pour l’étude de l’apparition des traînées de condensation. Cet outil, en résolvant à la fois la dynamique du sillage (écoulement de l’air autour et en aval de l’avion) et les processus microphysiques qui y prennent place, permettra de déterminer la signature « contrail » d’un avion, dans des conditions atmosphériques déterminées.

Les développements microphysiques, récemment intégrés dans le code mutiphysique CEDRE de l’ONERA lors d’une Thèse qui a débuté en avril 2008, ont permis de mener des premiers calculs sur la formation d’une traînée de condensation dans le sillage d’une maquette simplifiée constituée d’une aile type NACA0012 et de deux injecteurs. Ces premiers résultats sont présentés au travers des illustrations 1 et 2.

Illustration 2 : Iso contours du rayon des particules à 5 envergures (gauche) et 8 envergures (droite) en aval de la maquette