Modelling and simulation of the ice accretion process on fixed or rotating cylindrical objects by the boundary element method = Modélisation et simulation des accrétions de glace atmosphérique sur des objets cylindriques fixes et tournants par la méthode des éléments finis de frontière

摘要

L'objectif principal de la thèse proposée est de développer un nouveau modèle numérique en 2D qui est destiné principalement à simuler le processus d'accumulation de la glace atmosphérique sur les câbles de transport de l'énergie électrique. Dans une tentative de valider ce nouveau modèle, un certain nombre d'essais expérimentaux ont été effectués dans la soufflerie réfrigérée de la CIGELE. Les résultats obtenus de ces essais ont été alors comparés avec ceux fournis par notre simulation numérique pour valider le modèle.ududLe travail théorique est composé de deux phases. Dans la première, le processus de glaçage sur un câble fixe a été modélisé et les paramètres du modèle, tels 1' Efficacité de Collision Locale (LCE) et le Coefficient de Transfert de Chaleur local (HTC), ont été évalués. Cette évaluation est basée sur les résultats du calcul du flux d'air et de la trajectoire des gouttelettes d'eau en fonction du temps. Pour des accumulations en régime humide, le mouvement d'un film d'eau de surface a été suivi pour chaque pas de temps afin d'obtenir sa direction de déplacement et son épaisseur.ududDans la deuxième phase, le processus de glaçage sur un câble tournant a été spécifiquement étudié comme une extension du modèle nouvellement développé. Dans ce cas les moments de torsion dus à la gravitation et aux forces aérodynamiques ont été considérés dans le processus de rotation. Les forces aérodynamiques ont été calculées en intégrant la pression et le cisaillement de l'air le long de la surface de glace. Les calculs sur le flux d'air ont été mis à jour en temps réel. Par la suite, ce nouveau modèle a été appliqué pour analyser deux types de câbles de ligne aériens dans des conditions de givrage, le câble Bersimis et le câble de garde. Ainsi un certain nombre d'observations ont été faites.ududLes conditions appliquées dans les essais expérimentaux avec la soufflerie réfrigérée sont telles que les effets de la vitesse du vent, la taille du cylindre d'essai, le Diamètre Volumique Médian (MVD), et la température de l'air peuvent être révélés par les formes de glace obtenues. Ces conditions appliquées permettent d'obtenir des formes de glace en régime d'accumulation sec, humide ou mixte.ududCinq types de formes de glace obtenues à partir des simulations numériques et des expériences ont été élaborés et comparés dans nos travaux afin de valider le modèle de glace proposé. De ces comparaisons on peut retenir qu'en général, les formes de glace prévues par le modèle d'accumulation proposé correspondent bien avec les formes fournies par les essais expérimentaux. Néanmoins, ce modèle a tendance à sous-estimer la charge de glace surtout dans le cas où la température ambiante devient élevée et le régime humide dominant. Dans un tel cas, en soufflerie des glaçons se forment au-dessous des objets recouverts de glace et par conséquent si leur poids est ignoré dans le modèle numérique, une sous-estimation considérable de la charge de glace arrivera.ududNotre étude examine aussi l'impact de réchauffement par effet Joule ainsi que la taille des gouttelettes d'eau sur le processus d'accumulation de glace en utilisant un nouveau modèle d'accumulation. Ces effets, bien que significatifs, se sont toutefois avérés difficiles à confirmer par le procédé expérimental traditionnel. De plus, à l'aide de ce nouveau modèle, il devient possible de montrer la distribution de la densité de glace dans la masse accumulée.ud