Généralités sur les traînées de condensation

Généralités sur les traînées de condensation 

Les traînées de condensation sont composées de cristaux de glace issue de la condensation de la vapeur d’eau autour des suies émises par les moteurs d’avion. L’eau issue du moteur et l’humidité de l’air dans les couches de l’atmosphère rendent possible ce phénomène, entre autres facteurs. Les suies sont quant à elle produites dans les zones à richesse élevée (supérieure à la stœchiométrie) due à l’hétérogénéité du mélange dans les moteurs d’avion conduisant ainsi à une combustion incomplète. Les processus engendrant l’apparition des trainées de condensation dépendent également des conditions atmosphériques (température et pression entre autres). Plusieurs modèles décrivant l’évolution physico-chimique des effluents émis en vol de croisière ont été établis (par exemple [Kärcher et al., 1996b; Lewellen and Lewellen, 2001; Paoli et al., 2004]) pour décrire les phénomènes entrant en jeu dans la formation des traînées de condensations. Le but de ces recherches est de pouvoir établir une modélisation fiable de leur formation, de leur évolution et de leurs caractéristiques, afin de prédire leurs effets sur l’atmosphère et de les limiter.

La formation des traînées de condensation dans le panache des moteurs d’avion est principalement régie par trois phénomènes physiques agissant conjointement : la dynamique dans le sillage de l’avion [Montreuil et al., 2018], les réactions chimiques des espèces présentes dans le panache et les processus microphysiques [Kärcher et al., 1996b]. Ces derniers pilotent les phénomènes physiques qui ont lieu à l’échelle microscopique, principalement au niveau des molécules composant les effluents de l’avion. Les grandeurs décrivant ces trois processus dépendant les unes des autres. Aussi, les simulations numériques des traînées de condensation doivent inclure la description de ces processus de manière simultanée. La géométrie de l’avion influe sur le processus de mélange et donc sur la formation et sur l’évolution de la trainée de condensation par le biais de l’interaction entre les jets des moteurs et les tourbillons de bout d’ailes se développant dans le sillage de l’avion [Schumann et al., 1998]. La composition du panache est déterminée par les produits de combustion, par les espèces chimiques entrainées dans le panache lors du processus de mélange et par les réactions chimiques qui impliquant les différentes espèces. Enfin, les processus microphysiques interviennent notamment lors de la formation des aérosols par, coagulation, condensation/évaporation, congélation, etc.. Ces différents processus conduisent sous certaines conditions à la formation des cristaux de glace constituant les traînées de condensation.

Atmosphère terrestre 

La Terre est enveloppée par une couche gazeuse entre 0 et 1000 km environ. Elle est maintenue par gravité autour du globe terrestre. Cette couche appelée atmosphère est divisée en plusieurs couches concentriques  séparées par d’étroites zones de transition. L’atmosphère protège la vie sur Terre en absorbant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre) et en réduisant les écarts de température entre le jour et la nuit.

La troposphère est la couche de l’atmosphère terrestre située au plus proche de la surface du globe. Sa limite supérieure (tropopause) se situe en moyenne autour de 11 km d’altitude dans des zones tempérées, à 7 à 8 km au niveau des pôles () et s’élève au contraire en zones intertropicales à environ 18 km.. La tropopause est plus froide au-dessus des régions équatoriales, avec des températures atteignant les – 80°C, qu’elle ne l’est aux moyennes et hautes latitudes avec des températures variant entre – 50 et – 60°C. La troposphère contient approximativement 90% de la masse totale de l’atmosphère et 99% de sa vapeur d’eau. L’air contient également du gaz carbonique, des aérosols, des poussières, etc. La plupart des avions commerciaux volent à proximité de la tropopause .

Phases de formations du panache 

L’évolution du développement du panache dans le sillage de l’avion peut être décomposée en quatre phases, suivant une progression chronologique [Garnier et al., 1997 ; Gerz et Ehret, 1997]. Ces phases sont les suivantes : le régime jet, le régime tourbillonnaire, le régime de dispersion et le régime de diffusion  . Dans l’étude présentée ici, le panache se situe dans la première phase, c’est-à-dire celle correspondant au régime jet.

Régime de jet

Le régime jet correspond à l’écoulement dans les quelques secondes suivant l’éjection des gaz par le moteur. D’après Hoshizaki. [1972], la cinématique de mélange des effluents correspond initialement à celle d’un jet ordinaire dans l’air ambiant. Les tourbillons marginaux agissent ensuite sur le mélange de plus en plus significativement en s’éloignant de l’avion.

Le nombre de Reynolds, Re, donne une première caractérisation de la turbulence. Il est défini par Re = 𝑉𝐿/𝜈 où 𝑉, 𝐿, et 𝜈 représentent la vitesse, une longueur caractéristique et la viscosité cinématique de l’écoulement. Un nombre de Reynolds élevé, supérieur à 10⁴ , correspond à une turbulence pleinement développée [Dimotakis, 2000]. Pour le moteur d’un avion commercial classique volant à une vitesse de croisière de 240 m/s, avec un diamètre de jet en sortie de tuyère de 1 m et une viscosité cinématique de l’air à une altitude de croisière de 10 km, de 3,525⋅10⁻⁵ m² /s, le nombre de Reynolds ainsi calculé est de l’ordre de 10⁶ . Nous avons donc là un régime turbulent pleinement développé, le taux de dilution du mélange est alors très élevé. On définit ce taux de dilution comme étant le rapport d’un scalaire passif pris dans l’écoulement et d’une valeur de référence prise à son maximum [Garnier, 1997].