Développement d'une méthode numérique originale pour la simulation du cycle de vie d'une traînée de condensation

Abstract

Condensation trails, or contrails, are long ice clouds visible in aircraft wakes on clear days. Their radiative forcing impact is estimated to be twice that of carbon dioxide emissions. However, this estimate is currently debated due to significant uncertainties surrounding the value. These uncertainties highlight the need for further studies to better understand the formation and evolution of contrails, from the creation of initial ice crystals to their possible transition into induced cirrus clouds that can persist for several hours in the troposphere. Such studies are challenging due to the wide range of spatial and temporal scales involved in the life cycle of a contrail.This thesis proposes a numerical methodology for simulating contrails, from the formation of the initial crystals to the dissipation of wingtip vortices. The originality of this method lies in its ability to simulate the formation and evolution of contrails without relying on analytical formulations to initialize the calculations, as is commonly done in the literature. This approach allows for a comprehensive consideration of near-field effects on contrail evolution in the far field, particularly by accounting for the influence of aircraft geometry on the aerodynamic wake.The application of this methodology to a realistic aircraft geometry under standard atmospheric conditions highlighted the significant impact of horizontal tailplane vortices, through the development of short-wavelength instabilities on the wingtip vortices, profoundly altering the structure of the secondary wake. Comparisons with classical approaches showed that contrails obtained using the method developed in this thesis are opaque and wider, potentially having a greater warming effect.Les traînées de condensation sont les longs nuages de glace visibles dans les sillages d'avion les jours de temps clair. Leur impact en termes de forçage radiatif est estimé à deux fois celui des émissions de dioxyde de carbone. Néanmoins, cette estimation est aujourd'hui controversée en raison des fortes incertitudes entourant cette valeur. Ces incertitudes traduisent en réalité le besoin de mener d'avantage d'études pour mieux comprendre la formation et l'évolution des traînées de condensation, de la création des premiers cristaux jusqu'à la transition possible de la traînée en cirrus induit pouvant persister plusieurs heures dans la troposphère. Ces études sont rendues difficiles en raison de la grande diversité d'échelles spatiales et temporelles relative au cycle de vie d'une traînée de condensation. Cette thèse propose alors une méthodologie numérique pour la simulation des traînées de condensation de la formation des premiers cristaux jusqu'à la destruction des tourbillons marginaux. L'originalité de cette méthode tient dans sa capacité à simuler la formation et l'évolution d'une traînée de condensation sans avoir recours à une formulation analytique pour initialiser les différents calculs, comme cela est réalisé classiquement dans la littérature. Une telle approche permet alors de pleinement considérer les effets du champ proche sur l'évolution de la traînée dans le champ lointain, notamment via l'influence de la géométrie de l'avion sur le sillage aérodynamique. L'application de la méthodologie à une géométrie réaliste d'avion et pour des conditions atmosphériques standards a permis de mettre en évidence l'impact significatif des tourbillons d'empennage horizontal via le développement d'instabilités de courte longueur d'onde sur les tourbillons marginaux, modifiant alors profondément la structure du sillage secondaire. La comparaison avec les approches classiques a montré que les traînées de condensation obtenues via la méthode développée dans cette thèse sont plus opaques et plus larges, avec potentiellement un effet réchauffant plus important