Depuis de nombreuses années, le givrage a été identifié comme un danger dans le domaine de l’aéronautique.L’accrétion de givre se produit lorsque des gouttelettes d’eau surfondue se déposent sur une surface, enparticulier le bord d’attaque d’une aile ou la lèvre d’entrée d’air moteur, et gèlent après l’impact. Ceci peutensuite engendrer une dégradation des performances aérodynamiques, un dysfonctionnement des sondes ouencore un endommagement du moteur. C’est pourquoi cette problématique est étudiée avec attention. Lesessais en vol et en soufflerie étant longs et coûteux, la simulation numérique de l’accrétion de givre est devenueun outil nécessaire dans le processus de conception et de certification des avions. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la modélisation 3D de l’accrétion de givre, et plus particulièrement des couches limites dynamique et thermique qui se développent autour du corps givré. Les outils numériques devant être rapides et robustes, l’approche proposée dans cette thèse pour le calcul aérodynamique est une méthode couplée Euler/couche limite intégrale. Ainsi, un modèle intégral est développé pour représenterle développement de la couche limite dynamique. La partie thermique est modélisée soit par une méthodesimplifiée basée sur des approches algébriques, soit par une méthode intégrale. Cette modélisation des coucheslimites dynamique et thermique est valable sur paroi lisse ou rugueuse et permet de fournir notamment lecoefficient de frottement et le coefficient d’échange thermique qui sont nécessaires pour un calcul d’accrétion degivre. Les équations intégrales de couche limite, associées à leurs relations de fermeture, sont ensuite résoluespar une méthode Volumes-Finis sur maillage surfacique non structuré, qui est bien adaptée pour les géométriescomplexes. De plus, des traitements numériques spécifiques sont mis en œuvre pour améliorer la précision dela méthode au voisinage du point d’arrêt et pour rendre le code robuste au passage du décollement.Après la validation de la méthode de couche limite, le code est utilisé dans les chaînes de givrage 2D et 3Dde l’ONERA pour des applications d’accrétion de givre. Ceci permet de montrer l’intérêt de la méthode entermes de robustesse et de précision par rapport aux codes de couche limite habituellement utilisés dans lescodes de givrage actuels. / Icing has since long been identified as a serious issue in the aeronautical world. Ice accretion occurs whensupercooled water droplets impinge on a surface, particularly the leading edge of a wing or an engine inlet, andfreeze after the impingement. This can lead to degradation of aerodynamic performances, sensor malfunctionor engine damage. This is why this issue is being carefully studied. The lengthy and costly flight and windtunnel tests have made numerical simulation of ice accretion a necessary tool in the aircraft design andcertification process. The present work deals with the 3D numerical modeling of ice accretion, and more particularly the modeling of the dynamic and thermal boundary layers that develop around an iced body. Since numerical tools must befast and robust, the approach proposed in this thesis for aerodynamic computation is a coupled Euler/integralboundary layer method. Thus, an integral model is developed to represent the development of the dynamicboundary layer. The thermal part is modeled either by a simplified method based on algebraic approaches,or by an integral method. This modeling of the dynamic and thermal boundary layers is valid on smoothor rough walls and provides the friction coefficient and heat exchange coefficient that are necessary for thecalculation of ice accretion. The integral boundary layer equations, associated with their closure relations,are then solved by a Finite-Volume method on unstructured surface mesh, that is well suited for complexgeometries. In addition, specific numerical treatments are implemented to improve the accuracy of the methodin the vicinity of the stagnation point and to make the code robust to separated boundary layers.After validation of the boundary layer method, the code is used in ONERA’s 2D and 3D icing tools foricing applications. This demonstrates the value of the method in terms of robustness and accuracy comparedto the boundary layer codes more commonly used in current icing tools.

Dans un objectif de réduction des consommations énergétiques et des impacts environnementaux, la pompe à chaleur (PAC) s'est imposée comme une alternative aux systèmes à combustion fossile pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire dans les secteurs résidentiel et tertiaire. Les industriels ne cessent de chercher à accroitre la performance énergétique des pompes à chaleur. Toutefois, un phénomène encore mal maitrisé limite les progrès : le givrage. En effet, dans certaines conditions de température et d'humidité de l'air extérieur, du givre peut se former sur la surface de l'évaporateur de la PAC, provoquant ainsi une chute de performance. En France, près de 98 % des PAC du marché utilisent l'air extérieur comme source de chaleur et sont donc exposées à ce phénomène. Malgré des logiques de dégivrage de plus en plus sophistiquées mises en œuvre par les industriels, le fonctionnement cyclique givrage/dégivrage réduit fortement les performances des PAC. Pour optimiser les méthodes de dégivrage, il est nécessaire de comprendre en amont, les mécanismes d'apparition et de croissance du givre. Ce travail de thèse propose ainsi d'étudier la formation et le développement du givre sur une plaque plane refroidie. Une étude approfondie de la bibliographie a permis d'établir des bases de données regroupant des points expérimentaux de l'épaisseur et de la masse volumique du givre. Des modèles et corrélations de formation du givre disponibles dans la littérature ont été reproduits et appliqués à ces bases de données afin d'évaluer la capacité de prédiction de chacun de ces modèles. Les plus performants ont ainsi pu être identifiés. En parallèle, un banc d'essais a été conçu pour observer la formation et la croissance du givre sur une plaque plane. L'étude de sensibilité menée sur la température de l'air, la température de la plaque froide, la vitesse de l'air et l'humidité relative a permis d'évaluer l'impact de ces paramètres sur la formation du givre, et plus particulièrement sur trois de ses propriétés : l'épaisseur, la masse volumique et la conductivité thermique. L'humidité relative et la température de la plaque froide ont été identifiées comme les paramètres prépondérants. Un des résultats importants de ce travail a été de mettre en évidence le rôle de la structure du givre sur ses propriétés (masse volumique et conductivité). Les points expérimentaux obtenus sur le banc d'essais ont été comparés aux résultats issus des modèles de la littérature. Les méthodes de prédiction identifiées comme satisfaisantes dans la partie bibliographique de cette thèse ont fourni des résultats similaires d'un point de vue statistique. Des perspectives de travail ont également été proposées. / In the energy consumption and environmental impact reduction goal, heat pumps emerged as an alternative to fossil fuel systems for space heating and hot water production in residential and tertiary sectors. Manufacturers still try to improve energy performance of heat pumps. However, a non-controlled phenomenon is limiting progress: frosting. Indeed, in some outdoor air temperature and relative humidity conditions, frost can form on the heat pump evaporator surface, leading to performance reduction. On the French market, almost 98 % of the heat pumps are using outdoor air as heat source and are thus affected. Despite more and more sophisticated defrosting strategies, the frosting/defrosting cyclic operation strongly reduces heat pump performance. For optimizing defrosting strategies, there is a need understanding frost appearance and growth mechanisms. This PhD work thus proposes to study frost formation and development on a cold plane plate. An in-depth bibliography study helped establishing databases gathering experimental points on frost thickness and frost density. Models and correlations of frost formation available in the literature have been reproduced and applied to the databases in order to evaluate their prediction capacity. The most performing models have been identified. Meanwhile, an experimental bench allowing visualization of frost formation and development on a cold plane plate has been set up. The sensitivity analysis on air temperature, cold plate temperature, air velocity and relative humidity allowed an evaluation of these parameters impact on frost formation, and more particularly on three of its properties thickness, density and thermal conductivity. Relative humidity and cold plate temperature have been identified as the leading parameters. One of the main results of this work was to highlight the frost crystal structure role on properties (i.e. density and thermal conductivity). Experimental data points obtained with the test bench have been compared to the results provided by literature models. Predictive methods identified as satisfying in the bibliography study gave similar results (from a statistical point of view). Perspectives for future work have also been proposed.

Icing has since long been identified as a serious issue in the aeronautical world. Ice build up, due to the presence of supercooled water droplets in clouds, leads to degradation of aerodynamic and/or air intake performances, among other undesirable consequences. Hence aircraft manufacturers must comply with certifications and regulations regarding flight safety in icing conditions. In order to do so, ice protection systems are used. Due to the multi-physical context within which these systems operate, numerical simulation can be a valuable asset. The present work deals with the numerical modelling of electro-thermal ice protection systems. It is built around the development of three modules. Two of them are dedicated to modelling heat transfer in the system and in the ice block. The other one models the mechanical behaviour of ice and fracture. Hence, the mechanical properties of atmospheric ice are reviewed in order to identify some mechanical parameters relevant to the fracture model. The fracture mechanics numerical method is used to investigate possible ice shedding mechanisms, that is to say the mechanisms leading to the detachement of ice, which are not yet well understood. The final goal of this work is to propose a completely coupled 2nd generation simulation methodology for electro-thermal ice protection systems. Hence the feasibility of a coupled thermal computation with ice shedding prediction based on the developed modules is shown. / Le givrage a depuis longtemps été identifié comme une problématique sérieuse dans le monde aéronautique.L’accrétion de givre, due à la présence de gouttelettes d’eau surfondue dans les nuages, dégrade les performances aérodynamiques et le rendement des entrées d’air parmi d’autres conséquences néfastes. Ainsi, les avionneurs sont sujets à des règles de certifications concernant la capacité à voler en conditions givrantes. Pour se faire, des systèmes de protection contre le givre sont utilisés. En raison de la complexité des phénomènes physiques mis en jeux, la simulation numérique constitue un atout lors de la phase de conception. Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique des systèmes électrothermiques de protection contre le givre. Il s’articule autour de trois approches de modélisation, qui ont donné lieu au développement de trois modules. Deux d’entre eux sont dédiés à la simulation du transfert de chaleur dans le système et dans la glace (changement de phase). Le troisième est lié à la modélisation du comportement mécanique du givre atmosphérique avec fissuration. Ainsi, les propriétés mécaniques du givre atmosphérique sont revues de façon à pouvoir identifier les paramètres intervenant dans le modèle de fissuration. Ce modèle est ensuite utilisé pour étudier les mécanismes possibles de détachement du givre, qui ne sont à l’heure actuelle pas encore bien compris. Le but final de ce travail est de proposer une méthodologie de simulation couplée pour les systèmes électrothermiques de protection contre le givre. Ainsi, la faisabilité d’un calcul couplé thermique-fissuration avec prédiction de détachement de givre est présentée.