Extreme ice

Briser la glace

Des chercheurs de l'Université du Manitoba utilisent une soufflerie unique pour simuler les conditions de formation de givre susceptibles de mettre en péril l'infrastructure aéronautique et hydroélectrique
1 novembre 2004
Au Canada, les conditions météorologiques passent d'un extrême à l'autre. L'Université du Manitoba est le seul endroit du monde doté d'une soufflerie capable de reproduire de telles variations.
 

Le laboratoire en thermofluides — ou soufflerie de givrage — de l'université est la seule installation en son genre où les chercheurs peuvent étudier la gamme complète des conditions de givrage, y compris les situations extrêmes, au sol comme au ciel.

En matière de conditions de givrage, il y a deux scénarios climatiques extrêmes : à haute altitude, sur les avions, et au niveau du sol, quand la glace s'accumule sur les lignes hydroélectriques, les éoliennes et autres structures. « À notre connaissance, les autres souffleries de givrage ne parviennent qu'à reproduire l'un ou l'autre de ces scénarios », déclare Greg Naterer, chercheur principal au Thermofluids Engineering Laboratory et professeur à l'Université du Manitoba. « Notre soufflerie est la seule au monde à pouvoir reproduire les deux. »

Pour réaliser cette première, Greg Naterer et ses collègues chercheurs ont conçu une installation constituée de modules et de composants amovibles capables de simuler diverses conditions. La soufflerie comprend notamment des rampes de pulvérisation d'eau amovibles et réglables qui permettent de modifier la distance entre le jet et les objets utilisés pour les tests. Plusieurs paramètres sont modifiés en fonction des conditions qu'on veut recréer : températures, vitesses aérodynamiques et dimensions des gouttelettes. « Nous étudions deux types de givrage. Le givrage des avions, qui combine des conditions de vitesse élevée, de haute altitude et des petites gouttelettes de 10 à 20 microns, explique Greg Naterer. L'autre type de givrage se produit au sol et se caractérise par des précipitations à faible vitesse et par des gouttelettes pouvant atteindre jusqu'à 1 millimètre de diamètre, ce qui correspond à environ 100 fois la taille des gouttelettes en haute altitude. »

Greg Naterer précise que la décision de créer ce laboratoire unique a été prise lorsque l'université a été sollicitée par deux collaborateurs de recherche dont les intérêts étaient diamétralement opposés. Neil Popplewell, l'un des partenaires avec lesquels Greg Naterer a présenté la demande de financement à la FCI, mène des recherches sur le givrage des lignes hydroélectriques depuis quelques décennies et a travaillé avec Manitoba Hydro, qui était elle aussi intéressée à poursuivre les recherches dans ce domaine. Vers la même époque, Westland Helicopters, le fabricant des nouveaux hélicoptères de recherche et de sauvetage ultramodernes du Canada — un candidat éventuel au remplacement des Sea King vieillissants de l'armée canadienne —, a également contacté l'université.

À peine un an après sa mise en service, le laboratoire a déjà mené des recherches substantielles et utiles pour ces deux partenaires. Westland était aux prises avec un problème de givrage à l'entrée d'air du compartiment réacteur là où pénètre l'air frais qui doit empêcher la surchauffe du moteur. Cette situation peut présenter divers risques pour la sécurité en vol. « L'une des solutions novatrices en cours d'élaboration dans la soufflerie : une série de microrainures à la surface de l'hélicoptère qui brisent les gouttelettes d'eau, explique Greg Naterer. Ces rainures agissent sur le débit d'air de manière à laisser entrer de l'air dans le moteur tout en détournant les gouttelettes d'eau qui, autrement, se transformeraient en glace. »

Plus près du sol, les travaux menés pour le compte de Manitoba Hydro aident la société à concevoir des pylônes et des lignes hydroélectriques plus solides et plus rentables qui seront moins sensibles au givrage. « Nous avons mis au point des outils de conception qui permettront à Manitoba Hydro de mieux prédire les effets de l'accumulation de glace », poursuit Greg Naterer.

Retombées

La tempête de verglas majeure qui a frappé l'est du Canada en 1998 a causé des dommages de plusieurs millions de dollars lorsque pylônes, poteaux et lignes électriques se sont écroulés sous le poids de la glace accumulée. Les pannes de courant qui ont suivi ont entraîné des fermetures d'entreprise, causé des pertes matérielles et nécessité une reconstruction des infrastructures qui s'est étalée sur plusieurs mois.

Le givrage peut avoir des conséquences tout aussi graves pour les avions — tant en vol qu'au sol. Au Canada, le plus récent incident d'envergure attribuable au givrage causé par le vent a été l'écrasement d'un Fokker f-28 à Dryden, en Ontario, en mars 1989. Une accumulation de glace sur les ailes a empêché l'avion de prendre son envol et 24 personnes ont péri.

Lors d'un autre incident survenu le 31 octobre 1994, le vol 4184 d'American Eagle s'est écrasé et désintégré, tuant 68 personnes au sud-est de l'aéroport O'Hare de Chicago. Cause : accumulation de glace sur les ailes. À l'issue de l'enquête, tous les aéronefs ATR-72 ont été modifiés de manière à inclure un dispositif de dégivrage.

Les travaux menés au Thermofluids Engineering Laboratory de l'Université du Manitoba constituent une façon rentable de mettre à l'essai différentes théories et de réduire les risques associés aux coûteux essais de givrage en vol que doivent subir les avions pour obtenir leur certification.

« Chaque fois qu'une modification est apportée à une surface ou qu'on introduit une nouvelle surface, il faut procéder à des essais de givrage à la fois très coûteux et risqués », affirme Greg Naterer, chercheur principal au Thermofluids Engineering Laboratory et professeur à l'Université du Manitoba. À l'intérieur de la soufflerie, on peut reproduire ces conditions sans mettre en péril la vie d'un pilote ou risquer de perdre un avion. Greg Naterer croit que, un jour, la certification se fera sans même la tenue d'essais en vol.

Le laboratoire peut aussi contribuer à améliorer les procédés existants et les rapports coût-efficacité, comme dans le cas des systèmes de chauffage conçus pour maintenir les surfaces au-dessus du point de congélation. « Le chauffage des surfaces coûte très cher, précise Greg Naterer. En recherchant la mise en place efficace du dispositif de chauffage de la surface, en ciblant les endroits où il est le plus utile et en mettant à l'essai différents revêtements de surface qui réduisent l'adhérence de la glace, on peut réduire ces coûts.»

En outre, Greg Naterer prévoit que la soufflerie de givrage diminuera considérablement les coûts de conception et de construction d'une infrastructure qui doit résister au poids écrasant de la glace accumulée. « Construire une structure d'appui ultrasolide est toujours possible, mais cela se traduit par des coûts élevés, observe-t-il. La soufflerie donne une meilleure idée des limites et des seuils, ce qui permet de concevoir des appareils qui possèdent la solidité nécessaire, mais qui tiennent aussi compte du facteur économique. »

Partenaires

Le Thermofluids Engineering Laboratory de l'Université du Manitoba existe depuis moins d'un an, mais il a déjà suscité l'intérêt de partenaires de premier plan qui souhaitent s'y associer et mettre à profit les fruits de ses recherches.

Westland Helicopters — Westland Helicopters est une société britannique qui fabrique les hélicoptères de recherche et de sauvetage EH-101 utilisés par les Forces canadiennes. L'option d'utiliser une autre version de cet appareil pour remplacer les hélicoptères vieillissants Sea King des Forces canadiennes est considérée. Westland a versé 109 500 $ pour les recherches en soufflerie de givrage, dont un montant de 40 500 $ (qui correspond au financement de la FCI) pour l'infrastructure.

Manitoba Hydro — Le principal service public énergétique du Manitoba dessert 499 535 utilisateurs d'électricité et 249 351 utilisateurs de gaz naturel à l'échelle de la province. Presque toute l'électricité produite par la société d'État provinciale provient de ressources hydrauliques renouvelables. L'un des réseaux est le Nelson River Transmission System, qui comprend 4 103 pylônes électriques d'une hauteur moyenne de 38 mètres. Ce réseau est constitué de deux lignes, l'une de 895 kilomètres de long et l'autre de 937 kilomètres de long. Manitoba Hydro a versé une somme de 79 204 $ (qui correspond au financement de la FCI) pour l'infrastructure et un montant additionnel de 41 940 $ pour la recherche.

Diversification de l'économie de l'Ouest Canada — Ce ministère du gouvernement fédéral fait la promotion du développement et de la diversification de l'économie de l'ouest du Canada. Il défend également les intérêts de l'Ouest dans la politique économique nationale. Il a versé 265 000 $ pour des améliorations supplémentaires à l'infrastructure du laboratoire.