Système de contrôle de l’air dans une cabine d’avion

Système de contrôle de l’air dans une cabine d’avion

De nos jours, l’avion est un mode de transport essentiel, et parmi les plus confortables, en particulier pour les longues distances. Le nombre de passagers dans le monde augmente considérablement depuis des dizaines d’années et ne cesse de croître. En 30 ans, ce nombre s’est multiplié par 4, passant de 380 millions en 1970 à 1 460 millions en 1998 [Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft et Toxicology, 2002]. Il y a de plus en plus des voyageurs âgés ainsi que des enfants et adultes souffrant de troubles médicaux (par exemple maladies cardio-vasculaires et pulmonaires). C’est pour cela que la qualité de l’air dans la cabine d’avion est prise en considération dans la phase de conception d’avions. La cabine d’avion est un environnement fermé qui peut causer certaines gênes à ses occupants. En effet, l’altitude des avions en régime de croisière est d’environ 10000 mètres au-dessus du niveau de la mer où la pression et la température sont très faibles. En plus, l’air extérieur est moins humide, moins oxygéné. Les conditions sont les mêmes dans la cabine, où encore il y a des bruits, des vibrations, un manque de place et un risque de transmission de maladies.

Il devient primordial donc de s’intéresser aux risques sanitaires générés par cet environnement et plus particulièrement par la qualité de l’air en cabine d’avion. Selon les facteurs et les niveaux de contamination, la qualité de l’air peut avoir un impact sur la sécurité (assurée par l’équipage et la ventilation), sur la santé (maladies infectieuses) et sur le confort (température, odeurs, humidité relative…). La conception d’un système de contrôle de l’environnement (Environmental control system ou ECS) joue un rôle important dans ce cas. Ce système doit répondre à la fois à la qualité de l’air et à la contrainte économique (énergie consommée). Tous les gros avions commerciaux utilisent le système ECS dont l’air extérieur est récupéré par des moteurs à propulsion (engine bleed air). L’air comprimé (bleed air) est extrait par un moteur (engine) et distribué en grande partie dans le groupe de climatisation (air-conditioning pack), où l’air est comprimé et chauffé (200kPa, 200 ◦C). Une partie du fluide passe aux turbo refroidisseurs pour baisser sa température et sa pression (80kPa, 5 ◦C), puis s’écoule dans la chambre de mélange avant d’être injectée dans la cabine d’avion. Les ventilateurs de recirculation prélèvent une partie de l’air de la cabine, puis la poussent à la chambre de mélange à traverse un filtre. L’autre partie de l’air extérieur récupéré passe à la valve d’étranglement (throttling valve) permettant de donner un fluide de pression normale et de température conservé (80kPa, 200 ◦C). Cette dernière partie est contrôlée indépendamment et se mélange localement avec le fluide de la chambre de mélange au-dessus, avant d’être injecté dans la cabine des passagers. L’air récupéré par les moteurs est à une pression suffisante pour faire fonctionner les packs de climatisation et de pressurisation de la cabine. La pression précise de la cabine est maintenue par une ou plusieurs vannes d’échappement, qui régularisent automatiquement le flux d’air venu de l’extérieur de l’avion à l’environnement ambiant.

Quelques réglementations sur la qualité de l’air

Plusieurs comités se sont mis en place afin d’établir des normes et des directives pouvant être appliquées pour la qualité de l’air en cabine d’avion.  La FAA (Federal Aviation Administration) est une agence gouvernementale chargée des réglementations et des contrôles concernant l’aviation civile aux États-Unis. Elle dépend du Ministère des Transports des États-Unis. Actuellement, ses réglementations portent sur la qualité de l’air concernant l’Ozone (O3), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), la ventilation, et la pression de la cabine. Celles-ci sont définies dans la norme 14 CFR 25 (section 25, title 14 of the Code of Federal Regulations) et sont prévues comme des caractéristiques de conception d’avions qui sont certifiées par la norme 14 CFR 21 (attestant que le transporteur respecte la réglementation lors de la conception, de la construction et de l’exploitation de l’avion). La 14 CFR 21 est une norme opérationnelle et s’applique aux transporteurs aériens nationaux ainsi qu’internationaux.

L’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) est une organisation technique internationale dans le domaine de génie thermique et climatique (chauffage, ventilation, air climatisé, production de froid). Fondée en 1894, elle tient une réunion annuelle. La norme ANSI/ASHRAE 62 (Ventilation pour la Qualité de l’Air) a pour objectif d’indiquer les taux de ventilation minimum et les conditions de qualité de l’air intérieur qui sont acceptables pour les occupants, tout en minimisant les effets potentiellement néfastes pour la santé. Cette norme vise à être le guide pour améliorer la qualité de l’air dans les édifices existants. En particulier, la norme ASHRAE 55 (Confort thermique) a pour but d’indiquer les combinaisons de facteurs environnementaux thermiques d’intérieur, et des facteurs personnels produisant des conditions environnementales thermiques acceptables pour une majorité d’occupants dans l’espace. Cette norme ne concerne pas les facteurs de l’environnement tels que la qualité de l’air, l’acoustique, l’éclairage ou d’autres polluants physiques, chimiques, ou biologiques qui peuvent affecter le confort ou la santé.

Pour la modélisation numérique, il convient de s’appuyer sur ces normes pour caractériser les intérêts de confort et de qualité de l’air.

Les éléments influençant le confort et la qualité de l’air dans la cabine d’avion

Pression de la cabine

Les avions commerciaux volent à une altitude entre 10 000 – 15 000 m, où l’air est assez sec, la température est de l’ordre de -60◦C, et la pression barométrique basse (26 kPa). La pression dans la cabine est donc toujours inférieure à celle du niveau de la mer. Ces conditions ont deux conséquences : une diminution de la pression d’oxygène et une expansion des gaz dans le corps humain [Association, 2002]. La FAA stipule que la pression de la cabine ne doit pas être inférieure à 75 kPa, ce qui équivaut à la pression d’une altitude de 2440 m. Le but de la pressurisation est de maintenir la PO2 (pression en oxygène) dans des limites acceptables. Les valeurs de PO2 au niveau de la mer et à une altitude de 2440 m sont de 21 kPa et de 16 kPa respectivement.

Température et vitesse de l’air dans la cabine

Avec la pression, ces deux champs jouent un rôle important dans le système de contrôle de l’air. En particulier, ils sont indispensables pour étudier le confort des passagers lors de la phase de conception et d’exploitation d’un avion commercial. La difficulté pour le contrôle de la température est que la perception de la température dépend des préférences individuelles. Chaque individu a une sensibilité particulière vis-à-vis de la température. Cela peut créer des difficultés pour les compagnies aériennes afin de répondre aux différentes attentes de confort des passagers. En plus, les équipages ont des exigences de température différentes de celles des passagers assis. Ils ont typiquement besoin de température plus fraîche pendant qu’ils travaillent et de température plus élevée pendant leur repos. La température perçue par l’individu est influencée par la température aérienne directe, la température de la paroi (radiation) ainsi que la vitesse de l’air (à la fois la valeur moyenne et le niveau de variation). En outre, on préfère que l’environnement au niveau de la tête soit plus frais qu’aux pieds. Bien que cette demande de variantepuisse être compensée par utilisation de couvertures et l’ajout ou non de vêtements, le but du concepteur est de s’assurer qu’une température acceptable soit fournie globalement dans tout l’espace de la cabine. Deux conditions principales doivent être considérées pour satisfaire ce but: la sélection de la température doit être flexible et la température doit être aussi homogène que possible à travers l’espace de la cabine dans les trois directions (longitudinale, verticale et horizontale). Les champs de vitesse et de température dépendent des paramètres de conception comme l’emplacement des injecteurs, la température de l’air en entrée, la fonction de ventilation individuelle, la propriété thermique de fuselage, la position des sièges, etc. Ils dépendent aussi de la phase de vol (roulage, décollage, croisière, atterrissage) qui produit le changement de température extérieure et des sources de chaleur intérieures. A l’étape d’avant projet pour un nouvel avion, on utilise des simulation CFD (Computational fluid dynamics) pour optimiser le courant d’air dans la cabine. Cela permet de faciliter la validation des systèmes de ventilation et de distribution au cours des essais. La distribution de la température et la vitesse d’air peuvent être prédites par le calcul CFD. Un courant d’air est considéré comme bon s’il assure un champ de température uniforme tout au long de la zone de contrôle particulière de la température. En général, l’air diffusé dans la cabine d’avion est un mélange d’air neuf et d’air recyclé : 50% -50% dans le cas du Boeing 767 [Elwood H. Hunt et Tilton, 1995] et 60% d’air neuf – 40% d’air recyclé pour Airbus A310 et A340 [D., 1996]. Les normes (FAA et ASHRAE 62-1989) exigent que l’air injecté dans la cabine soit au moins à moitié composé d’air neuf. L’air neuf est extrait au niveau des moteurs ou dans certaines circonstances au niveau des groupes auxiliaires de puissance (ou APU c’està-dire Auxiliary Power Units). Le volume total de l’air est renouvelé environ toutes les 3 minutes [A., 1996] dans une cabine de taille standard, soit 20 renouvellements d’air par heure. En comparaison avec une norme du bâtiment, l’air est modifié de 1 à 2,5 fois par heure avec 75% de l’air recyclé [Hunt et Space, 1994]. La quantité d’air diffusé est définie par deux facteurs principaux, l’élimination du CO2 et la distribution homogène de la température en cabine [D., 1996]. Le renouvellement de l’air sert en effet à contrôler les gradients de température, à prévenir les zones stagnantes d’air froid ou chaud et à dissiper les odeurs. Un passager en position assise a environ au moins 80 fois plus d’air qu’il ne lui est nécessaire. Il a besoin environ 6,8 l d’air par minute et donc 544 l d’air doit être fourni pour une personne par minute.

Humidité Relative (HR)

L’humidité relative, à une température donnée, est le rapport de la vapeur présente dans l’air sur la quantité de vapeur contenue dans cet air à la saturation. Une HR de l’ordre de 40% à 60% représente la valeur typique recommandée pour le confort des passagers, mais serait par contre défavorable pour la sûreté de l’avion. En effet, une trop forte HR entraînerait des phénomènes de condensation au niveau des parois, gorgeant ainsi les matériaux d’isolation d’eau, ce qui augmenterait la masse de l’avion, diminuerait les performances d’isolation et entraînerait le développement de bactéries et de champignons , voire même la corrosion de la coque [ash, SDc]. À l’altitude de 10 000 m, l’air est extrêmement sec (HR de l’ordre de 2%), alors qu’au sol et dans les phases de vol intermédiaires, l’air doit être déshumidifié avant sa diffusion en cabine afin de prévenir une humidité excessive [Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft et Toxicology, 2002]. À haute altitude, l’HR de l’air s’accroît progressivement après son passage dans le système de recirculation de l’air de la cabine grâce aux principales sources d’humidité présentes dans la cabine, c’est-à-dire la respiration et l’évaporation par sudation des passagers [Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft et Toxicology, 2002]. L’évaporation d’eau à partir de la nourriture et des boissons peut également contribuer à une très légère augmentation de l’HR. Les valeurs d’HR en cabine peuvent varier de 5 à 35 % avec une moyenne se situant aux alentours de 20 %. Une valeur moyenne supérieure d’HR peut difficilement être obtenue en raison du fort taux de renouvellement de l’air avec l’air extérieur qui est extrêmement sec. Une longue exposition (supérieure à 3-4 heures) à cette faible HR est une source d’inconfort et peut entraîner une sécheresse de la gorge et des yeux [Hunt et Space, 1994, D., 1996, ash, SDc]. Malgré cela, la réglementation ASHRAE 55-1992 recommande le maintien du pourcentage d’HR entre 25 et 30 % pour des vols relativement longs, avec un minimum de 20 % (ASHRAE 161-2000 ; [Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft et Toxicology, 2002]). Une HR inférieure à 20 % peut cependant être acceptée pour de courts trajets. Il faut noter qu’il existe un conflit entre le maintien de l’HR et le contrôle des contaminants, car augmenter l’HR, signifie une diminution de l’apport d’air extérieur et permet donc une accumulation des polluants [Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft et Toxicology, 2002]. Le fait qu’il y ait une HR très faible en cabine présente cependant certains avantages tels que l’inhibition de la prolifération des champignons, la diminution de la viabilité de certaines bactéries ou encore la diminution de la perception de certaines odeurs. La faible humidité a par ailleurs l’inconvénient de favoriser le dépôt de particules respirables et ainsi par ce biais, la probabilité de survie des germes aéroportés est augmentée. Pour le confort des passagers, il est possible d’augmenter l’HR à l’aide d’humidificateurs. La mise en place de ces systèmes a pour conséquence de générer une pénalité de poids liée à l’eau à transporter, de plus une telle zone humide est un terrain propice à la prolifération bactérienne [Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft et Toxicology, 2002]. Certains humidificateurs ont malgré tout été développés et sont utilisés sur de petits appareils, mais ce sont des équipements coûteux qui peuvent générer un risque accru de transmission de  maladies infectieuses. De tels systèmes doivent être couplés à des assécheurs au niveau des parois de l’appareil. Une maintenance rigoureuse, des nettoyages et des désinfections des humidificateurs sont également nécessaires.

Table des matières

Introduction
1 Problématique industrielle
1.1 Système de contrôle de l’air dans une cabine d’avion
1.2 Quelques réglementations sur la qualité de l’air
1.3 Les éléments influençant le confort et la qualité de l’air dans la cabine d’avion
1.3.1 Pression de la cabine
1.3.2 Température et vitesse de l’air dans la cabine
1.3.3 Humidité Relative (HR)
1.3.4 Contaminants de l’air
1.4 Les recherches sur la conception optimale de systèmes ECS
1.5 Projet CSDL
1.6 Différents usages d’un modèle d’ordre réduit
1.6.1 Visualisation en ligne des champs de haute dimension
1.6.2 Optimisation et conception optimale
2 État de l’art de réduction de modèle
2.1 Métamodèle de krigeage
2.1.1 Principe de krigeage universel
2.1.2 Modèle de régression
2.1.3 Modèle de corrélation
2.2 Méthodes de réduction d’ordre
2.2.1 Décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD)
2.2.2 Réduction POD-Galerkin
2.2.3 Bases réduites et algorithme glouton (“greedy”)
2.2.4 Proper Generalized Decomposition (PGD)
2.3 Conclusion
3 Algorithme d’enrichissement adaptatif de bases données POD-ISAT
3.1 Introduction
3.2 Définition du cas test
3.2.1 Air conditionné dans une cabine d’avion
3.2.2 Résolution par la méthode des éléments finis
3.2.3 Définition d’un résidu
3.3 Méthode de réduction de modèle par POD et résidu
3.3.1 Formulation générale du modèle réduit
3.3.2 L’approximation des coefficients en minimisant le résidu
3.4 Modèle réduit POD-ISAT
3.4.1 Algorithme ISAT
3.4.2 Modèle réduit local de POD-ISAT
3.4.3 Résumé de l’algorithme POD-ISAT
3.5 Résultats numériques
3.5.1 Conception d’un système de contrôle de l’air avec deux paramètres
3.5.2 Conception d’un système de contrôle de l’air avec quatre paramètres
3.5.3 Validation de modèle krigeage sur l’approximation des coefficients POD
3.5.4 Estimation du temps de calcul
3.6 Conclusion
4 Problèmes d’évolution : Application de l’algorithme pararéel dans un cadre de modèle réduit
4.1 Introduction à l’algorithme pararéel
4.1.1 Construction de l’algorithme pararéel
4.1.2 Résumé de l’algorithme pararéel
4.1.3 Analyse de speed-up
4.1.4 Théorème de la convergence
4.1.5 Différents choix de propagateur grossier
4.2 Remplacement du propagateur grossier par un modèle réduit
4.2.1 Pour le problème EDP non paramétré
4.2.2 Pour le problème EDP paramétré
4.3 Conclusion
5 Broyden-pararéel : Nouvelle variante de l’algorithme pararéel
5.1 Approche de quasi-Newton
5.2 Dérivation de méthodes Broyden-pararéel
5.2.1 Broyden-pararéel sans solveur grossier
5.2.2 Broyden-pararéel avec solveur grossier, version additive
5.2.3 Broyden-pararéel avec solveur grossier, version multiplicative
5.3 Applications
5.3.1 Résolution du système Brusselator
5.3.2 Résolution des équations aux dérivées partielles (EDP)
5.4 Conclusion
Conclusions

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