Aérodynamique d'un profil d'aile battante à bas nombre de Reynolds

par Jean-Yves Andro

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides

Sous la direction de Laurent Jacquin et de Alain Farcy.

Soutenue en 2008

à Poitiers , en partenariat avec Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique (Chasseneuil-du-Poitou, Vienne, département) (autre partenaire) .

mots clés

• Drones
• Tourbillons (mécanique des fluides)
• Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)
• Simulation par ordinateur

Résumé

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de microdrones d’une envergure inférieure à 15 cm devant assurer des missions d’observation ou d’intervention en milieu risqué. Une approche biomimétique utilisant un système de locomotion par ailes battantes semble notamment prometteuse car elle permettrait une capacité de vol stationnaire et une grande manoeuvrabilité en milieu confiné. Cependant, l’aérodynamique des ailes battantes à bas nombre de Reynolds diffère sensiblement de l’aérodynamique des applications classiques en raison du phénomène de lâcher tourbillonnaire et de la superposition de nombreux mécanismes instationnaires. Dans le cadre de cette thèse, nous avons dans un premier temps étudié le lâcher tourbillonnaire derrière un profil d’aile en caractérisant théoriquement et expérimentalement l’apparition de ce lâcher puis en le simulant numériquement. Des essais en bassin hydrodynamique précisent enfin l’influence des effets 3D et du nombre de Reynolds sur les efforts créés par le lâcher tourbillonnaire. Dans un deuxième temps, nous avons étudié par simulation numérique directe (DNS) les mouvements fondamentaux du vol battu, c'est-à-dire le pilonnement pur et le tangage pur, afin de mettre en évidence les mécanismes instationnaires, de différencier les stratégies du vol battu et de proposer des modèles simplifiés pouvant décrire les efforts instantanés.

Titre traduit

Aerodynamics of a flapping airfoil at low Reynolds number

Résumé

Recent progress made in the domain of microtechnologies allow the design of very small sized Micro Air Vehicles (MAVs), whose wingspan is inferior than 15 cm, suitable for observation or intervention in hazardous environments. A biomimetic approach using flapping wing locomotion seems to be promising because it could allow hovering flight and great manoeuvrability in confined environments. However, flapping wings aerodynamics at low Reynolds numbers differs from classical applications aerodynamics due to the vortex shedding phenomenon and the superimposition of various unsteady mechanisms. In a first time, we have studied the vortex shedding on an airfoil by characterising theoretically and experimentally its apparition and then by simulating it numerically. Experiments in a water tank have finally specified the three dimensional effects and Reynolds number effects on the efforts generated by the vortex shedding. In a second time, thanks to direct numerical simulation (DNS), we have studied the fundamental movements of the flapping flight, i. E. Pure heaving and pitching movements, so as to emphasize the various unsteady mechanisms, to differentiate the various flapping flight strategies and to propose simplified models that could describe instantaneous efforts.