Characterisation and aerodynamic impact of leading-edge vortices on propeller blades

par Ye-Bonne Koyama

Thèse de doctorat en M?canique des fluides

Sous la direction de Laurent Jacquin.

Le président du jury était Isabelle Trebinjac.

Le jury était composé de Laurent Jacquin, Georges Gerolymos, Ivan Delbende, Gr?gory Delattre.

Les rapporteurs étaient Serge Huberson, Ismet Gursul.

  • Titre traduit

    Etude des ?coulements tourbillonnaires de bord d'attaque sur des voilures tournantes


  • Résumé

    Cette th?se concerne l?a?rodynamique de pales d'extr?mit? transsonique. Ces pales sont con?ues pour maximiser le rendement en croisi?re, tout en g?n?rant la traction requise au d?collage. Elles ont des profils fins et peu cambr?s, travaillant ? forte incidence au d?collage, ce qui peut entra?ner l?apparition d?un tourbillon de bord d?attaque (TBA). Or ce TBA pr?sente des similitudes avec les tourbillons d?apex d?aile Delta, connus pour leur capacit? ? g?n?rer de la portance tourbillonnaire.Cette ?tude consiste ? examiner l?int?r?t du TBA pour les performances a?rodynamiques.La d?marche a consist? dans un premier temps ? caract?riser la topologie du TBA sur une maquette repr?sentative d?une pale d? Open Rotor, ? l'aide d'essais PIV r?solus en temps et de calculs RANS k-omega SST, et ? ?valuer la capacit? de la simulation RANS ? reproduire les caract?ristiques d?int?r?t pour cette ?tude. Un algorithme a ?t? d?velopp? afin d'estimer la contribution de ce TBA ? la portance ? partir du champ de pression pari?tal RANS.Afin d'expliciter l'influence des param?tres g?om?triques et de fonctionnement de la pale sur la portance tourbillonnaire, un mod?le 1D de la portance tourbillonnaire a ?t? d?velopp? puis coupl? ? la m?thode de l'?l?ment de pale.Les premi?res comparaison de g?om?tries ? iso-traction ont montr? que la portance tourbillonnaire permet de g?n?rer la traction requise au d?collage avec une surface alaire plus faible. Ces r?sultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de g?om?tries avec un meilleur rendement en croisi?re.


  • Résumé

    This thesis deals with the aerodynamic properties of propeller blades. Those blades are designed to maximise cruise efficiency, while achieving the target thrust at take-off. Their thin, low-cambered profiles must work at high incidence at take-off, which may give rise to a leading-edge vortex (LEV).The topology of this LEV looks similar to Delta wing LEVs, which are known to generate vortex lift.the aim of this study is to explore the probable impact of the LEV on lift at take-off in order to reconsider propeller blade designs. The approach first consisted in caracterising the LEV topology on a model blade representative of an Open Rotor front blade, using both Time-Resolved PIV and RANS k-omega SST calculations. The comparison between both methods demonstrated the ability of RANS calculations to reproduce the LEV characteristics of interest to this study.Then, the LEV contribution to lift was evaluated thanks to an algorithm developed to estimate vortex lift contribution from RANS wall pressure fields.In order to explicit the influence of the blade's geometrical and functioning parameters on vortex lift, a 1D vortex lift model was developed and coupled to the Blade Element Momentum Theory.The first blade geometry comparative studies at iso-thrust showed that vortex lift enables to generate target thrust at take-off with a lower blade surface. This opens new perspectives for the design of blade geometries with enhanced cruise efficiency.


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