Développement et mise en œuvre de la formulation adjointe de modèles body-force explicites en vue d'optimisations aéro-propulsives

Development and implementation of adjoint formulation of explicit body-force models for aero-propulsive optimizations

• Auteur / Autrice : Cyril Dosne
• Direction : Jacques Peter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 23/07/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Aérodynamique, Aéroélasticité, Acoustique (2018-....) - DAAA- ONERA- Institut Polytechnique de Paris [Châtillon]
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ingrid Lepot, Guillaume Dufour, Marco Carini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kyriakos Giannakoglou, Tom Verstraete

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Turbofans

Aérodynamique

Transports aériens

Mots clés libres

Adjoint

Body-Force

Aéro-Propulsif

Optimisation par gradient

Distorsions

Adjoint

Body-Force

Aero-Propulsive

Gradient-Based optimization

Inlet distortions

Résumé

Dans le domaine de l’aéronautique civile, les études de plus en plus nombreuses portant sur les nouveaux systèmes moteurs, tels que les turbofans à très haut taux de dilution et les open-rotors, ainsi que sur les architectures d'intégration motrice innovantes, telles que la propulsion distribuée ou les systèmes à ingestion de couche limite, nécessitent une modélisation couplée de l’aérodynamique externe et du système propulsif, et ce dès les premiers stades de la conception. Les modèles body-force se sont avérés capables de reproduire fidèlement la majeure partie des phénomènes de couplage aéro-propulsif, comme la réponse aérodynamique du moteur aux distorsions d’entrée d’air, et ce à un coût de calcul réduit. Cependant, ils manquent d'une formulation adjointe pour être employés efficacement dans des optimisations par gradient. Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement d'une approche adjointe pour les modèles body-force explicites. Tout d'abord, plusieurs optimisations aéro-propulsives sont menées sur une configuration académique de propulsion distribuée, à l'aide d'un modèle body-force réduit. Malgré la simplicité de ce modèle (d’intérêt pour les études de conception amont), une réduction de 10,5 % de la consommation de puissance est obtenue. Le potentiel de cette nouvelle méthodologie est ensuite évalué pour l'optimisation préliminaire de compresseurs, d'abord sans distorsion d’entrée d’air. Le modèle body-force de Hall est considéré pour cette étude. Les gradients de forme des aubes calculés à l’aide de l’adjoint body-force sont comparés à ceux obtenus via des simulations de haute-fidélité. Les résultats obtenus révèlent une très bonne capacité de prédiction des gradients du rotor par l’adjoint body-force, pour une grande partie de la caractéristique du compresseur, et particulièrement pour les points de fonctionnement situés entre le pompage et la zone de fonctionnement nominal du compresseur. En revanche, la précision de ces gradients est réduite à proximité du blocage. Pour le stator, seuls les effets liés à la désadaptation de l’aube au flux incident peuvent être captés. L’optimisation conduite avec l’adjoint body-force au point de fonctionnement nominal a permis d’améliorer le rendement du compresseur, ce qui a été confirmé par des simulations de haute-fidélité. Sous distorsion radiale, la méthode adjointe du body-force s’est à nouveau révélée capable d’améliorer les performances du compresseur en adaptant la géométrie des aubages aux perturbations d’entrée d’air. Les analyses haute-fidélité conduites sur les géométries obtenues par optimisations utilisant l’adjoint body-force montrent une augmentation du rendement isentropique comprise entre 1,16 et 1,47%, selon la formulation du problème d’optimisation retenue. Enfin, une optimisation du compresseur a été conduite à l’aide de l’adjoint body-force dans le cas d’une distorsion s’étendant sur la totalité de la circonférence de l’entrée d’air. Ces résultats sont très prometteurs et les observations effectuées sont cohérentes avec celles disponibles dans la communauté scientifique et obtenue à l’aide de calcul de haute-fidélité.

In civil aviation, the increasing exploration of innovative engine systems – such as ultra-high bypass ratio turbofan or open-rotor – and breakthrough engine-integration architectures – such as distributed propulsion or boundary-layer ingestion – require a coupled modeling of the aerodynamic and propulsion subsystems from the earliest design stages. Body-force models have proven capable of faithfully reproducing most of the coupling phenomena, such as the engine response to inlet flow distortions, at reduced computational cost. However, they lack an adjoint formulation to be efficiently used in gradient-based optimizations. The present PhD thesis focuses on the development of an adjoint approach for explicit body-force models. First, aero-propulsive optimizations of an academic distributed propulsion configuration are conducted using a lumped body-force model. Despite the simplicity of this model (of interest for conceptual design studies), 10.5% decrease in power consumption is achieved. Then the potential of this new methodology is investigated for the preliminary optimization of compressor stages, at first under clean inflow conditions. The Hall body-force model is considered for such purpose. The comparison of the blade shape gradients computed by the adjoint body-force with high-fidelity ones, obtained from blade-resolved computations, shows very good prediction for the rotor. This is observed over a large portion of the compressor characteristic, especially between near-design and surge operating conditions, while accuracy is reduced near the blockage. On the contrary, for stator shape gradients, only flow misalignment effects can be captured. At design conditions, the improvement of the compressor efficiency obtained by the adjoint body-force optimization has been confirmed through high-fidelity simulations. Optimization under radial inlet distortion are then investigated. Once again, the adjoint body-force approach is found capable of enhancing the compressor performances, by adapting its geometry to the off-design inflow conditions. According to high-fidelity analysis of the body-force optimized blade geometry, an increase in compressor isentropic efficiency between 1.16 and 1.47% is achieved, given the formulation of the optimization problem. Finally, an optimization of the compressor under full-annulus inlet distortion is conducted leading to very promising results, which are consistent with those found in the literature using advanced simulations.