Contrôle passif non linéaire d’un profil aéroélastique, simulations et expérimentations

Nonlinear passive control of an aeroelastic airfoil, simulations and experimentations

• Auteur / Autrice : Luc Amar
• Direction : Eric Laurendeau, Guilhem Michon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux, Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 19/05/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE en cotutelle avec Polytechnique Montréal (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Frederick Gosselin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianna Braza, Olivier Marquet, Sébastien Prothin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Doaré, Christophe Eloy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroélasticité

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Flottement

Dynamique non linéaire

Aéroéasticité

Expérience

Simulation

Lattice method

Nes

Flutter

Nonlinear dynamics

Aeroelasticity

Experimental

Simulation

Lattice method

Nes

Résumé

L’objectif de cette thèse est de contrôler passivement une instabilité dynamique appliquée au flottement d’un profil aéroélastique à l’aide de différents types d’Amortisseurs à Masse Accordés (AMA). Un profil 2D appelé Section Typique est utilisé tout au long de l’étude. En première partie, une étude comparative de trois modèles mathématiques d’interaction fluide/structure appliqués à la Section Typique (Theodorsen, LUVLM et UVLM) met en valeur les forces et faiblesses de chacun. Le banc d’essai aéroélastique en soufflerie, utilisé par la suite, est présenté puis identifié avec et sans vent (GVT). En deuxième partie, les calculs des vitesses critiques de Divergence, d’Inversion des Gouvernes et de Flottement sont automatisés avec le modèle Theodorsen afin de réaliser une étude paramétrique du banc d’essai et mettre en lumière les variables de conception les plus influentes. L’analyse modale présente différentes bifurcations liées au changement soudain du mode instable. Ensuite, le même algorithme est utilisé afin d’analyser la suppression du flottement à l’aide de trois géométries d’AMAs linéaires. La dernière partie présente l’étude expérimentale et numérique d’un AMA non linéaire de type Nonlinear Energy Sink (NES). La singularité de cette configuration est d’utiliser le volet en tant qu’amortisseur et ainsi, ne pas ajouter de masse (FSI-VA). En soufflerie, six comportements non linéaires sous-critiques (en deçà de la vitesse de flottement dans la configuration linéaire) sont observés, identifiés et analysés : cinq Cycles Limites d’Oscillations (LCO) et un battement non linéaire chaotique.

The aim of this thesis is to passively control a dynamic instability applied to an aeroelastic profile’s flutter using different types of Tuned Mass Dampers (TMD). A 2D profile called Typical Section is used throughout the study. In the first part, a comparative study of three mathematical models of fluid-structure interaction applied to the Typical Section (Theodorsen, LUVLM and UVLM) highlights the strengths and weaknesses of each code. The aeroelastic test bench, used subsequently, is presented and identified with and without wind (Ground Vibration Test, GVT). In the second part, critical velocities computations (Divergence, Control Surface Reversal and flutter) are automated while using the Theodorsen model in order to carry out the test bench parametrical study to highlight most influential variables. The modal analysis presents different bifurcations linked to the sudden change of the unstable mode. The last part presents the experimental and numerical studies of a nonlinear TMD called Nonlinear Energy Sink (NES). The uniqueness of this configuration consists in recycling flap’s vibrations as a flutter damper and thus, get a zero added mass. A nonlinear restoring force can be achieved by a highly nonlinear mechanism. The nonlinear structural behavior is derived analyticaly and is in good agreement with experimental torsion tests. In the wind tunnel, six subcritical nonlinear behaviors (below the flutter velocity in the linear configuration case) are observed, identified and then analyzed : five Limit Cycle Oscillations (LCO) and a chaotic nonlinear beating.