Etudes d'aile battante deformable pour le vol en sustentation

par Daniel Diaz Arriba

Projet de thèse en Dynamique des fluides

Sous la direction de Nicolas Gourdain et de David Laurent.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Energétique et Dynamique des Fluides (laboratoire) depuis le 07-11-2017 .


  • Résumé

    Les ailes battantes, telles qu'employées, par exemple, par le colibri ou la libellule, génèrent des tourbillons qui peuvent être favorables à l'efficacité du vol (Dickinson et al, Science 1999). Or, la génération de ces tourbillons dépend non-seulement de la cinématique de battement, mais aussi de la flexibilité de l'aile. L'observation du monde animal suggère qu'un grand nombre d'espèces pourraient avoir évoluées de sorte que la flexibilité de leurs ailes / nageoires favorisent la sustentation / propulsion (Lucas et al, Nature 2014). Nous chercherons ici à comprendre précisément le rôle de la flexibilité dans la génération de tourbillon et l'efficacité d'ailes battantes. Pour bien comprendre l'effet d'aile souple sur ces interactions le travail sera divisé en plusieurs étapes : - Le premier axe s'attachera à la réalisation de mesures expérimentales sur un modèle d'aile battante. On couplera des mesures de type Velocimétrie par Imagerie de Particule (PIV) pour la caractérisation de l'écoulement autour de l'aile battante à des mesures de type Corrélation Digitale d'Image (DIC) pour la mesure de la déformation de l'aile. Ces mesures seront réalisées pour plusieurs cinématiques de battement et rigidité d'aile en vue de (i) comprendre les intéractions fluide-structure mise en jeu et (ii) servir de base de données pour les simulations numériques menées dans le cadre du deuxième axe. - Le deuxième axe s'appuiera sur la simulation numérique de l'écoulement autour du modèle d'aile battante et sur celle de sa déformation. En particulier, on procédera à un couplage fort entre simulation numérique directe, par volumes finis, des équations de Navier-Stokes (DNS) et simulation par éléments finis de l'équation de Navier. Les résultats obtenus par approche numérique seront validés sur la base des résultats expérimentaux puis, serviront une analyse plus fine des mécanismes d'interaction fluide-structure mis en jeu en permettant notamment l'exploration d'un espace des paramètres (cinématique de battement, rigidité) plus étendu. En particulier, on cherchera par cette étude à comprendre si la rigidité des ailes observées dans le monde vivant favorise effectivement la sustentation. - Enfin le dernier axe visera à optimiser le couple cinématique de battement – rigidité, sur la base de simulations numériques, en vue de maximiser l'efficacité du vol. Le coût de calcul pouvant s'avérer prohibitif, on considèrera dans un premier temps des simulations légèrement sous-résolues. Il s'agira alors de mettre en œuvre un code d'optimisation (communicant avec les codes de simulations d'écoulement et de structure) robuste, pérenne, utilisable dans le futur avec des puissances de calcul accrues. Plusieurs paramètres pourront être testés de façon séparée (angle d'incidence du uptroke ou downstroke, rigidité de l'aile, durée des phases) puis un couplage entre les paramètres pourra être entrepris.

  • Titre traduit

    Study of deformable flapping wings for hovering flight


  • Résumé

    Flapping wings, such as those of hummingbirds, generate large scale vortices that can promote flight (Dickinson et al, Science 1999). Generation of these vortices not only depend on the wing kinematics, but also on the wing flexibility. The observation of natural flyers and swimmers suggest that a significant number of species may have evolved such that wing / fin flexibility favors lift / propulsion (Lucas et al, Nature 2014). In this thesis, we will try to understand the precise role of flexibility in vortex generation and flight (aerodynamic) efficiency. To clearly understand this role, the work will be divided into several tasks: - First, experimental measurements will be conducted on a model flapping wing. Particle Image Velocimetry (PIV) measurements will be coupled to Digital Image Correlation (DIC) measurements to correlate flow fields and wing deformation. Measurements will be performed for various wing kinematics to (i) understand fluid-structure interactions mechanisms and (ii) serve as a validation basis for numerical simulations. - Second, numerical simulations will be conducted via the finite volume, direct numerical simulation of the Navier-Stokes equations (to predict flow fields), and the finite element analysis of the Navier equation (to predict wing deformation). Numerical results will be validated upon experimental data and will then provide further insight into the fluid structure interactions by allowing the exploration of a larger parameter space (various kinematics and flexibility). In particular, we will try to understand if wing flexibility observed in nature favors hovering flight. - Finally, we will seek to optimize flight efficiency through wing kinematics and flexibility. To accelerate the process, we will first consider under-resolved numerical simulations. In particular, the goal will be to develop a robust optimization algorithm that communicates with fluid and structural solvers and that can be used in the future with enhanced computational ressources.