Développement d'une méthode rapide et robuste en aéroélasticité non-linéaire : application au calcul de rafale d'une aile d'avion souple

Development of a fast and robust method for nonlinear Aeroelasticity : application to gust computation for a flexible aircraft wing

• Auteur / Autrice : Oriol Chandre Vila
• Direction : Joseph Morlier, Nicolas Gourdain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 20/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• 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 : Groupe Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Marianna Braza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Morlier, Nicolas Gourdain, Roeland De Breuker, Eric Laurendeau, Carlos E.S. Cesnik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roeland De Breuker, Eric Laurendeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets du vent

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Aérodynamique

Aéroélasticité

Mots clés libres

Aéroélasticité

Aérodynamique instationnaire

Méthodes rapides

Charges due aux rafales de vent

Aeroelasticity

Unsteady Aerodynamics

Fast methods

Gust loads

Résumé

Étant donné le contexte actuel des changements dans l’aéronautique (par exemple dans le système de propulsion ou dans la conception générale d'aéronefs) pour réduire les émissions, il est également nécessaire de moderniser les méthodes de calcul pour anticiper les cas futurs où les disciplines qui sont maintenant calculées séparément (i.e. les manœuvres et les rafales) devraient être calculées en même temps, tout en comprenant les effets flexibles et en utilisant une approche dans domaine temporel.Pour répondre à ces besoins, une stratégie est proposée dans cette thèse afin de convertir une formulation utilisée dans l’aéroélasticité statique en une méthodologie instationnaire pour les calculs des charges due aux rafales de vent. Cette méthode statique utilise des matrices aérodynamiques pour calculer un angle d’attaque effectif à partir d’une déformation structurale. Ensuite, cette incidence est utilisée pour interpoler le coefficient de pression local de chaque section d’aile dans une base de données. Dans ce travail, la déformation structurale a été modifiée pour inclure l’influence des effets instationnaires afin d’utiliser la même formulation que le cas statique. Cependant, les matrices aérodynamiques utilisées dans ce travail sont calculées à l’aide d’une Vortex Lattice Method stationnaire et, en outre, la base de données utilisée pour récupérer le coefficient de pression approprié est remplie de simulations stationnaires.Dans ce travail, deux géométries d’ailes ont été étudiées : une aile rectangulaire d'allongement 6.7 et une aile double effilée d'allongement 12.3. Tout d’abord, des simulations haute-fidélité ont été étudiées pour comprendre la dynamique qu’une aile suit lorsqu’elle rencontre une rafale. Deuxièmement, la nouvelle stratégie a été appliquée au calcul des charges de rafales, en le comparant avec les solutions haute-fidélité et de la méthode Doublet Lattice.

Given the current context of changes in aeronautics (such as in the propulsion system or in the general design) to reduce emissions, it is also necessary to modernize the computation methods to anticipate future cases where disciplines which are now calculated separately (i.e. maneuvers and gusts) should be computed at the same time including flexible effects and using a time-domain approach.To respond to these needs, in this thesis a strategy is proposed in order to convert a formulation used in static aeroelasticity into an unsteady methodology for the wind gust loads computations. This static method uses aerodynamic matrices to calculate an effective angle of attack from a structural deformation. Then, this incidence is used to interpolate the local pressure coefficient of each wing section in a database. In this work, the structural deformation has been changed to include unsteady effects influence in order to use the same formulation as the static case. Nevertheless, the aerodynamic matrices used in this work are computed using a steady Vortex Lattice Method and, in addition, the database used to recover the correct pressure coefficient is filled with steady simulations.In this work, two wing geometries have been studied: a rectangular wing of aspect-ratio 6.7 and a double tapered wing of aspect-ratio 12.3. First, high-fidelity simulations have been studied to understand the dynamics that a wing follows when encountering a gust. Secondly, the new strategy has been applied to the calculation of gust loads, comparing it with the high-fidelity and the Doublet Lattice Method solutions.