Analyse numérique et expérimentale de la sustentation par vol battu : application aux micro-drones

par Thierry Jardin

Thèse de doctorat en Aérodynamique

Sous la direction de Alain Farcy et de Laurent David.

Soutenue en 2009

à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique .

mots clés

• Drones
• Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)
• Tourbillons (mécanique des fluides)
• Écoulement laminaire

Résumé

A bas nombre de Reynolds, le concept de voilure battante est récemment apparu comme une alternative aux concepts conventionnels de voilure fixe et voilure tournante. Dans le cadre d'une application pratique (micro-drones ou MAVs), l'évaluation de l'adaptabilité d'un tel mode de sustentation requiert la compréhension fine des principaux mécanismes aérodynamiques mis en jeu et de leur impact sur les efforts résultants. Ces derniers se caractérisent par une instationnarité forte et des comportements complexes. Le travail réalisé s'articule autour de trois points. Dans un premier temps, l'établissement d'une corrélation précise entre comportement spatio-temporel des structures cohérentes et effort résultant passe par la définition de méthodes d'investigation adaptées à l'étude d'écoulements bi et tridimensionnels résolus en temps. En ce sens, l'analyse repose d’une part sur une approche numérique DNS par maillage mobile, et d'autre part sur les approches expérimentales TRPIV-2D2C/3D3C conduisant à la mesure non-intrusive des efforts aérodynamiques par application du bilan de quantité de mouvement. Les difficultés associées à ces techniques novatrices sont ici mises en exergue. En second lieu, nous abordons deux types de configurations bidimensionnelles caractérisées par des cinématiques de battement respectivement symétriques et asymétriques. Nous nous limitons à l'étude du vol stationnaire ou sur place pour lequel les effets instationnaires sont prépondérants vis-à-vis des effets quasi-stationnaires. D'abord, l'analyse détaillée d'un cas de référence permet d'affiner les résultats reportés dans la littérature. Ensuite, la confrontation systématique de cas asymétriques révèle l'occurrence de phénomènes aérodynamiques particuliers contribuant favorablement à l'efficacité de l'aile. L'approximation bidimensionnelle occulte toutefois l'influence du tourbillon marginal ou du gradient transverse de vitesse incidente établi le long de l'envergure d'une aile en révolution autour de son emplanture. L'une des spécificités des configurations tridimensionnelles provient effectivement du caractère stabilisateur de certains mécanismes aérodynamiques. Ainsi, nous présentons les effets tridimensionnels et leur dépendance vis-à-vis de l'allongement dans le cas de mouvements de battement en translation rectiligne et en rotation autour d'un axe vertical.

Titre traduit

Numerical and experimental analysis of flapping wing’s aerodynamics, application to micro-air vehicles

Résumé

In response to the recent development of Micro-Air Vehicles, active study related to the aerodynamics of flapping wings has been increasing rapidly. The underlying interest relies on the analysis of low Reynolds unsteady aerodynamic phenomena responsible for the generation of a strong lifting force. The focus of this thesis is essentially threefold. In the first place, correlating the spatiotemporal behavior of the coherent structures together with the time-dependent aerodynamic loads requires specific investigation tools, adapted to the time resolved analysis of two- and three-dimensional flows. Thus, the present study focuses on both 2D/3D DNS numerical simulations (moving mesh) and TR-PIV-2D2C/3D3C experimental methods leading to the non-intrusive measurement of fluid forces by means of the momentum equation approach. The issues related to these novel techniques are addressed. In the second place, two types of bidimensional flapping kinematics are considered ; namely symmetric and asymmetric flapping flight. The study is restricted to hovering configurations for which the unsteady effects are preponderant in comparison with the quasi-steady ones. First, the detailed analysis of a symmetric reference case augments the previous results reported in the literature. Then, the systematic confrontation between asymmetric cases reveals the occurence of specific phenomena contributing to the wing efficiency. However, the two-dimensional approximation occults the influence of a wing tip vortex or the one associated to the presence of a spanwise velocity gradient in the case of a revolving wing. Three-dimensional configurations are effectively characterized by specific stabilizing aerodynamic mechanisms. Therefore, three-dimensional effects and their dependance to aspect ratio are investigated for both translating and revolving flapping wings.