Evaluation du couple "champ lointain" d'un rotor d'hélicoptère en vol stationnaire : analyse de résultats issus de simulations numériques de mécanique des fluides

“Far-field” torque evaluation of a helicopter rotor in hover : Analysis on results of numerical simulations of fluid mechanics

• Auteur / Autrice : Simon Verley
• Direction : Philippe Devinant, Michel Costes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Azeddine Kourta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Devinant, Michel Costes, Azeddine Kourta, Henri-Claude Boisson, Daniel Destarac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri-Claude Boisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couple (mécanique)

Traînée (aérodynamique)

Rotors (hélicoptères) -- Aérodynamique

Mots clés libres

CFD

Couple

Traînée

Champ-lointain

Computational fluid dynamics

Torque

Drag

Far-field

Résumé

Dans cette thèse, une formulation pour l’extraction du couple « champ lointain » d’un rotor d’hélicoptère en vol stationnaire est présentée. Cette formulation est dérivée de la méthode d’extraction de la traînée « champ lointain » d’un avion, basée sur les travaux de van der Vooren et Destarac [?, ?, ?]. Un outil développé à l’Onera à partir de cette théorie permet de donner une analyse complète de la traînée aérodynamique d’un avion. Il est basé sur l’analyse physique et locale de l’écoulement calculé autour de l’aéronef, et décompose la traînée totale, aussi appelée traînée mécanique, en composantes physiques. Ces composantes physiques peuvent être définies comme suit : 1) la traînée d’onde, 2) la traînée visqueuse, 3) la traînée induite. L’adaptation de la méthode d’extraction de la traînée d’un avion à un rotor en vol stationnaire nécessite l’utilisation du couple rotor à la place de la traînée de l’avion, ce qui donne la décomposition suivante : 1) le couple d’onde, 2) le couple visqueux, 3) le couple induit. Les simulations de rotor diffèrent de celles de l’avion dans la mesure où les équations d’Euler (ou RANS) ne sont pas écrites dans le même repère de référence : les simulations d’avion utilisent généralement une formulation en vitesse relative tandis que les simulations d’un rotor d’hélicoptère utilisent la vitesse absolue projetée dans le repère relatif. Cette différence conduit à deux formulations différentes des équations de l’écoulement, et nécessairement deux formulations différentes de l’extraction de la traînée ou du couple. Ce changement de repère implique aussi des changements dans les quantités thermodynamiques utilisées, en particulier l’utilisation de la rothalpie à la place de l’enthalpie d’arrêt pour déterminer le couple dû aux phénomènes irréversibles. Une application de cette méthode est présentée sur un rotor quadripale créé pour cette étude et montre comment cette nouvelle approche peut améliorer la précision de l’extraction des performances d’un rotor à partir de résultat issu de la simulation numérique.

In this thesis, a formulation for “far-field” torque extraction in the case of a hovering rotor is presented. This formulation is derived from an aircraft “far-field” drag extraction method, based on van der Vooren and Destarac’s works [?, ?, ?]. A tool was previously developed at Onera to give an aerodynamic comprehensive analysis of aircraft drag, based on physical and local analysis of the computed flow field surrounding the aircraft. It decomposes the total drag, also called mechanical drag, into its physical components. These physical components can be defined as : 1) wave drag, 2) viscous drag, 3) induced drag. The adaptation of the method to a rotor in hover leads to consider rotor torque instead of aircraft drag, which gives the following decomposition : 1) wave torque, 2) viscous torque, 3) induced torque. Rotor simulations differ from aircraft ones inasmuch as the Euler (or RANS) equations are not written in the same reference frame : aircraft simulations use the relative velocity formulation while rotor simulations use the absolute velocity projected in the relative frame. This difference leads to two different formulations of the flow equations, and necessarily two different formulations of the drag or torque extraction. This change of reference frame also implies some changes in the thermodynamical quantities used, in particular the use of the rothalpy instead of the stagnation enthalpy to determine the torque due to irreversible phenomena. An application of this method is described on a four-bladed rotor created for this study and shows how this method can improve rotor performance extraction from numerical simulations.