Modélisation et simulation de l'effet des rafales et turbulence atmosphérique sur les qualités de vol d'un avion souple

Modelling and simulation of gust and atmospheric turbulence effects on flexible aircraft flight dynamics

• Auteur / Autrice : Pau Castells Marin
• Direction : Marianna Braza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 08/07/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Hoarau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianna Braza, Horia Hangan, Joseph Morlier, George Barakos, Benoit Calmels, Philipp Bekemeyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Hoarau, Horia Hangan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Aéroélasticité

Turbulence atmosphérique

Mots clés libres

Rafales

Turbulence atmosphérique

Dynamique de vol

Qualités de vol

Aéroélasticité

Aérodynamique instationnaire

DLM

CFD

Gust

Atmospheric Turbulence

Flight Dynamics

Handling Qualities

Aeroelasticity

Unsteady Aerodynamics

DLM

CFD

Résumé

La prédiction de la réponse de l’avion aux rafales et turbulence a un rôle primordial dans différentes applications. L’analyse des charges en rafale est un élément essentiel de la conception et certification des avions. L’effet des rafales et turbulence sur la dynamique de vol est également important. Avoir des modèles capables de capturer des effets significatifs dans ces conditions et pendant la phase initiale de conception permet d’anticiper et d’évaluer la réponse de l’avion et les lois de contrôle face à des perturbations atmosphériques réalistes avant des essais en vol. Ce travail propose une stratégie de modélisation afin de capturer des effets physiques pertinents lors de la simulation de la réponse de l’avion face à la rafale et la turbulence pour des analyses de dynamique de vol. Le modèle apporte de la précision pour un faible coût de calcul, ainsi qu’une cohérence avec des analyses de charges en rafales permettant une conception multidisciplinaire. L’approche est basée sur l’intégration d’un modèle non-linéaire de dynamique de vol quasistationnaire souple et un modèle aéroélastique instationnaire linéarisé autour d’un état stationnaire non-linéaire. Les forces induites par les rafales ont un impact significatif sur la dynamique de vol des avions. Des faibles temps de calcul sont nécessaires afin de couvrir plusieurs conditions de vol et paramètres de l’avion. Un modèle aérodynamique multipoint à faible coût de calcul, qui capture des effets instationnaires et de propagation des rafales, est généré à partir de calculs CFD linéarisés dans le domaine fréquentiel. Le modèle est identifié par une fonction rationnelle permettant des simulations dans le domaine temporel. Un nombre réduit d’états aérodynamiques supplémentaires est suffisant afin de capturer les principaux effets à basses fréquences pour les analyses de dynamique de vol. L’impact de la flexibilité dynamique sur la réponse est également évalué. Seuls les modes souples le plus énergétiques sont conservés afin de réduire le nombre d’états et d’assurer un faible temps de calcul. L’approche est appliquée afin de simuler la réponse verticale et latérale d’un avion de passagers face à des profils de perturbation théoriques ainsi qu’à de la turbulence atmosphérique réaliste dans différentes conditions de vol. Des effets aérodynamiques nonlinéaires, tels que des décollements locaux dus aux mouvements des ondes de choc, peuvent apparaître en conditions transsoniques. Le modèle linéarisé est capable, dans ces conditions, de capturer la réponse globale de l’avion avec des mouvements des ondes de choc à faible amplitude. Les résultats sont comparés et validés avec des simulations CFD couplées à un solveur de dynamique structurelle et de mécanique de vol. Des mesures des essais en vol sont également utilisées afin d’évaluer l’approche de modélisation. L’effet des incertitudes de la variation de turbulence en envergure de l’aile sur la réponse est analysé. Les résultats de simulation montrent que des effets aérodynamiques significatifs sont capturés dans la plage de fréquence d’intérêt pour les investigations de dynamique de vol.

The prediction of the aircraft response to gust and turbulence is of major importance for different purposes. Gust load analysis is an essential part of aircraft design and certification. The effect of gust and turbulence on aircraft flight dynamics is also of interest. Models able to capture relevant effects at these conditions in early design phases are essential in order to anticipate and assess the aircraft response and flight control laws in realistic atmospheric disturbances before flight test. This work proposes a modelling strategy to capture relevant physics when simulating the aircraft response to gust and turbulence for flight dynamics investigations. The model provides accuracy at a low computational cost as well as consistency with gust loads analysis enabling multidisciplinary design. The approach is based on the integration of a nonlinear quasi-steady flexible flight dynamics model with an unsteady aeroelastic model linearized around a nonlinear steady state. The gust-induced forces have a significant impact on aircraft flight dynamics. Low computing times are required to cover several flight conditions and aircraft parameters. A computationally efficient multipoint aerodynamic model, which captures both unsteady aerodynamic and gust propagation effects, is generated from linearized Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in the frequency domain. The model is identified through a rational function approximation allowing for time domain simulations. A reduced number of additional aerodynamic states is sufficient to capture the main effects at low frequencies for flight dynamics analysis. The impact of dynamic flexibility on the response is also evaluated. Only the most energetic flexible modes are retained to reduce the number of states and ensure a low computation time. The approach is applied to simulate the vertical and lateral response of a passenger aircraft to theoretical disturbance profiles as well as realistic atmospheric turbulence at different flight conditions. Aerodynamic nonlinear effects, such as local stalls due to shock motion, in transonic conditions may appear. The linearized model is able to capture the global aircraft response at these conditions with low amplitude shock motions. Results are compared and validated with a CFD simulation based approach, coupled with a structural dynamics and flight mechanics solver. Measures from flight test are also used to assess the modelling approach. The effect of uncertainties on the response is analysed, in terms of the turbulence variation along the wingspan. Simulation results show that relevant aerodynamic effects due to gust and turbulence are captured in the frequency range of interest for flight dynamics investigations.