Thèse soutenue

Etude numérique d'hélices cycloïdales : Analyse des écoulements tourbillonnaires instationnaires et optimisation
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Auteur / Autrice : Lei Shi
Direction : Olivier Coutier-DelgoshaAnnie-Claude Bayeul Lainé
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie énergétique (AM)
Date : Soutenance le 16/12/2021
Etablissement(s) : Paris, HESAM
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet - Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille – Kampé de Fériet - UMR 9014 / LMFL
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
Jury : Président / Présidente : Jacques-André Astolfi
Examinateurs / Examinatrices : Olivier Coutier-Delgosha, Annie-Claude Bayeul Lainé, Pierre-Antoine-Amédée Ducoin, Jean-Luc Estivalèzes, Céline Gabillet, Benoît Moble, Pierre-Luc Delafin
Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Antoine-Amédée Ducoin, Jean-Luc Estivalèzes

Mots clés

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Résumé

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De nos jours, les turbines et hélices à pas variable sont largement utilisées dans de nombreux équipements d'ingénierie, tels que l'éolienne à axe vertical, le système de propulsion sous-marin et les véhicules aériens sans pilote. En tant que nouveau type de dispositifs à pas variable, les hélices cycloïdales, comprenant plusieurs pales oscillant avec des mouvements sinusoïdaux, ont attiré plus d'attention. Le principe du rotor cycloïdal comprend deux mouvements de base : l'un est la rotation basée sur le centre de l'arbre et l'autre est le mouvement de tangage de la pale sur un point de pivot le long de la ligne de corde. La portance et la force de propulsion de l'hélice cycloïdale sont fournies par les composants de la portance et de la traînée sur les pales, en raison de la variation de l'angle d'attaque relatif. Les structures d'écoulement à l'intérieur de l'hélice cycloïdale sont extrêmement compliquées, impliquant plusieurs types d'interactions pale-sillage et sillage-sillage et différents tourbillons sur les surfaces des pales, ce qui dépend de manière significative des paramètres géométriques et des conditions de travail. Pour une meilleure conception d'un tel dispositif, il est d'une grande importance de comprendre la physique de l'écoulement autour du propulseur cycloïdal et de déterminer comment elle affecte les performances du propulseur, dans différentes conditions de travail. Dans cette thèse, les écoulements tourbillonnaires instationnaires sur un rotor cycloïdal bipale sont modélisés en utilisant le modèle de turbulence de transition SST k-(Re) ̃_θt. Les principales contributions du présent travail peuvent être résumées comme suit : (1) étalonnage du modèle de transition SST k-(Re) ̃_θt sur un profil aérodynamique fixe isolé par étude d'influence des paramètres de distribution du maillage, des conditions limites de turbulence à l'entrée, des corrélations et des paramètres du modèle de transition et pa r comparaison aux résultats expérimentaux à différentes incidences et différents nombres de Reynolds ; (2) application du modèle de transition optimisé à un rotor cycloïdal pour deux coefficients d'avance, pour étudier en détail les structures d'écoulement internes, notamment l'interaction pale-sillage, l'interaction sillage-sillage, les écoulements vortex près de la paroi et la transition laminaire-turbulence ; (3) optimisation des paramètres du rotor cycloïdal : de la cinématique de tangage, du rapport corde/rayon, de la position du point de pivot, du pas et du profil de pale. Analyse des performances globales pour différents nombres de Reynolds et coefficients d'avance, sur la base de l'analyse des performances de la pale unique, forces (portance et traînée), coefficients de pression et écoulements près de la paroi sur deux pales.