Thèse soutenue

Etude numérique et analyse physique du morphing de profils d'aile de type Airbus A3XX en régime transsonique par l'approche de modélisation de la turbulence "Organised Eddy Simulation" à nombre de Reynolds élevé.
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Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Tô
Direction : Marianna BrazaGilles Harran
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Dynamique des fluides
Date : Soutenance le 27/10/2021
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
Examinateurs / Examinatrices : Marianna Braza, Gilles Harran, George Tzabiras, Flavien Billard, Jean-François Rouchon
Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Koobus, Pawel Flaszinski

Mots clés

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Résumé

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Dans un contexte économique changeant et face aux défis environnementaux auxquels les constructeurs d’avions sont confrontés, il devient primordial de faire appel à des concepts innovants et des idées empruntées à la Nature. C’est dans ce cadre que le projet Smart Morphing and Sensing for aeronautical configurations (SMS - http://smartwing.org/SMS/EU) intervient. Ce projet de recherche, piloté par l’Institut National Polytechnique de Toulouse, s’inscrit dans le cadre du programme H2020 de la Commission Européenne, et réunit 10 partenaires venant de 5 pays européens dans le but de développer un nouveau concept d’aile déformable — le Morphing Hybride Electroactif — qui s’inspire des ailes d’oiseau. Cette déformation continue et modulable en fonction des conditions de vol permet d’améliorer le comportement des aéronefs, les performances aérodynamiques ainsi que de réduire les sources de bruit liées à l’écoulement autour des surfaces portantes. Il serait ainsi possible de réduire la consommation de carburant et les émanations de gaz à effet de serre. En effet, les rejets de gaz carbonique et d’oxydes d’azote sont principalement dûs à la température de flamme au sein de la chambre à combustion des moteurs d’avion. En réduisant la poussée à fournir lors d’un trajet, notamment lors du décollage qui est la phase nécessitant une poussée maximale et la phase de croisière qui est la phase la plus longue, le but du morphing est de permettre à l’avion de devenir plus économe, se basant sur des prédictions allant jusqu’à au moins 1% de gain sur la consommation de carburant. Cette thèse s’intéresse au morphing électroactif en tant que technique permettant la déformation des surfaces portantes et l’amélioration des performances aérodynamiques dans toutes les phases du vol, ici en particulier dans la phase de croisière, une étape du vol lors de laquelle l’écoulement autour de l’avion est transsonique et donne lieu à des phénomènes de compressibilité. L’étude portera notamment sur la compréhension et la manipulation d’une instabilité provenant de l’Interaction entre Choc et Couche Limite (en anglais "Shock Wave Boundary Layer Interactions", ou SWBLI) en écoulement transsonique par le biais du morphing. L’utilisation d’outils de modélisation de la turbulence et de résolution numérique des équations de Navier-Stokes permettent d’établir le comportement de cette instabilité sous l’action d’une déformation dynamique de l’aile. Les simulations ont été produites avec le code Navier Stokes MultiBlock (NSMB), par le biais d’une approche statistique de modélisation de la turbulence qui rend compte de la formation de structures cohérentes et de leur interaction avec le fond désordonné et chaotique de la turbulence. Les résultats de simulation permettent de mettre en exergue l’influence de certains artefacts vorticaux dans la dynamique des interactions entre choc et couche limite, et exhibent des phénomènes dont la compréhension rend possible la manipulation des instabilités résultantes à l’aide du morphing électroactif. Ainsi, plusieurs modes de déformation et fréquences de vibration sur des plages allant de 100 Hz à plus de 800 Hz ont été étudiés et couplés à des études expérimentales en soufflerie dans le cadre du projet SMS. Cette étude paramétrique et l’exploitation physique qui en résulte montre que l’emploi de certaines fréquences permet de considérablement réduire la traînée de forme des surfaces portantes à l’aide d’une rétro-action sur la SWBLI. La finesse aérodynamique se retrouve également augmentée pour ces mêmes fréquences de déformation. Cela laisse présager la possibilité d’exploiter le morphing de haute fréquence en phase de croisière afin d’améliorer les performances aérodynamiques d’un avion commercial.