Etude numérique et analyse physique du morphing d'une aile d'avion de type Airbus A3XX en régime transsonique par l'approche de modélisation de la turbulence "Organised Eddy SImulation" à nombre de Reynolds élevé.

Résumé : 

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 Européen H2020 N° 723402 SMS :  « Smart Morphing and Sensing for aeronautical configurations », http://smartwing.org/SMS/EU intervient. Ce projet de recherche, coordonné par l’Institut National Polytechnique de Toulouse/Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, 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 en partie 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 dus 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 qu’approche 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 écoulement transsonique par le biais du morphing. L’utilisation d’approches 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 de l’approche « Organised Eddy Simulation » 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 la dynamique tourbillonnaire de structures tourbillonnaires cohérentes sur les 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 par des actionnements dans la région proche du bord de fuite permet de considérablement réduire la traînée de forme des surfaces portantes à l’aide d’une rétroaction 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 en phase de croisière afin d’améliorer les performances aérodynamiques d’un avion commercial.

English version