Analyse physique de concepts du morphing électroactif pour accroître les performances aérodynamiques des ailes du futur par simulation numérique de haute fidélité et modélisation de la turbulence à nombre de Reynolds élevé
Langue Anglais
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Modalités de diffusion de la thèse :
  • Thèse confidentielle jusqu'au 15/03/2022.
  • Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 15/03/2022 (communication intranet).
 
Auteur : Marouf, Abderahmane
Date de soutenance : 15-10-2020

Directeur(s) de thèse : Hoarau, Yannick - Braza, Marianna

Établissement de soutenance : Strasbourg
Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
École doctorale : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
 
Discipline : Mécanique des fluides
Classification : Physique

Mots-clés libres : Mécanique des fluides numériques, Aérodynamique, Morphing, Contrôle de forme, Turbulence, Instabilité vibratoire, Sillage, Tourbillons, Interaction fluide structure
Mots-clés :
  • Mécanique des fluides
  • Aérodynamique
  • Métamorphose (animation par ordinateur)
  • Turbulence de sillage
  • Tourbillons (mécanique des fluides)
  • Interaction fluide-structure
Résumé : Cette thèse vise à étudier des concepts pour le design des ailes en morphing à différentes échelles (échelle réduite et proche à l'échelle réelle), en régime subsonique en différentes phases de vol. L'étude a été réalisée à l'aide des simulations numériques haute-fidélité utilisant des modèles de turbulence adaptés capables de capturer le développement des structures cohérentes. Une attention particulière est portée aux mécanismes fondamentaux et à la compréhension physique de l'écoulement autour de l'aile et à leur modification lorsque le morphing est activé. Les concepts de morphing électroactifs sont implémentés dans le solveur Navier Stokes MultiBlock (NSMB) et une étude paramétrique a été réalisée en synergie avec les études expérimentales du projet Smart Morphing and Sensing (SMS). Les concepts de morphing étudiés dans cette thèse concernent les effets de l'actionnement proche du bord de fuite à faible déformations dans une plage de fréquences de (30-400) Hz avec les actionneurs piézoélectriques, ainsi que par une cambrure à grande déformation (similaires aux expériences assurées par les actionneurs Electromécaniques et les Alliages à Mémoire de Forme) et faibles fréquences (de l'ordre 1 Hz) et enfin, en associant les deux, dans le cadre du morphing électroactif hybride. Les prototypes considérés ont été ceux du projet SMS, l'aile à échelle réduite (RS) et le système hypersustentateur à deux éléments à grande échelle (LS) d'une aile A320. Des simulations 2D et 3D ont été réalisées en utilisant l'approche de modélisation de la turbulence "Organised Eddy Simulation" OES et des méthodes hybrides comme la "Detached Eddy Simulation" DES, afin de révéler les structures turbulentes et cohérentes du sillage comme les instabilités de Kelvin Helmholtz et von Kármán conduisant à la création des tourbillons alternés en se basant sur l'analyse spectrale. Ces modèles ont été en mesure de capturer les effets de morphing grâce aux actionnements et de fournir une augmentation des performances aérodynamiques. Il a été démontré que les vibrations optimales du bord de fuite sont capables de supprimer le caractère tridimensionnel du sillage et de conduire à une augmentation de la portance avec +4.28 % et la finesse aérodynamique de +1.61 % sur le prototype RS. Une vibration optimale a été étudiée dans le cas du prototype LS qui a fourni une augmentation de la portance de +0.55 %, ainsi qu'une réduction des sources de bruit proche du bord de fuite de -15 à -20 dB. Le système de cambrure optimale a été étudié pour le prototype LS étant proche de l'échelle réelle, il a conduit à une augmentation de la finesse de +3.26 %. Ces bénéfices ont été étudiés dans le cas d'un avion A320 complet et ont permis une augmentation de CL/CD de +2.24 %. Enfin, l'association simultanée et bio-inspirée de la cambrure et des vibrations du bord de fuite dans le contexte de morphing électroactif hybride, a révélé une diminution de la trainée de -0.71 % et une augmentation de la finesse de + 0.50 % comparé à la cambrure seule. Ces recherches ont été menées dans le programme Européen H2020 N° 723402 du projet SMS.
 
Type de contenu : Text
Format : PDF
 
Entrepôt d'origine : STAR : dépôt national des thèses électroniques françaises
Identifiant : 2020STRAD025
Type de ressource : Thèse