Simulation numérique du contrôle de décrochage dynamique d'un profil en oscillation de tangage

Numerical simulation of pitch-oscillating airfoil dynamic stall control

• Auteur / Autrice : Gilles Joubert
• Direction : Serge Huberson, Arnaud Le Pape
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 12/10/2012
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Azeddine Kourta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Huberson, Arnaud Le Pape, Jean-Paul Bonnet, David Alfano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Azeddine Kourta, Christophe Corre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Couche limite -- Contrôle

Simulation par ordinateur

Décrochage dynamique

Profils aérodynamiques

Mots clés libres

Décrochage dynamique

Simulation numérique

Contrôle d’écoulement

Générateurde tourbillons

Interactions tourbillonnaires

Dynamic stall

Numerical simulation

Flow control

Vortex generator

Vortexinteractions

Résumé

L'enveloppe de vol des hélicoptères est limitée par le décrochage dynamique, que le contrôle d'écoulement permet de surmonter. Malgré de nombreuses études, aucun dispositif de contrôle ne s'est révélé utilisable sur un rotor. Conçu par l'ONERA, un Vortex Generator déployable (DVG) s'est révélé efficace pour limiter les effets du décrochage dynamique d'un profil OA209 en oscillation de tangage. Mais l'étude de cet actionneur est nécessaire avant son application. Le travail exposé dans le présent mémoire s'attache à reproduire par simulations numériques l'écoulement du décrochage dynamique contrôlé par DVG afin d'identifier les phénomènes physiques en jeu. Après une première partie bibliographique dédiée au contrôle de décrochage dynamique et aux Vortex Generators, une seconde partie a été consacrée à valider et étudier la simulation numérique du contrôle du décrochage statique. L'écoulement induit a pu être ainsi caractérisé par les interactions tourbillonnaires présentes du fait de l'épaisseur du DVG et qui réduisent l'efficacité du contrôle. Cette analyse a permis d'élaborer une modélisation préliminaire du DVG. Dans une troisième partie, la validation et l'étude de la simulation numérique du contrôle du décrochage dynamique a mis en évidence un effet de contrôle similaire au cas statique, et la décomposition en modes propres orthogonaux de l'écoulement contrôlé a montré une altération du mode lié au tourbillon de décrochage dynamique. Ce travail valide la simulation numérique mise en place, laisse entrevoir des perspectives d'amélioration du dispositif de contrôle et permet la simulation numérique ultérieure du contrôle de décrochage dynamique de voilure tournante.

The helicopter flight envelope is limited by dynamic stall, which can be reduced by flow control actuation. Numerous studies are dedicated to the alleviation of dynamic stall, however no actuator has ever been used on real rotor configuration. A new deployable Vortex Generator-type actuator called DVG has been designed by the ONERA and proved its efficiency over pitch-oscillating dynamic stall control of an OA209 airfoil. However, the control effect must be in-depth analyzed before further application. Therefore, the present works aims at reproducing the dynamic stall control through numerical simulations,in order to investigate the physics involved. After a first part dedicated to the literature review of dynamic stall control and Vortex Generators, a second part considered the validation and investigation of the static stall control. DVG-induced secondary flow has been characterized by its vortex interactions, which reduce the control efficiency because of the DVG thickness. This analysis made a preliminary modeling of the DVG possible. In a third part, validation and investigation of the dynamic stall control have been performed, and the actuation showed strong similarities with the static case. Eventually, Proper Orthogonal Decomposition of the flow brought evidence of Dynamic Stall Vortex mode distortion thanks to DVG presence. This work validates the numerical simulation methodology, lets hope possible improvement of the actuator design and allows further numerical simulations of dynamic stall control over real helicopter blades.