Civil aircraft aero-thermo-propulsive performance assessment by an exergy analysis of high-fidelity CFD-RANS flow solutions

par Aurélien Arntz

Thèse de doctorat en Mécanique. Énergétique. Sciences des matériaux

Sous la direction de Alain Merlen et de Olivier Atinault.

  • Titre traduit

    Détermination des performances aéro-thermo-propulsives d’avions civils par une analyse exergétique de solutions haute-fidélité CFD-RANS


  • Résumé

    Les outils et méthodologie utilisés actuellement par les ingénieurs ne permettent pas d’évaluer efficacement l’intérêt de ces concepts innovants. Typiquement, le conventionnel partage poussée/traînée devient excessivement ambigu pour l’étude de systèmes propulsifs avec ingestion de couches limites. Par ailleurs, le management thermique devient un enjeux crucial pour les performances globales de l’appareil. Le travail a donc consisté à développer une méthodologie capable de prendre en compte ces différents aspects. Dans un premier temps, une formulation théorique basée sur la notion d’exergie a été développée. Une analyse du fluide contenu dans un volume de contrôle autour de l’appareil basée sur la quantité de mouvement et sur le premier et le second principes de thermodynamique a permis d’aboutir à une équation bilan qui met en relation l’exergie délivrée par convection (système propulsif) ou par conduction (transfert de chaleur), l’équilibre mécanique de l’avion et les principaux phénomènes fluides à l’origine de la destruction d’exergie. Cette formulation théorique a ensuite été implémentée numériquement dans un code Fortran afin de pouvoir post-traiter des solutions haute-fidélité CFD-RANS. La précision et la robustesse de ce code a été évaluée dans un second temps pour des configurations non propulsées qui ont l’avantage de faire intervenir des méthodes éprouvées pour la détermination de la traînée subi par ces solides. Enfin, la formulation et le code on été utilisés pour la détermination des performances de configurations qui échangent de l’énergie (mécanique ou thermique) avec le fluide environnant.


  • Résumé

    The tools and methodologies currently used for the design of commercial aircraft have been initiated decades ago and are based on simplifying assumptions that become excessively ambiguous for highly-integrated propulsion devices for which traditional drag/thrust bookkeepings become inapplicable. Likewise, the growing complexity of civil aircraft requires a more global performance assessment which could take into account thermal management. As a consequence, a new exergy-based formulation is derived for the assessment of the aerothermopropulsive performance of civil aircraft. The output of the derivation process is an exergy balance between the exergy supplied by a propulsion system or by heat transfer, the mechanical equilibrium of the aircraft, and the exergy outflow and destruction within the control volume. The theoretical formulation is subsequently numerically implemented in a Fortran code named ffx for the post-processing of CFD-RANS flow solutions. Unpowered airframe configurations are examined with grid refinement studies and a turbulence model sensitivity analysis. The code is thereby validated against well-tried methods of drag prediction or wind-tunnel testings when available. Finally, the investigation of powered configurations demonstrates the ability of the approach for the performance assessment of configurations with aerothermopropulsive interactions.


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