Modélisation et optimisation d'un rotor à pales flexibles

Modeling of flexible rotor blades

• Auteur / Autrice : Eduardo Duran-Venegas
• Direction : Stéphane Le Dizès, Christophe Eloy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 05/06/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Ortiz Clerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luis Parras Anguita, Ivan Delbende
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Chatelain, François Gallaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Drones

Rotors

Interaction fluide-structure

Rotors (hélicoptères) -- Aérodynamique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

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Résumé

Historiquement, les rotors ont été développés pour la propulsion et la génération d’énergie. Pendant des années, grands efforts de recherche ont été fournis pour les éoliennes et les hélicoptères. Or, des nouvelles applications comme les drones nécessitent une recherche plus approfondie. La flexibilité du rotor et les conditions de fonctionnement particulières constituent un défi pour l'optimisation de leur design. Dans cette thèse, on propose un modèle fluide-structure qui prend en compte la flexibilité des pales dans des conditions de fonctionnement non-conventionnelles. Le modèle est suffisamment simple et robuste pour la réalisation d'études paramétriques extensives. Il comprend des modèles pour le sillage et la structure flexible du rotor. Deux modèles du sillage sont considérés: un modèle classique de Joukowski et un modèle généralisé. Dans le modèle classique, deux vortex sont émis par pale, l’un sur la pointe et l’autre sur l’axe. Dans le modèle généralisé, le tourbillon axial est décalé par rapport au centre. Une analyse de stabilité est réalisée pour les solutions dérivées avec le modèle classique. La nature convective/absolue de l’instabilité est étudiée pour différentes conditions de fonctionnement. Les solutions stationnaires du sillage sont utilisées pour calculer le champ de vitesse induit dans le plan rotor. Ainsi, à partir de la loi de Kutta-Joukowski et de la théorie des éléments de pale (BET), on peux déterminer les charges aérodynamiques exercés sur les pales. Le couplage du rotor avec son sillage est alors implémenté pour une configuration rigide. Finalement, la flexibilité de la pale est prise en compte à l’aide d’un modèle de poutre élastique

Rotors have been historically developed for harvesting and propulsion. For wind turbines and helicopters, decades of research have been done to optimize their design. For recent applications, such as drones, no such a research effort has been made. The high flexibility of the rotor and the different operational conditions still constitute challenging issues for their design. In this work, a coupled fluid-structure model is proposed, taking into account the flexibility of the blades in non-conventional operational conditions.The model is sufficiently simple and robust to permit extensive parameter studies. It includes a model for the wake, a model for the flexible rotor structure and the coupling. Two different wake models are considered: a classical Joukowski model, where two vortices are emitted per blade, one at the tip and one at the axis, and a generalized Joukowski model where the axial vortex is replaced by a hub vortex emitted away from the center. A stability analysis of the solutions derived with the classical Joukowski model is performed. The convective/absolute nature of the instability is analysed for various operational conditions.Stationary wake solutions are used to calculate the flow in the rotor plane. Kutta-Joukowski law and Blade Element Theory are applied to obtain the aerodynamic loads exerted on the blades. The full coupling of the rotor with its wake is first implemented for a rigid configuration. Coupled solutions are obtained for different rotors and compared to experimental and numerical data published in the literature. Finally, blade flexibility is considered using a rod model for the blade