Conception et optimisation de tuyères en configuration installée

Design and optimization of aircraft engine nozzles in under-wing configuration

• Auteur / Autrice : Simon Bagy
• Direction : Bijan Mohammadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et modélisation
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (Montpellier ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Costes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bijan Mohammadi, Michel Costes, Esther Andres, Tom Verstraete, Bruno Koobus, Michaël Méheut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Esther Andres, Tom Verstraete

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception assistée par ordinateur

Aérodynamique

Optimisation globale

Mots clés libres

Optimisation

Aérodynamique

Conception Assistée par Ordinateur

Optimization

Aerodynamics

Computer-Aided Design

Résumé

Lorsque les moteurs aéronautiques sont installés sous les ailes des aéronefs, des interactions aérodynamiques apparaissent entre l’ensemble propulsif et la voilure, qui sont aussi appelées « effets d’installation ». L’augmentation du taux de dilution des turbofan, permettant de réduire leur consommation de carburant, conduit à des diamètres de nacelles plus importants qu’auparavant, et renforce ces phénomènes. En particulier, l’arrière-corps et les tuyères du moteur sont situés à proximité de l’intrados de la voilure et sont fortement impactés par ces interactions aérodynamiques. Afin de mieux prendre en compte les effets d’installation dès les phases préliminaires de conception, cette thèse vise à développer des méthodes pour le dessin des lignes aérodynamiques de tuyères basées sur des optimisations de formes, s’appuyant sur des outils de dessin industriel (CAO) et des simulations aéro-propulsives couplées. Les modèles géométriques industriels utilisent généralement des logiciels commerciaux de CAO, et comprennent des centaines de paramètres de dessin. Cependant, une étude bibliographique montre que les méthodes d’optimisation existantes ne permettent pas de traiter des cas avec un grand nombre de variables tout en incluant des logiciels commerciaux en « boîte noire ». En réponse à cette difficulté, une méthode originale, appelée combinaison convexe, est proposée et développée dans ce travail. En se servant du savoir-faire industriel pour définir un sous-espace de l’espace de conception, cette approche innovante permet de réduire la dimension du problème d’optimisation. Ainsi, elle donne accès à la plupart des méthodes d’optimisation pour la recherche d’un optimum sur l’espace réduit. Tout d’abord, cette approche a été appliquée à une nacelle de moteur mono-flux et bidimensionnelle. Sur ce cas simple, sans CAO, la méthode a été testée et validée. De surcroît, explorer l’espace réduit s’est avéré être une stratégie parfois plus performante que l’exploration du domaine de design complet. Puis, un cas de nacelle double-flux de complexité industrielle a été mis en œuvre, avec des géométries CAO. Les optimisations opérées sur cette nacelle isolée (sans présence de l’avion) ont permis de démontrer le bon fonctionnement de la méthode avec des outils industriels de conception. Pour finir, des travaux ont été menés pour développer des calculs aérodynamiques comprenant un couplage avec un modèle thermodynamique de moteur, aussi appelés simulations couplées aéro-propulsives. A terme, de tels calculs pourront être intégrés au sein de la chaîne d’optimisation. Les travaux de thèse ont donc consisté à mettre en place un processus d’optimisation aérodynamique adapté pour le dessin de tuyères de moteurs aéronautiques, tout en prenant en compte les outils de conception et des cas d’application industriels. Bien que l’application à une configuration motrice installée avec couplage aéro-propulsif n’ait pas été effectuée dans le cadre de cette thèse, l’approche développée permettra sa mise en œuvre industrielle dans un futur proche.

When aircraft have under-wing propulsion systems, aerodynamic interactions appear between engines and wings. The trend of increasing turbofans by-pass ratio in order to improve their efficiency leads to greater engine diameters, and therefore strengthens these installation effects. In particular, the engine rear-body and the nozzles are located in the vicinity of the wing pressure side and are directly concerned by these interactions. In order to take these effects into account during early design phases of nozzles aerolines, the present thesis work aims at developing design approaches based on aerodynamic shape optimization methods, with industrial tools (such as CAD) and coupled aeropropulsive simulations. Industrial geometrical models are usually defined with commercial CAD software and comprise hundreds of design parameters. However, a literature review on optimization methods shows the difficulty of considering these software as well as a high number of design variables. Consequently, an original approach called convex combination is proposed. This method enables a dimensional reduction for the optimization problem, by using industrial know-how to define a subspace of the design space. Thus, it allows the use of most optimization methods for optimum research on the subspace. At first, this approach is tested and validated on a 2D single-flow nozzle case. On this case without CAD, exploring a subspace appears capable of outperforming full-space research. Then, a case of industrial complexity is defined, with a CAD geometry of turbofan nacelle and dual separate flow nozzles. Optimizations performed on this isolated nacelle (without aircraft) validate the use of the proposed approach with industrial design tools. Finally, some developments towards fully-coupled aeropropulsive simulations are made. In the end, these simulations coupling aerodynamics to a thermodynamic engine model are expected to be integrated in the optimization workflow. The thesis work consisted in developing optimization strategies and workflows adapted to the design of aeronautic turbofan nozzles, while considering industrial use cases and tools. Although the final application case on a complete aircraft with under-wing engines has not been covered in this work, the proposed convex combination approach and the associated workflow will allow to carry out this study in the near future.