Caractérisation expérimentale et numérique des mécanismes tourbillonnaires de génération de portance sur une aile en mouvement couplé de battement et tangage

Experimental and numerical characterization of vortex mechanisms of lift generation on a wing in flapping motion

• Auteur / Autrice : Thibaut Tronchin
• Direction : Alain Farcy, Laurent David
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 14/06/2013
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• 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) - Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Jardin, Jacques Borée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Devinant, Thierry Maître

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Charge aérodynamique

Modélisation tridimensionnelle

Pression

Microdrones à ailes battantes

Tourbillons (mécanique des fluides)

Aérodynamique

Mots clés libres

Vol battu

Piv 3d-3c

Simulaton numérique directe

Sustained flight

3D PIV

Direct numerical simulation

Résumé

A bas nombre de Reynolds, le concept de voilure battante apparaît comme une alternative auxconcepts conventionnels de voilure fixe et voilure tournante. Dans le cadre d’une applicationpratique (micro-drones ou MAVs), l’évaluation de l’adaptabilité d’un tel mode de sustentationrequiert la compréhension fine des principaux mécanismes aérodynamiques mis en jeu et de leurimpact sur les efforts résultants. Ces derniers se caractérisent par une instationnarité forte et descomportements complexes.Les travaux de cette thèse se concentrent sur l'étude du mouvement de vol battu à bas Reynolds (del'ordre de 1000), dans une configuration de vol stationnaire. Le modèle est constitué d’une ailerectangulaire à profil symétrique animé d’un mouvement couplé de battement et de tangage. Cemode de sustentation se caractérise par la génération à proximité de l'aile de structurestourbillonnaires plus ou moins persistantes influant fortement les efforts appliqués à l’aile.L'objectif consiste à analyser l'évolution des mécanismes instationnaires et des efforts en résultant.L'étude porte en particulier sur une analyse approfondie d'un cas de référence, comparé ensuite àd'autre résultats lors d'une étude paramétrique portant sur l’influences de l'allongement d'une part, etde la cinématique du mouvement d'autre part.Les moyens d’investigations adoptés pour mener cette étude sont à la fois numériques etexpérimentaux, L’analyse repose d’une part sur une approche numérique DNS utilisant unetechnique de maillage « chimère », et d’autre part sur des mesures en bassin de type PIV 3D-3Crésolues en temps. La mesure directe des efforts instationnaires de faible niveau étant difficilementenvisageable, une part importante du travail a consisté à adapter une méthode d’évaluation desefforts par bilan de quantité de mouvement à partir des champs de vitesse PIV résolus en temps. Lespoints durs de cette approche, en particulier l’évaluation de la pression à partir des champs devitesse, font l’objet d’une attention particulière.

A low Reynolds number, flapping wings appears as an alternative to conventional concepts of fixed wings and rotary wings aircrafts. In the context of a practical application (micro air vehicles, MAVs), assessing the suitability of such mode of lift generation requires a detailed understanding of the key aerodynamic mechanisms involved and their impact on resulting forces. These are characterized by a strong unsteadiness and complex behaviors.This work focuses on the study of flapping flight at low Reynolds (around 1 000), in a hover configuration. The model consists of a rectangular wing with a symmetrical profile in a flapping motion. This mode is characterized by the generation of vortex structures more or less persistent that strongly influence the forces applied to the wing.The objective is to analyze the evolution of unsteady mechanisms and resulting forces. The study focuses in particular on a thorough analysis of e reference case, then compared to other results in a parametric study on the influence of aspect-ratio on the one hand, and on the kinematic of movement on the other.The means of investigation adopted for this study are both numerical and experimental. The analysis is based in part on a numerical approach using a DNS meshing technique “chimera”, and on experimental approach with 3C-3D TR-PIV measures. Direct measurement of unsteady low forces being difficult to consider, an important part of the work was to adapt a method for evaluating loads by applying momentum equation using PIV velocity fields. The bottleneck of this approach which is the evaluation of the pressure from the velocity fields is subject to special attention.