Etude expérimentale et numérique de l'interaction aérodynamique entre deux profils : application au risque aéronautique du décrochage profond

Experimental and numerical study of the aerodynamic interaction between two airfoils : application to deep stall aeronautical hazard

• Auteur / Autrice : Laurent Hetru
• Direction : Thierry Faure, Sébastien Kolb, Olivier Montagnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 16/11/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Cadot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Sicot, Eric Serre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent David, Jean-Marc Moschetta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie par images de particules

Tourbillons (mécanique des fluides)

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Profils aérodynamiques

Mots clés libres

Dynamique du vol

Écoulement instationnaire

Systèmes dynamiques non linéaires

Lâchers de tourbillons de Von Kármán

Vélocimétrie par images de particules

Moyennes de phase

Balance aérodynamique

Flight dynamics

Unsteady flow

Non linear dynamical systems

Von Kármán vortex shedding

Particle image velocimetry

Phase averaging

Aerodynamic balance

Résumé

Le décrochage profond est un cas particulier du décrochage d’un avion, où l'empennage horizontal est entièrement situé dans le sillage décollé de la voilure principale. Le plan perd ainsi son efficacité, ce qui se traduit par une position d'équilibre en tangage stable, à une incidence élevée, dont il est impossible de sortir par une manœuvre simple. L’objectif de cette étude est de caractériser l’aérodynamique associée à ce phénomène et de proposer une procédure d’identification et de récupération. Il est proposé une démarche visant à déterminer la dynamique bidimensionnelle de l’écoulement autour d’une configuration aéronautique de référence. Les coefficients aérodynamiques, obtenus dans une large plage d’incidence, mettent en évidence l’effet de l’interaction entre les profils sur le décrochage, qui impacte principalement le profil aval. L’analyse des champs de vitesse fournit l’étendue et l’évolution axiale des sillages des profils. Un traitement des champs de vitesse par moyennes de phase permet de reconstruire la dynamique temporelle. À partir de ces résultats, un modèle potentiel de forçage de l’écoulement autour du profil aval permet d’expliquer la modification du coefficient de portance imposé par l’interaction. Des simulations numériques de l’écoulement, qui fournissent des champs résolus en temps, permettent de retrouver certaines évolutions expérimentales. L’ensemble des résultats est utilisé, en parallèle à des données issues d’un aéronef réel, dans un modèle de vol longitudinal afin d’analyser le comportement dynamique de l’avion. Des critères permettant d’identifier la dynamique qui conduit à cet équilibre, fournissent une détection précoce de ce dernier.

Deep stall is a specific type of airplane stall, in which the horizontal tail is inside the detached wake of the main wing. The tail loses its efficiency, leading to a stable pitching equilibrium position with a high angle-of-attack, without any easy recovery procedure. The aim of the study is to characterize the aerodynamic associated to that phenomenon in order to propose an identification and recovery procedure. The approach consists in a two-dimensional flow characterization based on an aeronautical reference configuration. Aerodynamic coefficients, obtained for a wide range of angles-of-attack, show the interaction between the airfoils on the stall of the downstream airfoil. The analysis of velocity fields gives the width and the axial development of the airfoils wakes. Phase-averages of velocity fields lead to the synthesis of flow time-development. With these results, a potential model of flow forcing on the downstream airfoil explains the lift coefficient alteration imposed by the interaction. Flow numerical simulations, giving time-resolved fields, provide good accordance with experimental developments .The whole set of results is used, concurrently with real aircraft data, inside a longitudinal flight model in order to analyze the airplane dynamical behavior. Criteria for the identification of the dynamic leading to that equilibrium provide a rapid detection of deep stall and the implementation of a recovery strategy.